劉兆棟, 劉志坡, 于 磊

（中國中車 青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

大型厚壁橡膠圈硫化成型工藝與模具優(yōu)化設計研究

劉兆棟, 劉志坡, 于 磊

（中國中車 青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

改進了產品的成型工藝方法，利用新的注壓成型法解決了原模壓成型過程中存在的質量缺陷。實踐證明，對于大型厚壁復雜圓環(huán)狀橡膠圈產品，注壓成型與模壓成型相比更具優(yōu)勢，更能提高產品的合格率。對同類結構的橡膠零件的硫化工藝設計和模具設計具有一定的參考價值。

軌道車輛；橡膠圈；硫化工藝；模具設計

0 前 言

隨著鐵路系統(tǒng)對安全運營的要求升級,對產品質量水平的要求進一步提高,主機廠要求產品外觀沒有任何缺陷,一些輕微缺陷亦將被判定為不合格。因此對一些工藝上不是很穩(wěn)定的產品,勢必需要進一步優(yōu)化工藝,提高產品質量。

圖1所示零件為地鐵車輛轉向架用橡膠圈,安裝在車軸兩端的軸箱內（圖2）,起到緩沖、減振作用,對三個方向的剛度性能有一定的要求。因此,要求該產品不僅具有合適的剛度特性,以滿足系統(tǒng)的隔振、緩沖要求；還應具有一定的強度,以適應系統(tǒng)不同工況下的載荷；同時還需要有一定的疲勞性能,以達到系統(tǒng)能夠正常運營的工況要求[1]。另外,產品尺寸較大,外圍尺寸達外徑300 mm、高150 mm,結構復雜,成型難度也較大。

圖1 橡膠圈

圖2 橡膠圈應用

1 問題分析

在前期模具開發(fā)時,參考的產品原型件采用的是模壓成型。考慮到成型工藝的一致性,選取模壓成型法。

產品硫化后,內壁上存在局部的氣泡缺陷問題(如圖3a),個別產品在缺口頂端斜角部位存在撕裂問題(如圖3b)。通過反復調整排氣次數(shù)、排氣距離、膠坯質量、硫化溫度等方法都無法解決。對于氣泡缺陷問題,分析原因主要有三個方面∶第一,膠料配方方面,由于產品的減振要求,產品用配方含膠率很高,門尼黏度[ML（1+4）100 ℃] 相對較大,流動性不是很好。第二,從模具及成型工藝方面來講,首先模具下模芯和上模芯上沒有排氣設計,模壓成型過程中,膠料在模具內剪切速率相對較低[2],即使通過多次排氣,也依然無法保證膠料受到足夠的剪切力而使黏度降低且保證黏度均勻。膠料的黏度不均會導致流動不暢,造成局部窩氣。第三,從產品結構方面來講,產品為圓環(huán)狀且高度較高,靠近模具芯模壁處氣體不容易排出。針對缺口頂端斜角處撕裂問題,分析原因為∶在開模時,封閉型腔為真空負壓狀態(tài),產品受負壓力,且由于缺口處為兩股料流交匯處,此處本身會存在交聯(lián)強度低的問題,在負壓作用下造成局部撕裂。

圖3 質量缺陷

針對以上原因分析,應該從降低膠料的黏度以保證膠料熔合的角度來改善產品的填充過程,而降低膠料流動黏度的最好方法是改變成型工藝,即將模壓法改為注射法,注射過程中膠料剪切速率可達104m/s[2],剪切作用提高,黏度降低,填充阻力也會明顯減小。且注射成型能保證產品溫度均勻、黏度均勻,有利于膠料流動。為此將原模具改為注壓式結構,這樣在注射過程中膠料經流道和澆口的剪切后使膠料黏度大大降低,流動阻力減小,膠料熔合變好；另外填充過程中,膠料自上而下推進式的流動方式也有利于氣體排出,避免窩氣。

2 具體改進措施

2.1 原模壓模具結構及工作過程

2.1.1 原模壓模具結構

原模壓式模具結構如圖4所示。模具總體分上模、中模和下模三部分。其中,上模部分包括上模座板1和上模芯3,上模芯3用螺釘2固定在上模座板1上。哈呋塊外側與中模間為錐面定位,方便裝模和脫模。哈呋塊4與上模座板間也采用錐面定位。托模架6利用螺釘7固定在中模5上。下模芯10利用螺釘11緊固在下模座板8上。由于產品外側有上下2個分型面,因此哈呋塊要設計定位銷9。

圖4 模具結構

產品內徑為直面,無拔模斜度,硫化后型腔內為真空狀態(tài),出模時阻力較大。為防止出模時哈呋塊被帶出,特在中模5兩側面設計壓塊12,以壓住哈呋塊4。上模與中模間、中模與下模間采用導柱14導向和定位。模具的三維結構如圖5所示。

圖5 模具三維結構

2.1.2 原模壓模具工作過程

產品硫化結束后,首先從上模和中模之間分型面Ⅰ-Ⅰ處分型。設備脫模機構帶動托架6將整個中模連同哈呋塊和產品一起與下模部分分離,實現(xiàn)分型面Ⅱ-Ⅱ處分型。將壓塊12向外側撥開,利用頂出工裝將哈呋塊和產品一起從中模頂出,用工裝將哈呋塊分開,即可取出產品。

模具清理完畢后將中模復位到下模上,將左、右哈呋塊放入中模內,將側型芯13插入兩哈呋塊對接面處,最后將壓塊向內側復位壓住哈呋塊。將提前預烘好的圓形膠坯疊放整齊后擺放至下模芯上表面中心部位,手動緩慢合模,膠料經擠壓后逐漸充滿型腔,經排氣動作后即開始自動硫化。

2.1.3 模具設計要點

（1）產品內側分型面位置選擇在中間靠下位置,主要原因是∶一方面膠坯放入后不會高于型腔,有利于合模過程中膠料不外溢。

（2）在哈呋塊上設計排氣通孔,并連通哈呋塊外表面的溢膠槽,有利于實現(xiàn)膠料的流動,避免局部死角窩氣造成的氣泡缺陷。

（3）在產品外圍分型面一整圈邊緣設計飛邊槽和跑膠槽,以利于修邊和多余膠料的溢出。

（4）側型芯放置在兩哈呋塊對接面處,用以成型產品開口槽。裝模時,待哈呋塊裝入后再插入側型芯。

2.2 改進后的注壓模具結構及工作原理

2.2.1 改進后的注壓模具結構

在原來模具的基礎上增加一層上板,即將原先的三層模結構改為四層模結構,在上板上加工主流道、一級分流道和二級分流道,在原先的上模上加工三級分流道和澆口。整個澆注系統(tǒng)如圖7所示。由于產品結構復雜,體積較大,用膠量較多,設計了多個澆口注膠的方式,以保證膠料能快速注入模具,防止因注膠時間長而造成膠料過早焦燒。結合產品結構、膠料硬度等經驗,澆口數(shù)量設計為16個,從頂端注膠。改進后的注壓模具結構如圖6所示。

圖6 改進后的注壓模具

圖7 澆注系統(tǒng)設計

為改善產品內壁排氣效果,在上模芯和下模芯分型面上開設了排氣槽,排氣槽通過排氣孔與外界相連通（如圖8所示）,在膠料注射的過程中可以將氣體導出,從而達到排除型腔內氣體的目的。另外,下模芯開通排氣孔與外界相通,可保證硫化結束開模時型腔內不至于為負壓狀態(tài),消除了產品撕裂。

圖8 排氣系統(tǒng)設計

2.2.2 改進后的注壓模具工作原理

改進后的注壓模具工作原理∶將預烘好的膠坯放入注壓設備加料腔內,在柱塞的高壓推動下,膠料被注入模具型腔,經一定的溫度、壓力和時間后橡膠完成交聯(lián)反應,待硫化時間結束后取出產品。取出產品的方法與模壓成型過程一致,唯一不同的是增加了一步取出殘留流道料柄的過程。該過程只需要在硫化結束后將上板與原上模座板之間的活動插銷3拔下,則設備開模后會首先從Ⅰ-Ⅰ分型面開模,取出流道膠,然后合模將插銷插入連接塊2,實現(xiàn)分型面Ⅱ-Ⅱ處分型。最后利用設備脫模機構實現(xiàn)從分型面Ⅲ-Ⅲ處分型,取出產品。

3 改進效果驗證

（1）橡膠基本配方（單位∶份）∶NR 100,氧化鋅 5,硬脂酸 2,防老劑 3～5,加工助劑2～5,N550炭黑 40,環(huán)烷油 3～5,硫磺 1～2,促進劑 2～5。

（2）硫化工藝參數(shù)∶膠料在90 ℃下預烘（30～60）min,硫化溫度150 ℃,注射壓力12 MPa（油缸壓力）,硫化時間35 min。采用的硫化設備是300 t自動油壓成型機。

按照以上思路更改模具結構后進行了產品試制,發(fā)現(xiàn)連續(xù)生產的200多件產品中都沒有氣泡缺陷。隨著氣泡缺陷的徹底消除,撕裂問題也得到解決。改進后,由于是先合模后注膠,分型面處幾乎沒有飛邊,產品表面光滑美觀（如圖9所示）,合格率達100%。在性能方面,產品在三個方向上的剛度試驗結果都符合技術要求。

圖9 成型零件實物

4 結 語

通過對大型厚壁橡膠圈成型工藝的改進研究,找到了產品硫化成型過程中氣泡產生的根本原因∶由于模壓過程中膠料流動不充分且模具型腔內側處排氣不暢造成。利用注壓成型方法可使膠料在經過流道的剪切作用后黏度降低,使充模流動性更好,膠料熔合性也更好,產品的氣泡缺陷徹底消除。另外,通過改進排氣系統(tǒng)設計,解決了硫化結束開模時型腔內為負壓的問題,消除了出模時產品撕裂的問題。實踐證明,對于大尺寸圓環(huán)狀復雜純膠件產品而言,采用注壓成型方法比模壓成型工藝更具優(yōu)勢,產品質量也更穩(wěn)定,合格率更高。

[1] 劉兆棟,黃曉紅,孫瑋光.車輛轉向架橡膠圈模壓成型工藝與壓縮模設計[J].模具工業(yè),2014,40(1):69-71.

[2] 王作齡 編譯. 橡膠的硫化與成型技術（六）[J].世界橡膠工業(yè),2006,33(11):48-52.

[責任編輯：朱 胤]

Study on Vulcanization Molding Process and Mold Optimization Design for the Large Scale Thick Wall Rubber Ring

Liu Zhaodong, Liu Zhipo, Yu lei
(Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co., Ltd., Qingdao 266031, China)

The improvement methods of the molding process were introduced in this paper. The new injection molding process solved the quality defects which existed in the original compression molding. The trial proved that for large scale thick wall rubber ring products, injection molding had more advantages than the compression molding, and could raise the qualif ed rate of products, provided reference for vulcanization process and mold design to the same kinds of rubber products.

Rail Vehicle; Rubber Ring; Vulcanization Process; Mold Design

TQ 336

A

1671-8232(2015)09-0033-05

2015-06-09

劉兆棟（1982—）,男,山東臨沂人,碩士,工程師,目前就職于中國中車青島四方車輛研究所有限公司,主要從事軌道車輛用橡膠減振產品的模具設計與硫化工藝研究工作。