一系彈簧橡膠與金屬粘接失效的仿真分析

溫泰斗，王 昆，黃友劍，彭院中，李繼平

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

橡膠是一種高彈性、大形變的高分子材料，通過將機械零件振動時所產生的機械能部分吸收并轉變?yōu)闊崮?，橡膠-金屬復合制品可以實現(xiàn)良好的減振效果，其廣泛應用于軌道車輛、工程機械、船舶、航空等領域[1-2]。而橡膠-金屬復合制品中橡膠與金屬粘接質量直接影響車輛等機械系統(tǒng)的運行安全，因此提高橡膠與金屬粘接質量是橡膠-金屬復合制品生產中的技術控制點[3-5]。

城市輕軌車輛多將橡膠彈簧用于一系懸掛系統(tǒng)，一系橡膠彈簧（一系彈簧）一般由芯軸、外套、一層或多層隔套與橡膠復合而成。作為一系懸掛系統(tǒng)的關鍵部件，一系彈簧可以在垂直方向提供支撐并衰減振動，在牽引方向傳遞輪對導向力，具有體積小、質量輕、安裝簡單和免維護的優(yōu)點[6-11]。

本工作以我公司某型一系彈簧產品為例，對其在制造過程中出現(xiàn)的粘接失效問題進行原因分析，并提出相應的解決措施。

1 研究對象

本研究一系彈簧應用于法國巴黎區(qū)域列車轉向架，每個轉向架安裝4個一系彈簧（見圖1），軸箱內側為一系彈簧，外側為鋼彈簧。在使用過程中，一系彈簧提供垂向剛度，與鋼彈簧共同承擔垂向載荷，同時提供縱向牽引力，并起限位和配合起吊的作用。

與常規(guī)一系彈簧多采用易于成型的整圓結構不同，本研究一系彈簧結構（見圖2）復雜，由芯軸1、芯軸2、橡膠、外套和定位銷組成，其中硫化體由芯軸2、橡膠和外套構成，為滿足不同的橫縱向剛度，外套有2個對稱的U形槽，其結構如圖3所示。考慮防腐要求，外套端部設計有厚度為0.5 mm的包膠。

2 橡膠與金屬粘接原理及粘接失效類型

2.1 粘接原理

本研究一系彈簧金屬件（外套）前處理使用的膠粘劑為雙涂型，雙涂型膠粘劑的粘接原理如圖4所示[12-13]。其中底涂膠粘劑（底膠）通過浸潤金屬表面后滲入到經過活化處理的金屬表面的空隙和凹孔內，并排出界面上吸附的空氣，與活化的金屬表面充分接觸，產生吸附作用和物理作用（也有部分種類的膠粘劑分子與金屬表面分子發(fā)生化學反應而形成化學連接鍵）；面涂膠粘劑（面膠）與橡膠之間則通過分子的相互擴散和交聯(lián)作用實現(xiàn)粘接；膠粘劑和橡膠內部也發(fā)生一系列的化學反應，這些作用使得橡膠與金屬成為一個牢固的連接體。

2.2 粘接失效類型

針對使用雙涂型膠粘劑的橡膠-金屬復合制品，常見的橡膠與金屬粘接失效類型如下：

（1）金屬與底膠間粘接失效，即M-C型失效；

（2）底膠與面膠間粘接失效，即C-C′型失效；

（3）橡膠與面膠間粘接失效，即R-C′型失效；

（4）混合型失效，即含以上2種或2種以上形式的失效。

對于M-C型粘接失效，其可能的主要原因是金屬表面處理失效、膠粘劑選擇不當或者是底膠涂膠工藝不當；對于C-C′型粘接失效，其可能的主要原因是膠粘劑選擇不當或涂膠工藝不當；對于R-C′型粘接失效，其可能的主要原因是膠料成型性能差、面膠涂膠工藝不當、面膠與膠料交聯(lián)反應速度不一致或硫化壓力不足。

3 橡膠與金屬粘接失效分析

3.1 粘接失效部位

本研究一系彈簧在制造過程中出現(xiàn)的橡膠與金屬粘接失效部位主要集中在橡膠與外套粘接區(qū)域，如圖5所示。粘接失效類型全部為橡膠與面膠不粘，即R-C′型粘接失效。這種粘接模式為假性粘接，產品硫化出模時這種失效并不直接表現(xiàn)出來，常在產品油漆前、表面噴砂處理后出現(xiàn)。

3.2 粘接失效原因

橡膠與外套粘接失效類型為R-C′型，粘接失效主要原因分析如下：膠料主體材料為異戊橡膠，所用配方為公司成熟配方，膠料成型性能已得到驗證；跟蹤產品前處理過程，涂膠工藝均嚴格按照操作規(guī)程進行，未出現(xiàn)異常情況；所用膠粘劑也在其他類橡膠-金屬復合制品中使用，不存在面膠與膠料交聯(lián)反應速度不一致的情況，因此，需要重點分析產品是否存在硫化壓力不足的情況。

借助仿真分析軟件Sigmasoft，對本研究一系彈簧嚴格按照實際尺寸建模，并對硫化注膠時膠料充模過程（見圖6）進行分析。

從圖6可以看出，硫化注膠時，膠料先充滿整個型腔，然后進入外套端部和U形槽的薄層包膠處，最后流動到外套與模具間隙處。

膠料充模過程中壓力分布如圖7所示。

從圖7可以看出，膠料后期進入的外套薄層包膠處壓力明顯較小，注膠和保壓硫化時該邊緣部位的薄層包膠存在壓力小的情況。

分析模具的結構，因為外套端部整體包膠，注膠前外套懸空放入模具中，所以采用水平徑向封膠。從模具放大圖（圖8）可以看出，模具與外套之間存在明顯間隙。

采用該模具生產的產品，其外套四周存在較厚包膠，如圖9所示。

從圖9可以看出，外套與模具實際配合存在間隙，保壓硫化時膠料在熱膨脹力作用下一直向間隙流動，壓力難以建立，從而導致硫化壓力小。因此，可以判定產品外套出現(xiàn)粘接失效的直接原因為外套邊緣硫化壓力不足。

修改模具結構，去除外套與模具配合間隙并進行硫化壓力計算，硫化壓力分布如圖10所示。

從圖10可以看出，改進外套與模具配合后，在產品保壓硫化時，外套邊緣硫化壓力與其余部位基本一致，說明改進外套和模具配合可有效增大硫化壓力，有利于提高橡膠與金屬粘接。

3.3 外套與模具配合改進

根據(jù)上述分析，本工作采取如下3種措施來改進外套與模具配合。

3.3.1 外套端部

通常情況下，為保證封膠效果，金屬件上與封膠相關尺寸的公差不得大于0.1 mm。檢測得出，外套垂向高度為119.5～119.6 mm，其公差符合封膠控制要求，故首先將外套封膠方式由原來的徑向封膠改為垂向封膠，具體更改方式為在下模體與外套配合位置增加一圈過壓（封膠）臺階，如圖11所示。

3.3.2 U形槽底部和圓弧過渡處

模具與金屬件配合過盈量為0.3～0.5 mm時，封膠效果較好。本研究一系彈簧垂向封膠的難點在于，在保證外套端部過盈量為0.3～0.5 mm的基礎上，同時保證外套U形槽四周共6處圓弧過盈量至少為0.3 mm。按照外套上端面和U形槽底部高度方向過盈量一致的設計原則，模具圓弧半徑分別設計為10.65和25.75 mm，如圖12所示。

3.3.3 模具結構

分型面處泄壓是因為兩瓣模磨損導致配合間隙變大引起的，要徹底消除分型面處的粘接失效，需要對模具結構做較大改進，將原來的兩瓣模結構改為整體模結構，使外套端面不再有分型面。原有的分型設計是為了保證U形槽處內扣模芯能順利出模，修改設計后將該內扣模芯設計成小鑲條，如圖13所示。

從圖13可以看出：小鑲條與整體模芯分型面在外套端面包膠的中間位置，不影響整體式封膠臺階對外套端面的封膠效果；同時巧妙利用小鑲條做為頂出結構，實現(xiàn)產品自動頂出，避免產品出模損壞。

改進后外套端面包膠結構如圖14所示。

改進后一系彈簧批量生產產品合格率見表1。

表1 改進后一系彈簧批量生產產品合格率Tab.1 Batch production qualification rates of improved primary springs

從表1可以得出，采用3種改進措施以后，一系彈簧外套均粘接良好，產品生產連續(xù)，外觀質量可控，徹底解決了一系彈簧橡膠與金屬粘接失效的問題。

4 結語

隨著粘接理論的發(fā)展，對橡膠-金屬復合制品粘接失效原因的認知越來越深入，粘接失效原因分析逐漸系統(tǒng)化和標準化。以往對硫化壓力小造成粘接失效多為定性分析，本研究借助硫化仿真技術，對模腔壓力進行定量分析，以直觀獲得模腔壓力大小，從而明確粘接失效原因，同時可快捷驗證改進方案對硫化壓力的提升情況，有利于解決因硫化壓力小而導致的粘接失效問題。