駕駛室前懸襯套制造工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

張屹

(中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南橡塑件有限公司，山東 濟(jì)南 250300)

為了便于檢修發(fā)動(dòng)機(jī)等部件，重型汽車(chē)多采用液壓舉升前翻的駕駛室。該類(lèi)駕駛室懸置方式一般包括獨(dú)立的駕駛室前懸置和駕駛室后懸置。前懸置包括前懸置左右支座、翻轉(zhuǎn)軸、翻轉(zhuǎn)軸左右支撐總成、螺旋減震彈簧(主要作用是承受垂直載荷和緩和路面沖擊)等；后懸置包括左右立柱、上橫梁、后橫梁、駕駛室鎖、螺旋彈簧減震器(主要作用是承受垂直載荷和緩和路面沖擊)等[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)重型汽車(chē)的駕駛員們對(duì)汽車(chē)舒適性的要求越來(lái)越高。商用車(chē)行駛路況較為復(fù)雜，駕駛室前懸襯套是駕駛?cè)藛T駕乘舒適性和汽車(chē)行駛平順性的有力保障[2]。我公司生產(chǎn)的某型駕駛室前懸襯套由塑料外管、鋁質(zhì)內(nèi)軸、鋼質(zhì)內(nèi)片涂敷熱硫化黏合劑后放入硫化模具注射橡膠硫化制成?？蛻?hù)裝配該產(chǎn)品時(shí)該產(chǎn)品塑料外管斷裂，故障率1%，故障件不易自翻轉(zhuǎn)軸內(nèi)取出，占用部分人工，客戶(hù)對(duì)此有所抱怨，直接影響公司聲譽(yù)。

1 失效模式及工藝流程

對(duì)客戶(hù)失效模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，模式均為塑料外管斷裂，占比100%（圖1）。該產(chǎn)品原有的生產(chǎn)工藝流程為塑料外管注塑、調(diào)濕、噴砂處理、清洗、涂覆黏合劑、硫化、修邊、包裝。工藝流程簡(jiǎn)圖如下（圖2）。因塑料外管原材料（PA66+30%GF）特性，在工藝上需蒸煮調(diào)濕以達(dá)到釋放內(nèi)應(yīng)力及增韌效果；通過(guò)細(xì)砂拋丸的方式提高表面粗糙度，既進(jìn)行表面處理，同時(shí)增強(qiáng)塑料外管與橡膠之間的黏接面積，從而黏合效果。

圖1 故障模式

2 影響原因分析

為降低客戶(hù)裝配故障率,研究了對(duì)塑料外管斷裂有明顯影響的因素。找出了我公司內(nèi)部可能對(duì)裝配合格率有明顯影響的主要因素:塑料外管強(qiáng)度；橡膠硬度天然膠可塑度。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

應(yīng)用DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，合理地安排試驗(yàn)、取得數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行綜合科學(xué)分析，從而確定哪些參數(shù)對(duì)響應(yīng)的影響最大。

3.1 確定影響參數(shù)和響應(yīng)

影響參數(shù):塑料外管強(qiáng)度P；橡膠硬度A；天然膠可塑度R。

圖2 工藝流程

響應(yīng):客戶(hù)裝配良品率。

3.2 確定影響參數(shù)改變的水平

每個(gè)影響參數(shù)各取兩個(gè)水平,即：

3.3 寫(xiě)出析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)表

析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)表見(jiàn)表1、表2。

表1 析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)表及一個(gè)像結(jié)果

表2 析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)表 相互作用

3.4 計(jì)算主效應(yīng)及其相互作用

（1）由表1可以計(jì)算：

響應(yīng)均值mean=986.125

（2）由表2可以計(jì)算兩參數(shù)的相互作用及三者共同作用：

（3）影響結(jié)果即響應(yīng)y與P、A、R三個(gè)參數(shù)的關(guān)系為：

其中xi=(2i-(i++i-))/(i+-i-)，i為參數(shù)P、A、R。

3.5 析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)結(jié)論

根據(jù)析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，可以明顯得到，塑料外管強(qiáng)度（參數(shù)P）為駕駛室前懸襯套斷裂這一失效模式的主要因素。其后依次為天然膠可塑度、橡膠的硬度，對(duì)襯套外管斷裂有不同程度的影響。三個(gè)影響參數(shù)與響應(yīng)的估算模型為式1。

利用式1進(jìn)行殘差分析，確認(rèn)三個(gè)影響因素及相互作用符合正態(tài)分布規(guī)律。對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行分析，每個(gè)變量都進(jìn)行樣件的裝配驗(yàn)證，進(jìn)一步確認(rèn)影響失效模式開(kāi)裂的要因，分別確定三個(gè)參數(shù)的最佳工藝，提升整體改進(jìn)的有效性和可靠性。

4 注塑模具設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化提升塑料外管強(qiáng)度

塑料外管材質(zhì)為PA66+30%GF，優(yōu)化塑料外管的模具設(shè)計(jì)。對(duì)原有注塑模設(shè)計(jì)的單點(diǎn)注射方案進(jìn)行分析，添加玻纖的塑料，在玻纖取向的收縮由于玻纖的阻抗而受限，垂直玻纖取向的收縮因?yàn)檩^無(wú)玻纖的阻抗而較大，PA66+30%GF其在玻纖取向（或塑流方向）的模塑收縮率只有其在垂直玻纖取向的模塑收縮率的一半。圖3原模具采用單點(diǎn)針點(diǎn)澆口，進(jìn)入型腔的熔體前沿呈180°扇形擴(kuò)展，違背了單一方向原則，添加玻纖后，流向與垂直流向有異而又彼此牽扯，成型的圓管會(huì)因?yàn)樽冃味A。重新設(shè)計(jì)了澆口方案由位置在外壁上端單一澆口優(yōu)化為單邊三點(diǎn)潛伏式澆口圖4，進(jìn)膠的熔體前沿以單一同向流的方式均衡迅速充填型腔，流改變了注塑中玻纖亂流現(xiàn)象，流向與垂直流向的收縮率雖然有異，兩個(gè)方向的收縮各行其事而互為均衡，殘余應(yīng)力無(wú)由產(chǎn)生，變形自可免除，成型圓管的的圓度可以保持（表3），又提高外管強(qiáng)度（表4）。澆口方式改進(jìn)前后對(duì)比（圖3、圖4）。

圖3 澆口方式改進(jìn)前

圖4 澆口方式改進(jìn)后

表3 塑料外管圓度改進(jìn)前后對(duì)比

注塑流道設(shè)計(jì)方面由原來(lái)冷流道改進(jìn)為熱流道，自噴嘴至澆口的熔膠傳送系統(tǒng)的局部或全部，在整個(gè)注射成型周期中，以加熱的方式保持塑料在熔融狀態(tài)，該系統(tǒng)可經(jīng)過(guò)冷流道和澆口進(jìn)膠型腔，也可直接進(jìn)膠型腔，若要控制進(jìn)膠和斷膠時(shí)間，可在直接進(jìn)膠的熱流道系統(tǒng)的熱嘴處采用閥式澆口。熱流道優(yōu)勢(shì)：

（1）熱流道的直徑一般比較大，而熔膠在熱流道中一直保持在高溫狀態(tài)，所以塑流流經(jīng)熱流道的剪切應(yīng)力與壓力降遠(yuǎn)較流經(jīng)冷流道者低，而能將同質(zhì)（相對(duì)同溫同壓）的熔膠送到所有的澆口，這對(duì)制品（尤其是薄壁制品）的高質(zhì)量注射成型以及更多型腔的模具開(kāi)發(fā)是有利的；

表4 塑料外管材料強(qiáng)度改進(jìn)前后對(duì)比

（2）冷流道模具往往因?yàn)槔淞鞯垒^之制品過(guò)于粗厚而使得周期時(shí)間太長(zhǎng)，在此情況下，熱流道因?yàn)楸旧聿豁毨鋮s固化而使得周期時(shí)間縮短；

（3）冷流道有回收料有回收料的污染、降解等問(wèn)題，熱流道在材料的節(jié)省和品保方面成效突顯；

（4）閥式澆口和熱流道的合并使用，可以改變充填模式，具有消除或轉(zhuǎn)移熔接線、氣穴等的功能，因改進(jìn)襯套管壁是薄壁結(jié)構(gòu)，因此采用了熱流道方式，有利于產(chǎn)品提高強(qiáng)度及節(jié)約材料。

另注塑模具內(nèi)腔表面粗糙度由0.2提高3.2，使得注塑成型后塑料外管內(nèi)壁粗糙度提高，代替原有的拋丸方式，原拋丸工藝采用直徑0.6細(xì)鋼丸，每次3分鐘，通過(guò)拋丸一方面清理表面清潔度質(zhì)量，另一方面通過(guò)拋丸增加管壁比表面積，從而增加黏接面積，提高塑料管與橡膠的黏接力，但存在鋼丸隊(duì)塑料薄壁的損傷隱患，通過(guò)注塑模具一次成型，在制作注塑模具時(shí)，增加管壁粗糙度，后工序僅用溶劑進(jìn)行清洗即可，消除了因拋丸沖擊造成塑料外管強(qiáng)度損失的風(fēng)險(xiǎn)。

在黏合劑選擇方面，選用了更適合尼龍黏接的CILBOND24單涂黏合劑，實(shí)驗(yàn)顯示黏接力比原用黏合劑有所提高。同時(shí)該產(chǎn)品內(nèi)管材質(zhì)為鋁管同樣選用了適合鋁材黏接的CILBOND24單涂黏合劑。

經(jīng)過(guò)模具設(shè)計(jì)優(yōu)化后，外管圓度均值為0.12 mm，斷裂時(shí)最大壓力值平均為0.836 kN，較改進(jìn)前有了大幅度提升。

5 通過(guò)小料自動(dòng)配料及膠料選型優(yōu)化膠料硬度

因駕駛前懸襯套結(jié)構(gòu)上為非全充滿(mǎn)橡膠，在受到徑向作用力時(shí)，極易產(chǎn)生各向異性。橡膠的剛度（硬度）影響裝配時(shí)膠體對(duì)外管各方向上作用力的大小[4]。配料質(zhì)量穩(wěn)定性影響混煉膠的均勻性及硬度，通過(guò)配料的自動(dòng)化提升硬度穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)駕駛室前懸襯套的剛度、彈性（損失角）分析，來(lái)確定膠料的硬度要求。

5.1 實(shí)現(xiàn)配料自動(dòng)化

煉膠的配料工序是關(guān)鍵工序，配料準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性對(duì)膠料質(zhì)量起關(guān)鍵作用，原有人工配料方式，存在配料精度、準(zhǔn)確性、防錯(cuò)性差等問(wèn)題，在通過(guò)調(diào)研，成功引進(jìn)自動(dòng)配料系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)一整套自動(dòng)配料工藝，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)配料，提高配料精度、準(zhǔn)確性及防錯(cuò)性，有效地提升了混煉膠穩(wěn)定性，同時(shí)提升了橡膠各項(xiàng)性能指標(biāo)的穩(wěn)定性。

5.2 膠料選型

由于裝配時(shí)駕駛前懸襯套壓縮量已由襯套外徑及駕駛室翻轉(zhuǎn)軸軸套內(nèi)徑固定尺寸確定，膠料硬度影響裝配時(shí)塑料外管的受力大小及橡膠體變形速度。調(diào)整膠料配方，選用多種膠料同時(shí)生產(chǎn)，結(jié)合對(duì)產(chǎn)品軸向及徑向剛度（圖5）檢測(cè)結(jié)果及裝配試驗(yàn)，確定使用的邵氏硬度為55～57的膠料。

圖5 襯套徑向剛度曲線

6 增加塑煉次數(shù)提高天然膠可塑度

塑煉能降低膠料的黏度，使配合劑易于混入，增加注壓膠料的流動(dòng)性；塑煉能改變橡膠的流變性能，減小口型膨脹及收縮率[5]。生膠塑煉方法有：使用開(kāi)放式煉膠機(jī)進(jìn)行低溫機(jī)械塑煉，用密煉機(jī)進(jìn)行高溫機(jī)械塑煉和運(yùn)用添加速解劑的塑煉方法等?？傊鹉z的塑煉是在熱、機(jī)械應(yīng)力、氧和化學(xué)藥劑等許多因素作用下，使橡膠的的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，達(dá)到塑化的目的。但是，橡膠的可塑性不宜太大，如果太大則會(huì)使橡膠制品的機(jī)械強(qiáng)度降低，永久變形增大，耐老化性、耐磨性和彈性降低，因此要防止生膠塑煉過(guò)度，要在滿(mǎn)足工藝性能要求下，具有最適當(dāng)?shù)目伤芏?，膠料可塑性越好，收縮率越小，可采用分段塑煉的方法，同時(shí)，在不破壞設(shè)備的情況下，應(yīng)盡量使溫度低些，生膠硬些，也就是盡量減輕黏性流動(dòng)現(xiàn)象，使塑煉效果加快，這也是生膠分段塑煉的道理[6]，通過(guò)有效增加可塑度，提升膠料在硫化注射時(shí)的流動(dòng)性和充模均勻性，使膠坯形狀和尺寸穩(wěn)定。天然膠塑煉由一段更改為三段，可塑度（威氏）即由0.25提升至0.50。最終確定使用塑煉三段的天然膠以提升天然膠可塑度。

7 優(yōu)化結(jié)果的驗(yàn)證

根據(jù)最終確定了塑料外管強(qiáng)度、橡膠硬度、天然膠可塑度三個(gè)參數(shù)的最佳工藝完成批量試制，裝配現(xiàn)場(chǎng)已進(jìn)行了7 000件批量裝配驗(yàn)證，零故障，改進(jìn)效果顯著。

8 結(jié)論

通過(guò)改進(jìn)外管注塑模具澆口及流道設(shè)計(jì)，改變了玻纖在注塑過(guò)程中的流向，提高了其強(qiáng)度和圓度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究了塑料外管強(qiáng)度、橡膠硬度、天然膠可塑度對(duì)總成裝配的交互影響，確定了最佳工藝，并同步對(duì)注塑、涂膠、煉膠等各工序工藝設(shè)計(jì)做了優(yōu)化，各改進(jìn)點(diǎn)均利于提高總成可靠性，并有效解決了主機(jī)廠裝配開(kāi)裂的問(wèn)題，提高了客戶(hù)滿(mǎn)意度。