文/莊順凱 林明山 胡濱鎧 莊文君

一、引言

在汽車、工程機(jī)械、軍工機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)與空氣濾清器之間，依靠彎管連接，這種鋼管連接方式，在高壓高速流體沖擊下易產(chǎn)生較大的渦流區(qū)，造成零件受力不均勻[1]，易引發(fā)流體噪音和管道結(jié)構(gòu)振動(dòng)，致使管道會(huì)產(chǎn)生裂紋、疲勞斷裂，以及管道連接部件的松動(dòng)泄露等故障[2,3,4,5]，特別是工況惡劣時(shí)造成管壁裂紋、漏氣等問題時(shí)常發(fā)生。本文針對(duì)某企業(yè)研發(fā)的一款發(fā)動(dòng)機(jī)因增加進(jìn)氣量需要而設(shè)計(jì)一款變徑異向進(jìn)氣彎管，這種結(jié)構(gòu)零件，因兩端的接口口徑不一，方向變異，采用鋼質(zhì)材料制造難度大的問題，提出多種橡膠材料混煉，模具成型的解決方案，同時(shí)去除了該零件安裝固定時(shí)彎管兩端還需依靠橡膠管過渡的復(fù)雜連接方式，整個(gè)進(jìn)氣管形成整體化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)與空氣濾清器直接連接，能夠有效地解決發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道所存在的問題，尤其在高頻率震動(dòng)下，能夠消除管道間的剪切力引起的管道接口受扭矩剪切而破裂問題，并可延長(zhǎng)管道接口使用壽命，安裝操作簡(jiǎn)單。

二、方案改進(jìn)

圖1 產(chǎn)品圖

原有鋼質(zhì)進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)，連接時(shí)彎管兩端還需依靠小段橡膠管過渡與發(fā)動(dòng)機(jī)及進(jìn)氣過濾器連接。根據(jù)從事橡膠制品的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提出一款橡膠管替代質(zhì)管的方案，彎管兩端延伸合適的長(zhǎng)度直接與發(fā)動(dòng)機(jī)及進(jìn)氣過濾器連接，解決多段連接易脫落的難題，并把直通管部位改進(jìn)為減震環(huán)結(jié)構(gòu)。經(jīng)有限元受力分析得知，橡膠管結(jié)構(gòu)最大變形量比鋼質(zhì)管小,橡膠管結(jié)構(gòu)最大剪切力比鋼質(zhì)管小，橡膠管的減震環(huán)結(jié)構(gòu)有效減少管道間的剪切力及扯斷率。橡膠管結(jié)構(gòu)，按用戶要求的規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)（見圖1）。

三、材料煉制

客戶要求改進(jìn)后的彎管接口要連接靈活，密封性好，拉伸強(qiáng)度,扯斷伸長(zhǎng)率，變徑范圍。基于以上的彎管性能要求，選擇天然橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠為主體材料，加上碳黑（補(bǔ)強(qiáng)作用）、氧化鋅、硬脂酸 、防老劑等輔助材料進(jìn)行混合處理。采用白碳黑進(jìn)行表面改性，提高橡膠的物理機(jī)械性能。因白碳黑表面含有孤立的自由羥基、連生的彼此間形成氫鍵的締合羥基和雙生的兩個(gè)羥基連在一個(gè)硅原子上的羥基，即由于孤立的和雙生的羥基都沒有形成氫鍵，所以氫原子正電性較強(qiáng)，很容易與負(fù)電性原子氧形成氫鍵吸附。在常溫下羥基既可與橡膠分子鏈的醇端基(RTV)發(fā)生縮合反應(yīng)[6]，又可與分子鏈中的氧原子形成氫鍵，從而使膠料產(chǎn)生凝膠，對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)產(chǎn)生不良影響[7]。因此，必須在尚未加入白碳黑配合的膠料中先加入結(jié)構(gòu)劑，以防止和延遲或減少結(jié)構(gòu)化傾向，而加入的結(jié)構(gòu)控制劑與白碳黑表面的羥基反應(yīng)時(shí)應(yīng)具有足夠的活性，即結(jié)構(gòu)控制劑與白碳黑作用的活性要大于橡膠與白碳黑作用的活性。大量研究表明，選擇硅氮化合物是氣相法白碳黑的有效結(jié)構(gòu)劑，以六甲基二硅氮烷為例，它與白碳黑表面的硅烷醇反應(yīng)，白碳黑表面的大部分硅烷醇基將轉(zhuǎn)變?yōu)槿坠柰榛?。?jīng)過充分處理的氣相法白碳黑，可賦予膠料更佳的存放穩(wěn)定性和擠出性能，同時(shí)硫化膠的物性也可得到明顯的改善和提高，提升產(chǎn)品性能[8]。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)得出材料制造的工藝流程為塑煉、混煉、預(yù)成型、硫化和膠料檢測(cè)等。

1.塑煉。目的是降低生膠的彈性，增強(qiáng)其可塑性，使生膠易于流動(dòng)，易于成型。塑煉后可塑度達(dá)到以下要求：天然橡膠0.25-0.40，丁苯橡膠0.25-0.40，丁腈橡膠0.35-0.40。

2.混煉。實(shí)質(zhì)是在橡膠里面添加配合劑，提高橡膠的物理機(jī)械性能，改善工藝性能。采用密煉機(jī)混煉，每批膠料混煉時(shí)間為8～18分鐘，排膠溫度為700C,與原有開煉機(jī)混煉的方法相比，大大縮短了混煉時(shí)間，減少碳黑的飛揚(yáng)。

表1 樣品檢測(cè)結(jié)果

3.預(yù)成型。把已出片的膠料從擠出機(jī)中擠出預(yù)成型為直型橡膠管備用。

4.硫化。將成型后彎管連同模具放入硫化罐中進(jìn)行硫化，在0.4Mpa壓力下，40～60 min時(shí)間。

四、模具及成型

從圖1可知，彎管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，減震環(huán)及彎頭部位不容易脫模，對(duì)模具的制造除了精度較高外，還需考慮操作方便易脫模。根據(jù)彎管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定成型的工藝流程：預(yù)成型的管胚套入模具----硫化處理----脫模---修剪。預(yù)成型的管胚從小口徑端套入往大口徑端方向擠進(jìn)，擠進(jìn)時(shí)注意把膠管的壁厚控制在上偏差5%以內(nèi)，徑向壁厚偏差控制在上偏差2%以內(nèi)。由于兩端口口徑不一樣，小口端有一定錐度，擠進(jìn)完成后采用纏繞法將其控制在錐度范圍內(nèi)，尤其在對(duì)減震部位進(jìn)行圈緊時(shí)要注意力度均勻。

綜合多方因素，模具制造時(shí)彎頭部位及前后段截面內(nèi)徑都是φ102mm，采用相應(yīng)規(guī)格的鋼管拼接焊接，減震環(huán)及錐度段用圓鋼車削至合理尺寸，中心掏空（壁厚保留3mm)減輕該部分重量，尾部平直段采用鋼管，把三段焊接在一起后對(duì)外表面進(jìn)行打磨拋光后防銹處理.彎管的減震環(huán)位置是成型和脫模的難點(diǎn)，在擠進(jìn)材料前需在模具上涂上脫模劑，脫模時(shí)在小口徑處用拉拔器施加外力，并向膠管內(nèi)與模具之間送入一定壓力的氣體輔助脫模。

將成型好的膠管進(jìn)行硫化，將硫化溫度控制在150℃，時(shí)間控制在60min左右，保證減震環(huán)部位能夠硫化完全。最后將硫化成型好的軟管進(jìn)行脫模，并進(jìn)行切管、修邊、清洗、檢驗(yàn)、包裝，整個(gè)過程一次性成型。

五、性能檢測(cè)

抽取成型后的10件樣品，根據(jù)客戶對(duì)產(chǎn)品的性能要求列出檢測(cè)指標(biāo)交由第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。檢測(cè)結(jié)果表明，拉伸強(qiáng)度最小為10.7 MPa，最大達(dá)到12.5 MPa，老化前扯斷伸長(zhǎng)率為280%，老化后扯斷伸長(zhǎng)率為291%，壁厚差均控制在上偏差5%以內(nèi)，徑向壁厚差控制在上偏差2%以內(nèi)，質(zhì)量滿足客戶的需求。

六、結(jié)語

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的鋼質(zhì)連接管道在工作中由于震動(dòng)扭力易發(fā)管道破裂的問題，研發(fā)出一款一次成型的變徑橡膠彎管，獲得了3項(xiàng)國(guó)家實(shí)用新型專利授權(quán)：1.成型變徑伸縮減震橡膠管（ZL200720006739.9）；2.一種新型橡膠管擠出頭（ZL201720967940.7）；3.一種橡膠管二次擠出模頭（ZL201720968402.X）。應(yīng)用表明，該產(chǎn)品可消除因振動(dòng)或扭力引發(fā)的膠管爆裂、漏氣等問題，具有易維修、拆裝，使用方便的特點(diǎn)，可完全替代鋼質(zhì)連接管道，具有極高的推廣價(jià)值。