航空發(fā)動機(jī)用氟橡膠密封件成型工藝的研究

邢彬，馬羽飛，劉芳，張麗娜

（沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

航空發(fā)動機(jī)用氟橡膠密封件成型工藝的研究

Molding process of fl uorine rubber seals for aircraft engines

邢彬，馬羽飛，劉芳，張麗娜

（沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

闡述了采用某牌號氟橡膠壓制航空發(fā)動機(jī)用唇形密封件的成型工藝研究過程。主要完成了一段硫化參數(shù)、二段硫化參數(shù)的確定、橡膠磨具的設(shè)計和典型零件的性能檢測。結(jié)果證明確定的成型工藝可滿足發(fā)動機(jī)唇型密封件批量生產(chǎn)的需求。

航空發(fā)動機(jī)；唇型密封件；硫化；模具設(shè)計

某航空發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和使用介質(zhì)溫度相對較高，為防止滑油的外漏和蒸發(fā)消耗，保證發(fā)動機(jī)可靠工作，研制出了航空發(fā)動機(jī)密封件制造所需要的高性能橡膠材料。本文通過對使用該氟橡膠材料壓制帶骨架的唇形密封件的成型工藝的研究，確定理想的成型工藝，并指導(dǎo)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，最終滿足發(fā)動機(jī)的使用需求。

1 零件使用工況

該零件主要為發(fā)動機(jī)減速器、滑油附件等部位的活動密封件。工作溫度：不高于130 ℃。工藝介質(zhì)：某牌號進(jìn)口潤滑油或其替代品。旋轉(zhuǎn)軸的最高線速度小于18 m/s。

2 硫化工藝研究

硫化是混煉膠料在一定的條件下，橡膠分子由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)過程。膠料的物理及力學(xué)性能產(chǎn)生了很大的變化；橡膠失去了流動性，提高了彈性和強(qiáng)度以及耐介質(zhì)性。橡膠唇型密封件采用模壓的方式進(jìn)行硫化成型。硫化參數(shù)主要包括：硫化時間、硫化壓力和硫化溫度。氟橡膠制品通常需要進(jìn)行二段硫化以提高交聯(lián)密度、釋放小分子物質(zhì)、減低壓縮永久變形等。要注意二段硫化的升溫速度，速度過快會造成產(chǎn)品氣泡、變形。對于帶骨架的制品還會產(chǎn)生橡膠和金屬的脫離，要采取階梯升溫的形式［1～2］。

2.1 硫化參數(shù)確定

2.1.1 一段硫化參數(shù)

硫化即是混煉膠料在一定的溫度、模具壓力下，經(jīng)過一定的時間后，橡膠分子由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)過程。而一段硫化主要是將具有一定的可塑性的膠料，制成一定形狀或稱量出一定的質(zhì)量后，填入或直接注入型腔，經(jīng)加壓加熱硫化，以獲得必要形狀和使橡膠達(dá)到一定程度交聯(lián)的過程。為保證橡膠膠料有較好的物理機(jī)械性能和耐介質(zhì)性能，應(yīng)控制硫化時間、溫度、壓力來保證較高的硫化程度，而又不產(chǎn)生過硫化現(xiàn)象。即保證橡膠膠料在硫化平坦區(qū)間完成交聯(lián)反應(yīng)［3～4］。氟橡膠的一段硫化參數(shù)，硫化溫度：175±3 ℃；硫化時間：25 min；硫化壓力：模具單位面積上壓力不小于10 MPa。

2.1.2 二段硫化參數(shù)

氟橡膠在硫化過程中會釋放出HF、Hcl、H2O、CO2等低分子物質(zhì)，這會影響硫化，使制品的性能下降。同時由于釋放出的物質(zhì)有一定的腐蝕性，會導(dǎo)致對材料和設(shè)備的破壞，所以氟橡膠需要進(jìn)行二段硫化。二段硫化是在鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行的，其目的就是使這些小分子物質(zhì)得以充分的揮發(fā)。同時二段硫化可以使未完全硫化的橡膠分子，發(fā)生進(jìn)一步的交聯(lián)反應(yīng)，提高了橡膠的拉伸強(qiáng)度、降低了壓縮永久變形。表1為不同二段硫化條件對膠料性能的影響。

表1 不同二段硫化條件對膠料性能影響

從表1經(jīng)不同二段硫化條件硫化后的橡膠膠料性能測試數(shù)據(jù)可見，隨處理溫度的升高，硫化膠拉伸強(qiáng)度提高。在試驗(yàn)選定的同一溫度下，延長處理時間，硫化膠耐高溫壓縮永久變形降低，拉伸強(qiáng)度略有下降。從綜合性能考慮，采用232 ℃×12 h 和250 ℃×12 h二段硫化后硫化膠性能較好且基本相當(dāng)。

2.1.3 硫化工藝制定

本唇型密封件是帶金屬骨架的密封件，較襯墊和O型圈密封件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為達(dá)到內(nèi)外部膠料都得到充分交聯(lián)并與金屬骨架形成牢固的化學(xué)鍵，應(yīng)保證二段硫化的升溫平穩(wěn)性。升溫速度應(yīng)適當(dāng)?shù)玫娇刂?，過快會造成產(chǎn)品產(chǎn)生氣泡、裂紋、金屬與橡膠脫離等現(xiàn)象。因此實(shí)驗(yàn)采取了階梯升溫的方式。將橡膠密封件放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，硫化的條件為：室溫升至70 ℃升至120 ℃升至160 ℃升至232 ℃，并在232 ℃下恒溫12 h，硫化結(jié)束后關(guān)閉鼓風(fēng)干燥箱電源，自然冷卻到室溫。

3 唇形密封件模具的設(shè)計

3.1 模具設(shè)計基本要求

橡膠模具是用于橡膠制品硫化定型的器具。優(yōu)良模具設(shè)計是保證壓制出有正確輪廓、精確尺寸、良好內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橡膠零件的前提。模具要求有一定的光潔度、合理的分型面，以便于裝模、合模、啟模和修邊的進(jìn)行。如果分型面位置設(shè)計不對，制品可能取出困難或完全取不出，特別是含有剛性金屬骨架時，應(yīng)特別注意。同時設(shè)計要考慮到橡膠零件后續(xù)加工的便捷性。

3.2 橡膠收縮率對模具設(shè)計影響

在設(shè)計時要充分考慮不同種類橡膠的收縮率對模具尺寸的影響，以保證壓制出尺寸和外觀均符合要求的零件。收縮率是指：室溫下模具型腔尺寸與對應(yīng)制品室溫下尺寸之差同制品室溫下尺寸的百分比，收縮率計算公式為：

式中：

K——膠料的收縮率，%；

D——室溫下模具的型腔尺寸，mm；

D0——室溫下制品的尺寸，mm。

就不同橡膠種類而言，收縮率是天然橡膠＜丁苯橡膠＜氯丁橡膠＜丁氰橡膠＜丁基橡膠＜硅橡膠＜氟橡膠?？梢姺鹉z的收縮率是橡膠中較大的，當(dāng)然由于不同填料的加入和不同的硫化體系的使用，也會造成收縮率的變化，但在模具設(shè)計時應(yīng)充分考慮氟橡膠的這一特點(diǎn)［5］。

3.3 模具型腔尺寸確定

首先將氟橡膠膠料充滿模具型腔，進(jìn)行硫化成型，冷卻至室溫后測量其尺寸即為D0，然后根據(jù)模具的實(shí)際尺寸D反推出膠料的收縮率K。由于零件的設(shè)計尺寸是確定的，最終的目的是壓制出符合規(guī)定尺寸的零件，根據(jù)零件尺寸要求利用公式（1），計算出室溫下模具的型腔尺寸。而生產(chǎn)混煉膠的同時，生產(chǎn)廠家就會根據(jù)每批次的不同情況提供出膠料的收縮率，以作參考。圖1是針對唇形密封件研制的模具組裝圖。

4 零件檢測

4.1 零件外觀檢查

4.1.1 零件外觀檢查方法及要求

對生產(chǎn)出的全部零件都要進(jìn)行外觀的檢查，外觀檢測方法為目視，不同的部位都有著不同的檢驗(yàn)要求，具體要求如下：

（1）轉(zhuǎn)動接觸工作面：據(jù)唇口尖邊1 mm范圍內(nèi)，零件不應(yīng)有氣泡、孔眼、雜質(zhì)、凹凸、劃傷。

（2）非轉(zhuǎn)動接觸面：零件表面不應(yīng)有氣泡、孔眼和外來雜質(zhì)及黏接膠液過多形成的痕跡，允許有橡膠組織內(nèi)部配合劑產(chǎn)生的凹凸痕跡，總數(shù)量不超過6處。

（3）固定工作面：零件表面不應(yīng)有氣泡、孔眼、雜質(zhì)，允許有模型輕微磨損。

圖1 唇形密封件模具組裝圖

（4）其他部分：零件不允許有骨架與橡膠黏接不良的現(xiàn)象，不允許有外來金屬雜質(zhì)，零件分模面允許有輕微深度的抽邊。

4.1.2 零件外觀檢測結(jié)果

選擇3個零件號，按要求壓制成32個密封件，進(jìn)行了外觀的檢測，檢測結(jié)果為外觀全部合格。

4.2 零件尺寸檢查

零件實(shí)際檢查結(jié)果

試驗(yàn)壓制了3個件號的密封零件，每個件號分別壓制了32個零件。對其尺寸進(jìn)行了檢測。表2是1、2、3號密封件尺寸測量結(jié)果。

通過表2的測量結(jié)果可以看出密封件的外形尺寸符合圖紙規(guī)定的要求。由此可見氟橡膠硫化工藝可行，模具設(shè)計合理。

表2 唇形密封件尺寸測量結(jié)果

5 結(jié)論

（1）密封件外觀及尺寸合格的零件，研制的氟橡膠的性能達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)的要求，膠料適宜作為發(fā)動機(jī)用動密封件的制造材料。

（2）模具的設(shè)計充分考慮到了氟橡膠收縮洗漱較大、易脫模、便于加工等因素，設(shè)計出了合理結(jié)構(gòu)及尺寸的模具。

（3）確定了一段硫化和二段硫化條件，并制定了硫化工藝。是橡膠與金屬骨架硫化后達(dá)到了較好的成型效果。

（4）密封零件外觀及尺寸合格，壓制出了符合設(shè)計圖紙要求的密封零件，確定了理想的成型工藝，可指導(dǎo)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。

［1］ 高鑒明，張亞軍，唐躍. 低壓變氟橡膠硫化體系試驗(yàn)的研究［J］. 特種橡膠制品，2004，02：12～26.

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［5］ 趙敏. 一種金屬-橡膠復(fù)合密封墊的成型模具和成型方法［J］. 橡膠工業(yè)，2010，10：22.

（R-03）

TQ336.8

1009-797X（2015）23-0027-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.23.007

邢彬（1978-）女，高級工程師，2001年畢業(yè)于沈陽化工學(xué)院，現(xiàn)主要從事非金屬材料性能研究工作。

2015-09-22