大型厚壁橡膠圈硫化成型工藝與模具優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

劉兆棟, 劉志坡, 于 磊

（中國(guó)中車 青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

大型厚壁橡膠圈硫化成型工藝與模具優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

劉兆棟, 劉志坡, 于 磊

（中國(guó)中車 青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

改進(jìn)了產(chǎn)品的成型工藝方法，利用新的注壓成型法解決了原模壓成型過(guò)程中存在的質(zhì)量缺陷。實(shí)踐證明，對(duì)于大型厚壁復(fù)雜圓環(huán)狀橡膠圈產(chǎn)品，注壓成型與模壓成型相比更具優(yōu)勢(shì)，更能提高產(chǎn)品的合格率。對(duì)同類結(jié)構(gòu)的橡膠零件的硫化工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

軌道車輛；橡膠圈；硫化工藝；模具設(shè)計(jì)

0 前 言

隨著鐵路系統(tǒng)對(duì)安全運(yùn)營(yíng)的要求升級(jí),對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量水平的要求進(jìn)一步提高,主機(jī)廠要求產(chǎn)品外觀沒(méi)有任何缺陷,一些輕微缺陷亦將被判定為不合格。因此對(duì)一些工藝上不是很穩(wěn)定的產(chǎn)品,勢(shì)必需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝,提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1所示零件為地鐵車輛轉(zhuǎn)向架用橡膠圈,安裝在車軸兩端的軸箱內(nèi)（圖2）,起到緩沖、減振作用,對(duì)三個(gè)方向的剛度性能有一定的要求。因此,要求該產(chǎn)品不僅具有合適的剛度特性,以滿足系統(tǒng)的隔振、緩沖要求；還應(yīng)具有一定的強(qiáng)度,以適應(yīng)系統(tǒng)不同工況下的載荷；同時(shí)還需要有一定的疲勞性能,以達(dá)到系統(tǒng)能夠正常運(yùn)營(yíng)的工況要求[1]。另外,產(chǎn)品尺寸較大,外圍尺寸達(dá)外徑300 mm、高150 mm,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成型難度也較大。

圖1 橡膠圈

圖2 橡膠圈應(yīng)用

1 問(wèn)題分析

在前期模具開(kāi)發(fā)時(shí),參考的產(chǎn)品原型件采用的是模壓成型?？紤]到成型工藝的一致性,選取模壓成型法。

產(chǎn)品硫化后,內(nèi)壁上存在局部的氣泡缺陷問(wèn)題(如圖3a),個(gè)別產(chǎn)品在缺口頂端斜角部位存在撕裂問(wèn)題(如圖3b)。通過(guò)反復(fù)調(diào)整排氣次數(shù)、排氣距離、膠坯質(zhì)量、硫化溫度等方法都無(wú)法解決。對(duì)于氣泡缺陷問(wèn)題,分析原因主要有三個(gè)方面∶第一,膠料配方方面,由于產(chǎn)品的減振要求,產(chǎn)品用配方含膠率很高,門尼黏度[ML（1+4）100 ℃] 相對(duì)較大,流動(dòng)性不是很好。第二,從模具及成型工藝方面來(lái)講,首先模具下模芯和上模芯上沒(méi)有排氣設(shè)計(jì),模壓成型過(guò)程中,膠料在模具內(nèi)剪切速率相對(duì)較低[2],即使通過(guò)多次排氣,也依然無(wú)法保證膠料受到足夠的剪切力而使黏度降低且保證黏度均勻。膠料的黏度不均會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)不暢,造成局部窩氣。第三,從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面來(lái)講,產(chǎn)品為圓環(huán)狀且高度較高,靠近模具芯模壁處氣體不容易排出。針對(duì)缺口頂端斜角處撕裂問(wèn)題,分析原因?yàn)椤迷陂_(kāi)模時(shí),封閉型腔為真空負(fù)壓狀態(tài),產(chǎn)品受負(fù)壓力,且由于缺口處為兩股料流交匯處,此處本身會(huì)存在交聯(lián)強(qiáng)度低的問(wèn)題,在負(fù)壓作用下造成局部撕裂。

圖3 質(zhì)量缺陷

針對(duì)以上原因分析,應(yīng)該從降低膠料的黏度以保證膠料熔合的角度來(lái)改善產(chǎn)品的填充過(guò)程,而降低膠料流動(dòng)黏度的最好方法是改變成型工藝,即將模壓法改為注射法,注射過(guò)程中膠料剪切速率可達(dá)104m/s[2],剪切作用提高,黏度降低,填充阻力也會(huì)明顯減小。且注射成型能保證產(chǎn)品溫度均勻、黏度均勻,有利于膠料流動(dòng)。為此將原模具改為注壓式結(jié)構(gòu),這樣在注射過(guò)程中膠料經(jīng)流道和澆口的剪切后使膠料黏度大大降低,流動(dòng)阻力減小,膠料熔合變好；另外填充過(guò)程中,膠料自上而下推進(jìn)式的流動(dòng)方式也有利于氣體排出,避免窩氣。

2 具體改進(jìn)措施

2.1 原模壓模具結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

2.1.1 原模壓模具結(jié)構(gòu)

原模壓式模具結(jié)構(gòu)如圖4所示。模具總體分上模、中模和下模三部分。其中,上模部分包括上模座板1和上模芯3,上模芯3用螺釘2固定在上模座板1上。哈呋塊外側(cè)與中模間為錐面定位,方便裝模和脫模。哈呋塊4與上模座板間也采用錐面定位。托模架6利用螺釘7固定在中模5上。下模芯10利用螺釘11緊固在下模座板8上。由于產(chǎn)品外側(cè)有上下2個(gè)分型面,因此哈呋塊要設(shè)計(jì)定位銷9。

圖4 模具結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品內(nèi)徑為直面,無(wú)拔模斜度,硫化后型腔內(nèi)為真空狀態(tài),出模時(shí)阻力較大。為防止出模時(shí)哈呋塊被帶出,特在中模5兩側(cè)面設(shè)計(jì)壓塊12,以壓住哈呋塊4。上模與中模間、中模與下模間采用導(dǎo)柱14導(dǎo)向和定位。模具的三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 模具三維結(jié)構(gòu)

2.1.2 原模壓模具工作過(guò)程

產(chǎn)品硫化結(jié)束后,首先從上模和中模之間分型面Ⅰ-Ⅰ處分型。設(shè)備脫模機(jī)構(gòu)帶動(dòng)托架6將整個(gè)中模連同哈呋塊和產(chǎn)品一起與下模部分分離,實(shí)現(xiàn)分型面Ⅱ-Ⅱ處分型。將壓塊12向外側(cè)撥開(kāi),利用頂出工裝將哈呋塊和產(chǎn)品一起從中模頂出,用工裝將哈呋塊分開(kāi),即可取出產(chǎn)品。

模具清理完畢后將中模復(fù)位到下模上,將左、右哈呋塊放入中模內(nèi),將側(cè)型芯13插入兩哈呋塊對(duì)接面處,最后將壓塊向內(nèi)側(cè)復(fù)位壓住哈呋塊。將提前預(yù)烘好的圓形膠坯疊放整齊后擺放至下模芯上表面中心部位,手動(dòng)緩慢合模,膠料經(jīng)擠壓后逐漸充滿型腔,經(jīng)排氣動(dòng)作后即開(kāi)始自動(dòng)硫化。

2.1.3 模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）產(chǎn)品內(nèi)側(cè)分型面位置選擇在中間靠下位置,主要原因是∶一方面膠坯放入后不會(huì)高于型腔,有利于合模過(guò)程中膠料不外溢。

（2）在哈呋塊上設(shè)計(jì)排氣通孔,并連通哈呋塊外表面的溢膠槽,有利于實(shí)現(xiàn)膠料的流動(dòng),避免局部死角窩氣造成的氣泡缺陷。

（3）在產(chǎn)品外圍分型面一整圈邊緣設(shè)計(jì)飛邊槽和跑膠槽,以利于修邊和多余膠料的溢出。

（4）側(cè)型芯放置在兩哈呋塊對(duì)接面處,用以成型產(chǎn)品開(kāi)口槽。裝模時(shí),待哈呋塊裝入后再插入側(cè)型芯。

2.2 改進(jìn)后的注壓模具結(jié)構(gòu)及工作原理

2.2.1 改進(jìn)后的注壓模具結(jié)構(gòu)

在原來(lái)模具的基礎(chǔ)上增加一層上板,即將原先的三層模結(jié)構(gòu)改為四層模結(jié)構(gòu),在上板上加工主流道、一級(jí)分流道和二級(jí)分流道,在原先的上模上加工三級(jí)分流道和澆口。整個(gè)澆注系統(tǒng)如圖7所示。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積較大,用膠量較多,設(shè)計(jì)了多個(gè)澆口注膠的方式,以保證膠料能快速注入模具,防止因注膠時(shí)間長(zhǎng)而造成膠料過(guò)早焦燒。結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、膠料硬度等經(jīng)驗(yàn),澆口數(shù)量設(shè)計(jì)為16個(gè),從頂端注膠。改進(jìn)后的注壓模具結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的注壓模具

圖7 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為改善產(chǎn)品內(nèi)壁排氣效果,在上模芯和下模芯分型面上開(kāi)設(shè)了排氣槽,排氣槽通過(guò)排氣孔與外界相連通（如圖8所示）,在膠料注射的過(guò)程中可以將氣體導(dǎo)出,從而達(dá)到排除型腔內(nèi)氣體的目的。另外,下模芯開(kāi)通排氣孔與外界相通,可保證硫化結(jié)束開(kāi)模時(shí)型腔內(nèi)不至于為負(fù)壓狀態(tài),消除了產(chǎn)品撕裂。

圖8 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.2 改進(jìn)后的注壓模具工作原理

改進(jìn)后的注壓模具工作原理∶將預(yù)烘好的膠坯放入注壓設(shè)備加料腔內(nèi),在柱塞的高壓推動(dòng)下,膠料被注入模具型腔,經(jīng)一定的溫度、壓力和時(shí)間后橡膠完成交聯(lián)反應(yīng),待硫化時(shí)間結(jié)束后取出產(chǎn)品。取出產(chǎn)品的方法與模壓成型過(guò)程一致,唯一不同的是增加了一步取出殘留流道料柄的過(guò)程。該過(guò)程只需要在硫化結(jié)束后將上板與原上模座板之間的活動(dòng)插銷3拔下,則設(shè)備開(kāi)模后會(huì)首先從Ⅰ-Ⅰ分型面開(kāi)模,取出流道膠,然后合模將插銷插入連接塊2,實(shí)現(xiàn)分型面Ⅱ-Ⅱ處分型。最后利用設(shè)備脫模機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從分型面Ⅲ-Ⅲ處分型,取出產(chǎn)品。

3 改進(jìn)效果驗(yàn)證

（1）橡膠基本配方（單位∶份）∶NR 100,氧化鋅 5,硬脂酸 2,防老劑 3～5,加工助劑2～5,N550炭黑 40,環(huán)烷油 3～5,硫磺 1～2,促進(jìn)劑 2～5。

（2）硫化工藝參數(shù)∶膠料在90 ℃下預(yù)烘（30～60）min,硫化溫度150 ℃,注射壓力12 MPa（油缸壓力）,硫化時(shí)間35 min。采用的硫化設(shè)備是300 t自動(dòng)油壓成型機(jī)。

按照以上思路更改模具結(jié)構(gòu)后進(jìn)行了產(chǎn)品試制,發(fā)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的200多件產(chǎn)品中都沒(méi)有氣泡缺陷。隨著氣泡缺陷的徹底消除,撕裂問(wèn)題也得到解決。改進(jìn)后,由于是先合模后注膠,分型面處幾乎沒(méi)有飛邊,產(chǎn)品表面光滑美觀（如圖9所示）,合格率達(dá)100%。在性能方面,產(chǎn)品在三個(gè)方向上的剛度試驗(yàn)結(jié)果都符合技術(shù)要求。

圖9 成型零件實(shí)物

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大型厚壁橡膠圈成型工藝的改進(jìn)研究,找到了產(chǎn)品硫化成型過(guò)程中氣泡產(chǎn)生的根本原因∶由于模壓過(guò)程中膠料流動(dòng)不充分且模具型腔內(nèi)側(cè)處排氣不暢造成。利用注壓成型方法可使膠料在經(jīng)過(guò)流道的剪切作用后黏度降低,使充模流動(dòng)性更好,膠料熔合性也更好,產(chǎn)品的氣泡缺陷徹底消除。另外,通過(guò)改進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì),解決了硫化結(jié)束開(kāi)模時(shí)型腔內(nèi)為負(fù)壓的問(wèn)題,消除了出模時(shí)產(chǎn)品撕裂的問(wèn)題。實(shí)踐證明,對(duì)于大尺寸圓環(huán)狀復(fù)雜純膠件產(chǎn)品而言,采用注壓成型方法比模壓成型工藝更具優(yōu)勢(shì),產(chǎn)品質(zhì)量也更穩(wěn)定,合格率更高。

[1] 劉兆棟,黃曉紅,孫瑋光.車輛轉(zhuǎn)向架橡膠圈模壓成型工藝與壓縮模設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè),2014,40(1):69-71.

[2] 王作齡 編譯. 橡膠的硫化與成型技術(shù)（六）[J].世界橡膠工業(yè),2006,33(11):48-52.

[責(zé)任編輯：朱 胤]

Study on Vulcanization Molding Process and Mold Optimization Design for the Large Scale Thick Wall Rubber Ring

Liu Zhaodong, Liu Zhipo, Yu lei
(Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co., Ltd., Qingdao 266031, China)

The improvement methods of the molding process were introduced in this paper. The new injection molding process solved the quality defects which existed in the original compression molding. The trial proved that for large scale thick wall rubber ring products, injection molding had more advantages than the compression molding, and could raise the qualif ed rate of products, provided reference for vulcanization process and mold design to the same kinds of rubber products.

Rail Vehicle; Rubber Ring; Vulcanization Process; Mold Design

TQ 336

A

1671-8232(2015)09-0033-05

2015-06-09

劉兆棟（1982—）,男,山東臨沂人,碩士,工程師,目前就職于中國(guó)中車青島四方車輛研究所有限公司,主要從事軌道車輛用橡膠減振產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)與硫化工藝研究工作。