大型沙漏式橡膠彈簧壓鑄成型工藝及模具設(shè)計(jì)

0 引 言

沙漏式輔助橡膠彈簧具有較低的橫向剛度，且橫向變位能力大，被廣泛應(yīng)用在軌道車輛二系懸掛減振空氣彈簧中作為輔助橡膠彈簧使用

。圖1所示為沙漏式輔助橡膠彈簧，由頂板、橡膠和芯軸組成，其中頂板、橡膠和芯軸通過(guò)熱硫化粘接在一起，橡膠型面輪廓為沙漏式結(jié)構(gòu)，制品在垂向加載過(guò)程中其垂向剛度具有典型的非線性特點(diǎn)。在成型工藝性方面，制品尺寸大且用膠量較多，屬于大型厚壁橡膠制品，成型工藝制定難度大，沒(méi)有可供參考的成型工藝方面的資料和經(jīng)驗(yàn)。

1 制品成型工藝分析

制品體積大，最大直徑為

450 mm，單件用膠量超過(guò)20 kg，是金屬（芯軸+頂板）與橡膠粘接的復(fù)合制品，屬于大型厚壁制品范疇，不適宜采取高溫硫化，高溫硫化會(huì)使制品外觀容易出現(xiàn)“熔痕、炸邊、裂口”等缺陷。制品用料量多，如果采用注射工藝，需要大注射量的注塑機(jī)硫化設(shè)備，設(shè)備投資大，且注塑機(jī)經(jīng)過(guò)噴嘴向型腔注膠時(shí)間較長(zhǎng)，早期注入型腔的膠料容易燒焦導(dǎo)致制品外觀缺陷。如果采用模壓工藝，裝模操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且硫化后制品外觀容易出“氣泡、熔痕、裂口”等外觀缺陷，硫化時(shí)間也較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，模壓工藝方案不可行。綜合考慮后采用壓鑄工藝，將加料室設(shè)計(jì)在模具上，根據(jù)用膠量合理設(shè)計(jì)加料室容積，可實(shí)現(xiàn)一次壓鑄完成，硫化設(shè)備只需要采用普通平板硫化機(jī)即可。

制品硫化工藝參數(shù)為：膠料預(yù)熱70℃×90 min；硫化壓力20 MPa；硫化溫度145～150℃；硫化時(shí)間120 min；采用6 000 kN平板硫化機(jī)。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 流道設(shè)計(jì)

綜合制品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和用膠質(zhì)量，澆口位置只能設(shè)置在待成型制品內(nèi)側(cè)圓弧面上，因空間有限，澆口采用內(nèi)外兩圈形式，共30個(gè)澆口，實(shí)現(xiàn)快速注射填充，避免因澆注時(shí)間太長(zhǎng)而燒焦膠料。流道結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

湖州一個(gè)富家兒媳，丈夫死后想改嫁，而公公不允許，迫她守寡。她便向“疙瘩老娘”求援，“疙瘩老娘”開價(jià)是一字百兩銀子，向她要了一千六百兩銀子，寫了張十六字的狀子。

為了能直觀地分析注膠過(guò)程中膠料的流動(dòng)狀態(tài)，判斷填充過(guò)程是否合理，提前預(yù)測(cè)注膠過(guò)程中可能出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，對(duì)初定的模具方案進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。模流分析結(jié)果如圖3所示，從圖3可以看出，按照設(shè)定的流道方案，在制品底端和芯軸頂端位置為料流末端填充區(qū)域，該位置會(huì)存在短射和困氣風(fēng)險(xiǎn)

，需考慮排氣設(shè)計(jì)。

2.2 壓鑄塞及加料室設(shè)計(jì)

模具加料室設(shè)計(jì)如圖4所示，設(shè)計(jì)了4個(gè)導(dǎo)柱，在合模注膠過(guò)程中起到保護(hù)壓鑄塞的作用。加料室的容積按照每型腔用膠量體積的1.3～1.5倍設(shè)計(jì)，可以保證合模初期膠料完全被壓縮在加料室內(nèi)。

2.3 分型面設(shè)計(jì)

（3）壓鑄塞與加料室內(nèi)壁之間應(yīng)設(shè)計(jì)合理的配合間隙，配合間隙太大，膠料容易從加料室溢出，損失膠料且無(wú)法保證型腔內(nèi)壓力，配合間隙太小又容易出現(xiàn)開模時(shí)壓鑄塞和加料室內(nèi)壁卡緊甚至接觸面起毛刺造成模具無(wú)法打開的問(wèn)題。基于此，在壓鑄塞底端密封部分采用了焊接黃銅然后再加工方式，將以往壓鑄塞與加料室配合的“鋼-鋼”接觸改為“銅-鋼”接觸形式，由于銅硬度相對(duì)軟且具有較好的耐磨性能，可以保證壓鑄塞相對(duì)加料室運(yùn)動(dòng)時(shí)減輕磨損，避免了接觸面起毛刺導(dǎo)致模具卡緊無(wú)法打開的問(wèn)題

。

2.4 排氣設(shè)計(jì)

基于模具結(jié)構(gòu)考慮，芯軸底端外側(cè)區(qū)域哈夫塊2結(jié)構(gòu)形式可以改善排氣，如圖7（a）所示。芯軸頂端位置可以通過(guò)設(shè)計(jì)密集的排氣盲孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)排氣，如圖7（b）所示。另外，在型腔內(nèi)輪廓面上開設(shè)有經(jīng)向和緯向排氣，也能起到改善排氣作用，如圖7（c）所示。

青年時(shí)代是個(gè)特殊的時(shí)代，是培養(yǎng)和發(fā)揮創(chuàng)造力的時(shí)代。青年應(yīng)該有一種自我意識(shí)，處在成長(zhǎng)時(shí)期不僅是接受老師傳授的知識(shí)和教育，也是在自我教育中成長(zhǎng)。人的自我成長(zhǎng)就是一種自我創(chuàng)造。每個(gè)人成為什么樣的人，原因不完全在別人，而主要由自己造成，是自我的創(chuàng)造過(guò)程。社會(huì)、學(xué)校、家庭都是環(huán)境與條件，真正實(shí)現(xiàn)人的自我創(chuàng)造的主體就是你自己。真正能夠?qū)崿F(xiàn)自我成長(zhǎng)即創(chuàng)造過(guò)程的只有自己，家長(zhǎng)和老師都不能代替自己的創(chuàng)造或成長(zhǎng)。

解 因?yàn)閠r A=0, tr2A=-3, det A=-2,由定理3，yn=An滿足矩陣值三階差分方程

2.5 模具設(shè)計(jì)

首先將哈夫塊14卡緊芯軸骨架放入定位芯13內(nèi)，然后將頂板骨架裝入哈夫塊9內(nèi)，將上模板4移入中模板8上，合上兩側(cè)掛鉤6，將預(yù)烘好的膠坯疊壓好放入上模板4的加料室內(nèi)。然后緩慢合模，壓鑄塞將膠料通過(guò)上芯模3的流道注入模具型腔，待膠料完全注入模具型腔后，經(jīng)保壓和排氣后進(jìn)入自動(dòng)硫化階段。然后，經(jīng)一定的溫度、壓力和時(shí)間后完成制品的整個(gè)硫化過(guò)程。

3 模具工作過(guò)程

3.1 開模工作過(guò)程

（1）由于壓鑄塞與加料室配合間隙小，開模時(shí)需保證拉力均勻平衡，兩側(cè)限位座、掛鉤和拉桿加工組裝后應(yīng)保證對(duì)稱，嚴(yán)禁出現(xiàn)兩側(cè)高低不平現(xiàn)象。

3.2 裝模工作過(guò)程

壓鑄模結(jié)構(gòu)如圖8所示，主要由壓鑄塞、上模部分、中模部分和下模部分組成。壓鑄塞2用螺釘固定在定模座板1上，定模座板1和上模板4之間通過(guò)導(dǎo)柱實(shí)現(xiàn)合模導(dǎo)向。上芯模3鑲拼在上模板4上，膠料通過(guò)上芯模的流道注入模腔。中模部分主要包括中模板Ⅰ、哈夫塊Ⅰ、中模板Ⅱ、下芯模和哈夫塊Ⅱ，中模板Ⅰ和中模板Ⅱ通過(guò)螺釘緊固在一起。為實(shí)現(xiàn)上模固定板和上模板之間即壓鑄塞與加料室之間的開模，在上模板上設(shè)計(jì)限位座7，限位座用螺釘固定在上模板上。限位座7上設(shè)計(jì)掛鉤6，當(dāng)掛鉤6呈合上狀態(tài)時(shí)，可將拉桿與上模板鎖住，實(shí)現(xiàn)Ⅰ-Ⅰ開模。拉桿固定在動(dòng)模座板15上，左右對(duì)稱布置，當(dāng)掛鉤6呈解開狀態(tài)時(shí)，可以用航吊將上模板4吊離，實(shí)現(xiàn)Ⅱ-Ⅱ開模。中模板Ⅱ上固定有托架，借助脫模機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)中模與動(dòng)模座板之間的開模。

4 模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

硫化結(jié)束后，下模部分往下運(yùn)動(dòng)，完成Ⅰ-Ⅰ分型。在完成Ⅰ-Ⅰ分型的瞬間，上模板4加料室內(nèi)預(yù)留的橡膠進(jìn)入閥桿16底端內(nèi)六方槽內(nèi)，拉動(dòng)閥桿16，閥桿16在橡膠的拉力下壓縮彈簧17，氣體會(huì)沿閥桿邊緣間隙充滿加料室，使加料室與外界氣壓相同，加料室內(nèi)負(fù)壓狀態(tài)消除，此時(shí)只需克服壓鑄塞與加料室內(nèi)壁接觸摩擦阻力，即可順利完成Ⅰ-Ⅰ分型。然后將加料室內(nèi)殘留的橡膠及流道凝料拽出，將兩側(cè)掛鉤6打開，用航吊將上模板4移開，完成Ⅱ-Ⅱ分型。此時(shí)制品仍留在中模部分，設(shè)備脫模機(jī)構(gòu)帶動(dòng)模具兩側(cè)托架10升起，完成Ⅲ-Ⅲ分型，清理底板15槽內(nèi)余膠，將尼龍工裝套在下芯模12上，設(shè)備脫模機(jī)構(gòu)帶動(dòng)兩側(cè)托架10下降，將制品連同哈夫塊9、14頂出，然后在哈夫塊9上安裝4個(gè)吊環(huán)，用航吊將哈夫塊9連同制品轉(zhuǎn)移至地面，在地面上完成哈夫塊9、14與制品的分解，順利取出制品。托架10上升，將尼龍頂出工裝取出，托架10下降至動(dòng)模座板15上，然后將哈夫塊9放入中模板8。開始進(jìn)入下一模生產(chǎn)操作。模具開模過(guò)程如圖9所示。

（2）分型面設(shè)計(jì)從中間分型，制品上、下內(nèi)凹部位分別采用哈夫塊形式，方便制品出模。

企業(yè)對(duì)客戶信用信息進(jìn)行查詢后，可以初步評(píng)估客戶的信用等級(jí)，預(yù)估客戶的還款能力，借以對(duì)不同客戶采取合適的應(yīng)收賬款制度。

由于制品整個(gè)外側(cè)輪廓上下有內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)硫化后直接從模具內(nèi)頂出，需要設(shè)計(jì)哈夫塊結(jié)構(gòu)，如果采用整體兩瓣式哈夫塊結(jié)構(gòu)，哈夫塊質(zhì)量大，操作過(guò)程繁瑣。經(jīng)分析，將分型面一處設(shè)計(jì)在中間直徑最大位置處，一處設(shè)計(jì)在底端骨架外側(cè)區(qū)域，如圖5所示，設(shè)計(jì)2層哈夫塊形式，中間分型面以上設(shè)計(jì)1層哈夫塊，底部凹槽部位再單獨(dú)設(shè)計(jì)1層哈夫塊。開模時(shí)，通過(guò)吊裝哈夫塊Ⅰ，哈夫塊Ⅰ會(huì)連同制品和哈夫塊Ⅱ一起被吊出，分解哈夫塊Ⅰ和哈夫塊Ⅱ，即可將制品取出。由于是大型厚壁制品，受硫化膨脹原因，中間分型面處容易出現(xiàn)炸邊、裂口缺陷，為此在哈夫塊的分型面位置設(shè)計(jì)了工藝槽，以便將分型面位置外移，避免了在分型面位置處出現(xiàn)裂口缺陷，工藝槽設(shè)計(jì)如圖6所示。

（4）制品中間分型面位置容易出現(xiàn)橡膠“炸邊、裂口”問(wèn)題，通過(guò)在哈夫塊底端部位開設(shè)工藝槽可有效規(guī)避裂口問(wèn)題，哈夫塊9底面與下芯模12上表面間配合需要確保無(wú)縫隙，避免膠料受熱膨脹引起分型面處炸邊問(wèn)題。

5 模具零件選材與熱處理

（1）上芯模、下芯模和哈夫塊材料均選用預(yù)硬型模具鋼NAK80，預(yù)硬處理硬度為37～43 HRC，滿足模具高強(qiáng)度、高硬度及拋光性優(yōu)良特點(diǎn)

。型腔表面區(qū)域拋光至

0.08～0.1 μm，其他部件拋光

0.16～0.32 μm。

模具零件的選材與熱處理會(huì)影響模具的加工工藝性和使用壽命

，以下是主要零部件的選材與熱處理。

（2）所有模板和壓鑄塞均采用45鋼，調(diào)質(zhì)后硬度達(dá)到28～33 HRC。

在棘球強(qiáng)大力量的撞擊下，紅光劇烈地顫動(dòng)了一下，天葬刀的刀面發(fā)出一聲嗡鳴，似是承受了極大的痛苦，隨后，刀身竟穩(wěn)定了下來(lái)。碩大的棘球，在天葬刀的前方疾速旋轉(zhuǎn)，竟不能前進(jìn)分毫。

（3）導(dǎo)柱和導(dǎo)套材質(zhì)選用T8和T10，并淬火到硬度50～55 HRC（研配）。

（4）拉桿在設(shè)計(jì)上需要具有足夠的強(qiáng)度，保證開模時(shí)不會(huì)拉變形或斷裂。

試驗(yàn)所用煤樣取自河南安陽(yáng)主焦礦。在實(shí)驗(yàn)室中，利用巖心取鉆機(jī)和巖心切磨機(jī)將原煤加工成若干?50 mm×50 mm的圓柱體煤樣，制備好的煤樣如圖3所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

該大型壓鑄模通過(guò)在壓鑄塞上焊接黃銅的設(shè)計(jì)方法，消除了以往壓鑄塞和加料室之間的接觸面“起刺啃模”導(dǎo)致難開模問(wèn)題，延長(zhǎng)了模具使用壽命，降低了模具維修成本，同時(shí)有利于型腔內(nèi)硫化壓力穩(wěn)定，保證了制品熱硫化粘接質(zhì)量和工藝穩(wěn)定。制品硫化后外觀上無(wú)“開膠、氣泡、裂口”等外觀問(wèn)題，外觀合格率100%，性能及工藝穩(wěn)定。該模具設(shè)計(jì)方法已推廣應(yīng)用于既有壓鑄模的設(shè)計(jì)中，解決了大型沙漏式橡膠彈簧壓鑄模的技術(shù)問(wèn)題，提升了產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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