一種空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸圓度減小的方法

曹廣如，易 星，張 仟，姜良廣，曾 懷，李 斌，林 勝

（1.株洲時代瑞唯減振裝備有限公司，湖南 株洲 412007；2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

軌道車輛轉(zhuǎn)向架對牽引裝置要求越來越高，橡膠牽引球鉸是牽引裝置的重要部件，用于傳遞車輛的牽引力和制動力，并提供柔性連接和吸收車輛懸掛產(chǎn)生的振動。橡膠牽引球鉸多要求具有非線性變剛度特性，為實現(xiàn)這一要求，橡膠牽引球鉸通常需要進行空實向設(shè)計，即在橡膠牽引球鉸的橡膠層上進行開孔設(shè)計，通常橡膠層開孔方向稱為空向，未開孔方向稱為實向[1-7]。

由于橡膠牽引球鉸的橡膠層不連續(xù)，各方向的應(yīng)力應(yīng)變水平不一致，導(dǎo)致空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸在硫化后的停放過程中容易出現(xiàn)橢圓現(xiàn)象，即橡膠牽引球鉸的圓度不合格，從而影響后續(xù)工序的加工，尤其在冬季氣溫低時這個問題更加嚴重[8-10]。具體而言，空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸在硫化后的停放過程中，橡膠層發(fā)生收縮，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)實向直徑變小、空向直徑變大的現(xiàn)象；對橡膠牽引球鉸金屬外套施加外力進行徑向預(yù)壓縮，橡膠層在實向受到壓縮，表現(xiàn)出一定的膨脹力，會使產(chǎn)品發(fā)生實向直徑變大、空向直徑小的現(xiàn)象[11-12]。

為解決以上問題，孟兆榮等[13-14]提出了熱擠壓、延長產(chǎn)品熱擠壓后停放時間以及二次硫化等方法，但這些方法較為繁瑣，耗時耗能，在實際生產(chǎn)過程中較難實施。

本工作針對空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸，設(shè)計出一種彈性多瓣橢圓孔縮徑工裝（簡稱橢圓孔縮徑工裝）及相應(yīng)預(yù)壓縮工藝，并對該預(yù)壓縮工藝下的橡膠牽引球鉸圓度、徑向剛度、粘合性能和耐疲勞性能進行檢測，以期為解決空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸圓度過大的問題提供一種新思路。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），3#煙膠片，馬來西亞產(chǎn)品；炭黑N330，中昊黑元化工研究設(shè)計院有限公司產(chǎn)品；膠粘劑底膠CH205和面膠CH6108，洛德化學(xué)（上海）有限公司產(chǎn)品；鐵件，株洲時代新材料科技股份有限公司自制。

1.2 試驗配方

NR 100，炭黑N330 60，氧化鋅 10，硬脂酸 2，防老劑 4，軟化劑 3，硫黃 2.5，促進劑2.2，其他 3。

1.3 主要設(shè)備和儀器

K4型密煉機，英國法雷爾公司產(chǎn)品；XK-450型開煉機，宜興陽昇機械有限公司產(chǎn)品；100 t平板硫化機，湖州宏僑橡膠機械有限公司產(chǎn)品；CSS-55100型電子萬能試驗機，長春機械科學(xué)研究院有限公司產(chǎn)品；十二通道疲勞試驗機，北京富力通達科技有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

先將已表面處理的鐵件裝入已預(yù)熱的模具中并合攏模具，再將膠料注入模具，然后進行硫化成型，硫化條件為155 ℃×40 min。

1.5 分析測試

（1）圓度測試。使用外徑千分尺分別測量空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸空向和實向直徑，以兩者差值絕對值除以2的值表征橡膠牽引球鉸圓度。其值越大，表明橡膠牽引球鉸圓度越大，空實向直徑差異越大。

（2）徑向剛度測試。沿空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸空向徑向施加載荷（最大至40 kN），計算載荷為1～35 kN間橡膠牽引球鉸的剛度。

（3）徑向破壞測試。將空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸外套對稱切割出2個缺口，將外套分為兩部分，用工裝插入缺口支撐住其中一部分，對芯軸施加向下的壓力，直至橡膠牽引球鉸破壞分離，如圖1所示。

圖1 空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸徑向破壞試驗示意Fig.1 Radial failure test diagram of hollow solid structure rubber traction bush

（4）其他性能。其他各項性能均按相應(yīng)國家標準進行測試。

2 預(yù)壓縮工裝設(shè)計

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸結(jié)構(gòu)如圖2所示。橡膠牽引球鉸的外套為整體式圓筒，外套直徑在橡膠牽引球鉸硫化后為104 mm，在預(yù)壓縮后為101 mm，在精加工后為98.5 mm。

圖2 空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of hollow solid structure rubber traction bush

2.2 傳統(tǒng)預(yù)壓縮工藝

橡膠牽引球鉸的一種傳統(tǒng)預(yù)壓縮工藝是軸向圓孔擠壓工藝，即通過施加軸向力使硫化后的橡膠牽引球鉸通過比其外徑小的圓孔工裝，實現(xiàn)橡膠牽引球鉸徑向預(yù)壓縮[15-16]。該預(yù)壓縮工藝的工裝加工制作相對簡單快捷、成本低廉，被普遍應(yīng)用。但采用該預(yù)壓縮工藝的空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸圓度明顯過大，甚至超過0.5 mm。

橡膠牽引球鉸的另一種傳統(tǒng)預(yù)壓縮工藝是彈性多瓣圓孔徑向壓縮工藝，即將橡膠牽引球鉸放在閉合后內(nèi)孔為圓孔的彈性多瓣縮徑工裝內(nèi)，通過施加徑向力直至多瓣模完全閉合，實現(xiàn)橡膠牽引球鉸徑向預(yù)壓縮[17]。徑向預(yù)壓縮完成后卸去加載力，瓣模彈開，取出橡膠牽引球鉸。該預(yù)壓縮工藝的工裝制作要求較高，但應(yīng)用時效率高，操作簡便，近年來其被逐步推廣。但采用該預(yù)壓縮工藝的空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸圓度仍然過大，圓度仍達0.5 mm以上。

2.3 新型橢圓孔縮徑工裝

結(jié)合空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸的特點以及2種傳統(tǒng)縮徑工裝內(nèi)孔為圓孔的不足，創(chuàng)新性地設(shè)計出內(nèi)孔為橢圓孔的橢圓孔縮徑工裝，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 新型橢圓孔縮徑工裝結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure diagram of new elliptical hole reducing diameter tooling

從圖3可以看出，新型橢圓孔縮徑工裝由底座、托板、中模、錐面彈性夾頭瓣模和上模板組成。底座設(shè)有一個定位孔，其形狀隨橡膠牽引球鉸芯軸形狀變化而變化，以便實現(xiàn)對橡膠牽引球鉸空實向的定位。托板主要作用為開模后托起錐面彈性夾頭瓣模，不讓其墜落。中模內(nèi)錐孔壁的錐面凸臺與錐面彈性夾頭瓣模外表面錐面凹槽配合，為錐面彈性夾頭瓣模提供周向定位。錐面彈性夾頭瓣模閉合后內(nèi)孔為橢圓，其長軸對應(yīng)橡膠牽引球鉸的實向，其短軸對應(yīng)橡膠牽引球鉸的空向。

新型橢圓孔縮徑工裝的工作原理為：首先將橢圓孔縮徑工裝的底座、上模板分別與壓力機臺的下板、上板連接固定；利用機臺驅(qū)動打開工裝，將空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸定位于底座，機臺合攏并加壓鎖緊縮徑工裝，對橡膠牽引球鉸進行縮徑；利用機臺驅(qū)動打開工裝，取出橡膠牽引球鉸，其縮徑完成。橢圓孔縮徑工裝的工作步驟如圖4所示。

圖4 新型橢圓孔縮徑工裝的工作步驟示意Fig.4 Working step diagram of new elliptical hole reducing diameter tooling

3 結(jié)果與討論

3.1 圓度

從圖5和6可以看出，傳統(tǒng)軸向圓孔擠壓工藝橡膠牽引球鉸圓度的平均值為0.732 4，新型橢圓孔縮徑工藝橡膠牽引球鉸圓度的平均值為0.130 4，與傳統(tǒng)軸向圓孔擠壓工藝橡膠牽引球鉸相比，新型橢圓孔縮徑工藝橡膠牽引球鉸圓度的平均值減小了82%，表明橢圓孔縮徑工藝明顯減小了空實向橡膠牽引球鉸圓度。另外，新型橢圓孔縮徑工藝橡膠牽引球鉸圓度的極差平均值及控制上限都遠小于傳統(tǒng)軸向圓孔擠壓工藝橡膠牽引球鉸。這些表明橢圓孔縮徑工藝橡膠牽引球鉸圓度的穩(wěn)定性更佳，該工藝可用于批量生產(chǎn)[21-24]。

圖5 傳統(tǒng)軸向圓孔擠壓工藝空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸圓度的單值和移動極差曲線Fig.5 Individual value and moving range curves of roundnesses of hollow solid structure rubber traction bushes by traditional axial circular hole extrusion process

圖6 新型橢圓孔縮徑工藝實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸圓度的單值和移動極差曲線Fig.6 Individual value and moving range curves of roundnesses of hollow solid structure rubber traction bushes by new elliptical hole reducing diameter process

3.2 徑向剛度

任意選取2種預(yù)壓縮工藝空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸各5件，外圓精加工至成品尺寸，室溫下停放24 h后進行徑向剛度試驗，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同預(yù)壓縮工藝空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸徑向剛度Fig.7 Radial stiffnesses of hollow solid structure rubber traction bushes with different pre-compression processes

從圖7可以看出，2種工藝橡膠牽引球鉸剛度相差不大，波動值在合理范圍之內(nèi)，不影響其使用性能。新型橢圓孔縮徑工藝橡膠牽引球鉸剛度略大，這與其圓度稍小有關(guān)，圓度越小，橡膠層預(yù)壓縮量相對越大，橡膠牽引球鉸徑向剛度越大。

3.3 粘合性能

任意選取2種預(yù)壓縮工藝空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸各1件，進行徑向破壞試驗，破壞實物如圖8所示，粘合性能測試結(jié)果如表1所示。

圖8 徑向破壞的空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸Fig.8 Hollow solid structure rubber traction bush with radical damage

表1 不同預(yù)壓縮工藝空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸的粘合性能測試結(jié)果Tab.1 Adhesive property test results of hollow solid structure rubber traction bushes with different pre-compression processes

從圖8和表1可看出，傳統(tǒng)軸向圓孔擠壓工藝和新型橢圓孔縮徑工藝橡膠牽引球鉸的橡膠-金屬粘合力和附膠率都很大且相近，說明新型橢圓孔縮徑工藝不會對橡膠牽引球鉸橡膠-金屬粘合性能產(chǎn)生不利影響。

3.4 耐疲勞性能

抽取徑向剛度相近的2種預(yù)壓縮工藝空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸各1件，進行徑向耐疲勞試驗，結(jié)果如表2所示。

表2 不同預(yù)壓縮工藝空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸的耐疲勞性能Tab.2 Fatigue resistance of hollow solid structure rubber traction bushes with different pre-compression processes

由表2可看出，傳統(tǒng)軸向圓孔擠壓工藝和新型橢圓孔縮徑工藝橡膠牽引球鉸耐疲勞性能相當(dāng)，這表明新型橢圓孔縮徑工藝不會對橡膠牽引球鉸耐疲勞性能產(chǎn)生不利影響。這是由于橡膠牽引球鉸耐疲勞性能主要與其結(jié)構(gòu)、膠料配方、硫化程度和預(yù)壓縮量有關(guān)，而2種預(yù)壓縮工藝并未明顯改變以上影響因素，因此2種工藝橡膠牽引球鉸耐疲勞性能相近。

4 結(jié)論

（1）針對空實向結(jié)構(gòu)橡膠牽引球鉸預(yù)壓縮設(shè)計了新型橢圓孔縮徑工裝。與傳統(tǒng)軸向圓孔擠壓工藝橡膠牽引球鉸圓度相比，新型橢圓孔縮徑工藝橡膠牽引球鉸圓度減小82%。

（2）新型橢圓孔縮徑工藝橡膠牽引球鉸徑向剛度略微增大，粘合性能和耐疲勞性能未產(chǎn)生明顯變化。因此，采用新型橢圓孔縮徑工藝可解決橡膠牽引球鉸圓度過大的問題，并不影響橡膠牽引球鉸的使用性能。