某型雷達(dá)高壓帽模壓硫化成型法制作探討

劉永勝 劉情情 折雷 王瑋

摘要：制作某型雷達(dá)高壓帽時(shí)，針對(duì)試制品出現(xiàn)分型面不同程度的撕裂情況，經(jīng)請(qǐng)教相關(guān)專家和綜合分析，得出該橡膠制品出現(xiàn)撕裂與模具結(jié)構(gòu)以及硫化制作工藝有關(guān)。在對(duì)模具結(jié)構(gòu)和硫化工藝進(jìn)行分析改進(jìn)后制出合格產(chǎn)品，經(jīng)國(guó)家橡膠密封制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心性能檢驗(yàn)，性能均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，裝備使用兩年來安全可靠。此次制作成功為今后更好地開展橡膠件制作積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：高壓帽；模壓硫化成型法；制作；探討

Keywords：high pressure cap；moulding vulcanization method；making；discussion

0 引言

隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，某型雷達(dá)顯示器中對(duì)高壓端子進(jìn)行防護(hù)的高壓帽老化現(xiàn)象嚴(yán)重，均有不同程度的燒蝕、破損，如果繼續(xù)使用，會(huì)出現(xiàn)高壓漏電、打火等危險(xiǎn)情況，危及裝備和操作人員的安全。為保證裝備的正常使用，需要及時(shí)更換破損的高壓帽。但原裝高壓絕緣帽是非標(biāo)準(zhǔn)件，備件已用完，從國(guó)外購(gòu)買周期長(zhǎng)且價(jià)格昂貴，又由于種類多、數(shù)量少，外協(xié)加工困難。為滿足裝備的修理急需，必須對(duì)其進(jìn)行研制。

為保障裝備及人員的安全，研制的高壓帽應(yīng)滿足以下技術(shù)指標(biāo)要求[1]：

1）結(jié)構(gòu)與原裝一致；

2）拉伸強(qiáng)度不小于4.5MPa；

3）175℃×24h狀況下，恒定形變壓縮永久變形不大于50%；

4）擊穿電壓強(qiáng)度不小于21kV/mm；

5）阻燃性（垂直燃燒）達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)FV-0。

1 初始試制

1.1 材料準(zhǔn)備

結(jié)合高壓帽使用環(huán)境，分析其工作狀況后，決定膠料選用凱迪西北橡膠廠的6144硅橡膠，添加XC990次磷酸鋁為阻燃劑，按質(zhì)量比4︰1的比例形成6144（混）硅橡膠?；?144（混）硅橡膠原料配方及自身特性等原因，使用開煉機(jī)對(duì)其進(jìn)行混煉時(shí)容易出現(xiàn)粘輥現(xiàn)象，無法用打三角包的方法進(jìn)行混煉，因此在硫化加工之前對(duì)6144（混）硅橡膠進(jìn)行兩次復(fù)煉，目的是使阻燃劑次磷酸鋁在6144硅橡膠中均勻分布。

1.2 模具設(shè)計(jì)

采用模壓硫化成型法制作橡膠密封件，將精煉好的膠料裝填于模具型腔之中，使用平板硫化機(jī)加壓、加熱，在一定的硫化時(shí)間內(nèi)，膠料在模具型腔中硫化成型，將產(chǎn)品從模具中取出，冷卻、去除飛邊，得到橡膠件制品。

在確定了使用6144（混）硅橡膠原材料后，根據(jù)高壓帽外形及尺寸和所用6144（混）硅橡膠的硬度、收縮率等特性，設(shè)計(jì)了高壓帽型腔結(jié)構(gòu)。因高壓帽結(jié)構(gòu)不規(guī)則，為方便模具的加工制作，模具設(shè)計(jì)采取模芯分離分別定位的方式，將模具分為上模、中模、下模和模芯四個(gè)部分。在保證高壓帽尺寸的情況下，上下模各有一個(gè)排氣孔，中模、下模各設(shè)計(jì)一個(gè)直徑為2mm的溢膠槽，溢膠槽與型腔的距離為2mm，模具有啟模口、定位孔等。設(shè)計(jì)的模具如圖1所示。

1.3 硫化工藝

高壓帽壁厚為2mm，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因6144（混）硅橡膠中的主要膠料為6144硅橡膠，根據(jù)橡膠廠提供的6144硅橡膠硫化曲線、硫化參數(shù)以及技術(shù)人員以往的工作經(jīng)驗(yàn)，溫度初設(shè)為151℃，硫化20min后，試制品出現(xiàn)熱撕裂現(xiàn)象。根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)工藝進(jìn)行微調(diào)，調(diào)整溫度為145℃，硫化20min后，試制品撕裂現(xiàn)象減輕。

1.4 試制結(jié)果

從材料來看，為滿足高壓帽工作的使用要求，在6144硅橡膠中添加次磷酸鋁阻燃劑，導(dǎo)致6144（混）硅橡膠加工性能比6144硅橡膠稍差；從結(jié)構(gòu)來看，高壓帽模具由4個(gè)部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。試制過程中，試制品多處發(fā)生撕裂，雖然經(jīng)過多次的溫度調(diào)整，試制品撕裂狀況有所減輕，但在產(chǎn)品的多個(gè)分型面處仍有不同程度的撕裂情況（見圖2）。因此，需要綜合分析試制品的撕裂原因。

2 原因分析

橡膠的硫化過程是在一定溫度和壓力下橡膠大分子鏈發(fā)生化學(xué)變化形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)的過程，壓力、溫度、時(shí)間是硫化工藝的三要素，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有決定性影響。橡膠產(chǎn)品撕裂是由于材料中的裂紋或裂口受力時(shí)迅速擴(kuò)張開裂而導(dǎo)致破壞的現(xiàn)象，一般沿著分子鏈數(shù)目最少即阻力最小的途徑發(fā)展，因此裂口多是選擇內(nèi)部結(jié)構(gòu)較弱的線路進(jìn)行的，通過結(jié)構(gòu)中的某些弱點(diǎn)間隙形成不規(guī)則的撕裂路線，從而促進(jìn)了撕裂破壞。

從能影響產(chǎn)品質(zhì)量的模具設(shè)計(jì)、模具加工、原料分析和硫化工藝等綜合因素對(duì)高壓帽試制品撕裂進(jìn)行分析后得出，高壓帽試制品的撕裂與膠料、模具結(jié)構(gòu)以及硫化制作工藝有關(guān)。

從試制品撕裂斷面來看，存在阻燃劑次磷酸鋁分布不均勻狀況，削弱了 6144硅橡膠大分子間的作用力，造成撕裂現(xiàn)象，因此6144（混）硅橡膠還須在精煉階段增加復(fù)煉次數(shù)。

試制品在材料厚積部位出現(xiàn)撕裂，說明在硫化過程中有氣體未排出，發(fā)生憋氣現(xiàn)象，導(dǎo)致分型面處缺膠，產(chǎn)品未成型，因此模具結(jié)構(gòu)需要修改。

試制品出現(xiàn)熱撕裂現(xiàn)象，從硫化三要素分析，首先需要選擇合適的硫化溫度。從151℃時(shí)試制品的硫化曲線圖（見圖3和表1）看出，在151℃條件下硫化時(shí)，經(jīng)過685s后硫化過程到達(dá)平坦期，硫化時(shí)間設(shè)定為15min是可行的。從145℃時(shí)試制品的硫化曲線圖（見圖4和表1）可以看出，溫度在145℃時(shí)，30min時(shí)間內(nèi)并沒有出現(xiàn)硫化平坦期，這說明該溫度條件下加工的橡膠制品有可能出現(xiàn)硫化不完全現(xiàn)象。因此，確定硫化溫度為151℃。

從試制品剖面來看，斷面壓實(shí)緊致，未發(fā)現(xiàn)有疏松孔等壓制不實(shí)的情況，因此硫化壓力設(shè)定是合理的。

從硫化曲線可以看出，硫化時(shí)間的設(shè)定也是合理的。

因此，在制作過程中，應(yīng)重點(diǎn)從膠料裝填方式、裝填次數(shù)、膠料裝填質(zhì)量、卸模取件方式等方面完善硫化工藝。

3 改進(jìn)措施

3.1 材料準(zhǔn)備

為使阻燃劑次磷酸鋁在6144硅橡膠中分布均勻，在添加阻燃劑時(shí)，采取少量多次的方法，在復(fù)煉的過程中，隨著輥輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將次磷酸鋁緩慢均勻?yàn)⒃?144硅橡膠中。由于6144硅橡膠粘輥現(xiàn)象嚴(yán)重，采用以刀劃割的方式代替打三角包的方法進(jìn)行復(fù)煉，并控制開煉機(jī)的輥溫，前輥溫<55℃，后輥溫<45℃。通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定添加阻燃劑的頻率為5次。6144（混）硅橡膠混煉均勻后應(yīng)先靜置24h后再使用，使用前仍需再次復(fù)煉。結(jié)果表明，3次精煉后，能確保次磷酸鋁在6144硅橡膠中分布均勻。

3.2 模具結(jié)構(gòu)

高壓帽結(jié)構(gòu)復(fù)雜，6144（混）硅橡膠自身流動(dòng)性差，加工性能不好，試制品在材料厚積部位易出現(xiàn)撕裂。為提高6144（混）硅橡膠在型腔中的流動(dòng)性，在模芯部分增加一個(gè)直徑為2mm的排氣孔。將中模和下模溢膠槽的直徑由2mm增加到3mm，以增大溢膠槽面積。從試制品撕裂斷面來看，撕裂發(fā)生在分型面處，為保證產(chǎn)品能夠順利脫模，防止產(chǎn)品在脫模過程中受力不均勻而變形并從模具結(jié)構(gòu)上保證型腔表面光滑，將分型面處的直角均改為圓角過渡，下模的凹槽采用曲面圓弧，模具結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.3 硫化工藝

成熟的6144硅橡膠硫化模式是先將模具加熱后再裝膠料進(jìn)行硫化，可使膠料流動(dòng)得更充分，硫化效果更好。但添加阻燃劑次磷酸鋁后的6144（混）硅橡膠性能有所改變，硫化時(shí)易出現(xiàn)熱撕裂現(xiàn)象，為此采用正常溫度下的模具裝填后再硫化。結(jié)果表明，采用正常溫度的涼模具裝填硫化效果更好。膠料裝填次數(shù)多，排氣充分，不容易產(chǎn)生氣泡，但會(huì)增加制品過硫的風(fēng)險(xiǎn)，試驗(yàn)表明一次性填滿高壓帽模具所得產(chǎn)品效果更佳。一般情況下，裝膠質(zhì)量要多出制品質(zhì)量的10%～15%，但高壓帽的填料應(yīng)控制在10%之內(nèi)才能使產(chǎn)品質(zhì)量得到保障。試制結(jié)果表明，在151℃、工作壓力控制在10MPa、排氣3次以上時(shí)所得產(chǎn)品最佳。硫化制作完成后，模具取下放置3～5min后再啟模，啟模時(shí)應(yīng)緩慢操作以剝離產(chǎn)品與模芯。

3.4 制作結(jié)果

經(jīng)過對(duì)6144（混）硅橡膠的復(fù)煉和模具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及裝模方式等的調(diào)整，在多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定了合理的硫化工藝，生產(chǎn)出的產(chǎn)品如圖6所示，外觀合乎要求。

產(chǎn)品尺寸檢驗(yàn)合格后，委托國(guó)家橡膠密封制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行性能檢驗(yàn)。阻燃等級(jí)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 10707-2008檢驗(yàn)，達(dá)到最高等級(jí)FV-0級(jí)；擊穿電壓強(qiáng)度按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1695-2005檢驗(yàn)，達(dá)到24kV/mm，滿足不低于21kV/mm的安全使用技術(shù)指標(biāo)要求；其他各項(xiàng)物理性能均符合國(guó)軍標(biāo)GJB 227A-1996《一般用途硅橡膠膠料規(guī)范》的要求。裝備使用兩年來安全可靠，得到了用戶的認(rèn)可。

4 結(jié)束語

采用模壓硫化成型法制作橡膠密封件，模具設(shè)計(jì)和硫化工藝是產(chǎn)品制作成功的兩個(gè)重要方面。對(duì)于模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分型面應(yīng)盡量避開銳角，盡可能采取光滑圓角過渡。對(duì)于橡膠硫化工藝的制定，應(yīng)依據(jù)膠料生產(chǎn)廠家提供的硫化曲線，還需考慮產(chǎn)品厚度、膠料性能以及采取的硫化溫度和壓力等因素對(duì)產(chǎn)品的影響，硫化工藝的最終確定需結(jié)合制品本身的特點(diǎn)、膠料種類及制品試制結(jié)果進(jìn)行綜合考慮。

參考文獻(xiàn)

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[3]王貴恒. 高分子材料成型加工原理[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，1991.

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[5]羅啟全. 模具制造[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

作者簡(jiǎn)介

劉永勝，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)械修理技術(shù)研究工作。

劉情情，工程師，主要從事橡膠技術(shù)研究工作。

折雷，工程師，主要從事裝備維修與保障技術(shù)研究。

王瑋，工程師，主要從事橡膠硫化工作。