水潤滑橡膠軸承模壓硫化成型尺寸精度控制研究

周廣武

（四川大學空天科學與工程學院，四川 成都 610065）

制造工藝

水潤滑橡膠軸承模壓硫化成型尺寸精度控制研究

周廣武

（四川大學空天科學與工程學院，四川 成都 610065）

隨著新材料、新工藝的不斷出現，艦船推進系統對水潤滑橡膠軸承尺寸精度和表面質量提出了越來越苛刻的技術要求。針對水潤滑橡膠軸承精密硫化成型制造尺寸精度問題，分析了軸承硫化成型工藝，研究了模芯和軸承脫模前后的熱變形規律，提出了一種水潤滑橡膠軸承模壓硫化精密成型模具設計方法。實驗結果表明，利用該方法設計的模芯，通過精密模壓硫化成型工藝，能夠很好地控制水潤滑橡膠軸承幾何尺寸精度，避免二次磨削加工破壞軸承工作界面性能，為提高水潤滑軸承產品質量和工作性能提供了新方法。

水潤滑軸承；橡膠；模壓；硫化成型

水潤滑橡膠軸承是一種用橡膠復合材料替代傳統金屬材料作為傳動件工作界面，用自然水替代礦物油作為潤滑介質的滑動軸承，具有無污染、節能減排、減振降噪等優點，已廣泛應用于船舶、水輪機、汽輪機等裝備［1-3］。近年來，隨著高分子復合材料工業的發展，新材料、新工藝不斷出現，高端裝備對水潤滑橡膠軸承的尺寸精度、表面質量和摩擦學性能等要求越來越苛刻［4-6］。

水潤滑橡膠軸承制造過程中，通過粘結劑以及模壓硫化工藝使橡膠復合材料與水潤滑軸承外殼粘接在一起，并且軸承潤滑結構通過模芯的幾何形狀成型而成［7］。在軸承模壓硫化成型工藝中，橡膠襯層幾何尺寸精度難以控制。常用的方法是設計尺寸較小的模芯，軸承經過硫化過程后，得到內徑較小的橡膠襯層，然后通過磨削加工方法，獲得設計要求的尺寸精度［8］。但是，硫化過后的橡膠復合材料經過磨削加工后，橡膠致密的表面層遭到了破壞，其力學性能受到嚴重影響。同時，二次加工后的橡膠表面粗糙度沒有直接硫化后得到的表面光滑。而表面粗糙度對水潤滑橡膠軸承潤滑性能影響顯著，研究表明較小的表面粗糙度，有利于提高水潤滑橡膠軸承的潤滑性能，能減小摩擦磨損，降低振動噪聲［9-11］。

基于此，本文通過分析水潤滑橡膠軸承模芯熱變形分布，以及軸承橡膠襯層脫模前后熱脹冷縮引起的尺寸變化，提出水潤滑橡膠軸承模壓硫化精密成型模具設計方法，實現軸承產品成型后橡膠襯層一次性達到設計要求的尺寸精度，避免二次磨削加工破壞軸承工作界面，對提高軸承產品質量具有重要的科學意義和工程實用價值。

1　模壓硫化成型工藝分析

水潤滑橡膠軸承外殼為海軍黃銅，內襯為橡膠復合材料，通過精密模壓硫化成型工藝制造而成，其制造過程是將模具和模芯加熱到一定溫度，再將橡膠復合材料注入到模具型腔（如圖1所示），然后將模具閉合，經過一定的硫化壓力、溫度和時間后完成硫化反應。硫化完成后，將軸承從模具中脫出，進行軸承精加工，包括軸承外徑精加工和端面切削。針對不同規格尺寸的水潤滑橡膠軸承，選用不同的硫化壓力、溫度和時間。其中硫化溫度對水潤滑橡膠軸承成型過程中模芯以及軸承硫化成型脫模后產品的尺寸變化影響較大，通常硫化溫度為150～180℃范圍內。考慮到軸承橡膠襯層工作面表面粗糙度以及橡膠復合材料成型后的界面工作性能，后續不再對其進行二次機械加工。為了保證水潤滑橡膠軸承橡膠襯層的尺寸精度，根據水潤滑橡膠軸承硫化成型工藝，需要對模芯和軸承內襯進行熱變形分析，確定模芯的結構尺寸及加工精度。

圖1　模具結構

2　軸承硫化過程中熱變形分析

利用ANSYS Workbench有限元軟件建立模芯熱分析模型，得到模芯的熱變形量。進一步，根據模芯變形量，建立水潤滑橡膠軸承熱分析模型，研究水潤滑橡膠軸承橡膠襯層的變形分布。

2.1材料參數

模芯為結構合金鋼，密度7 850 kg/m3，熱膨脹系數1.2×10-5/℃，楊氏彈性模量200 GPa，泊松比0.3；外殼為海軍黃銅，密度8 500 kg/m3，熱膨脹系數2.06 ×10-5/℃，楊氏彈性模量101 GPa，泊松比0.33；襯層材料為橡膠復合材料，密度1 500 kg/m3，熱膨脹系數1.21×10-4/℃，楊氏彈性模量7.8 MPa，泊松比0.47.

2.2幾何模型

本文分析的水潤滑橡膠軸承幾何結構參數如表1所示。模芯和軸承幾何模型分別如圖2和圖3所示。

表1　水潤滑橡膠軸承幾何結構

圖2　模芯幾何模型

圖3　水潤滑橡膠軸承幾何模型

2.3網格劃分和邊界條件

模芯和軸承均為不規則幾何形狀，采用四面體單元。由于水潤滑橡膠軸承外殼和橡膠襯層通過硫化粘結而成，故外殼內表面和橡膠外表面接觸的部分采用綁定邊界條件。模芯和軸承下表面均采用軸向方向的位移約束。模芯從室溫變化到加熱的溫度，即初始溫度設置為22℃，最終溫度為180℃.軸承從硫化溫度到脫模冷卻后的室溫，即初始溫度設置為180℃，最終溫度為22℃.

2.4結果分析與討論

圖4為模芯熱變形云圖。為了方便得到模芯的徑向尺寸變化量，建立局部柱坐標系XYZ，從圖4中，可以看到模芯的工作面徑向尺寸變化較大，徑向變形量為0.114 7 mm，即模芯工作面尺寸從115 mm變為115.229 mm，并且分布比較均勻。模芯的其他部位徑向尺寸變化較小，并且對軸承橡膠襯層幾何尺寸影響較小。

圖4　模芯熱變形分布（徑向方向）

根據模芯的徑向變形量，得到硫化過程中軸承橡膠內徑尺寸為115.229 mm.建立水潤滑橡膠軸承硫化結束時的有限元模型，分析軸承脫模前后的熱變形量。圖5為軸承脫模前后徑向方向的熱變形云圖。從圖中可以發現，橡膠襯層工作面向外收縮，徑向尺寸變大0.027 mm，即水潤滑橡膠軸承內徑尺寸變為115.283 mm.軸承外殼外徑尺寸向內收縮，徑向尺寸變小約0.221 mm.軸承兩端面橡膠襯層3～5 mm處的徑向變形與中間部位相反，變形量為-0.02～-0.12mm左右，因此在精加工軸承外徑和端面時，必須切除硫化后軸承的兩端（軸向尺寸約5 mm），才能保證水潤滑橡膠軸承內徑尺寸的一致性。

圖5　軸承脫模前后熱變形分布（徑向方向）

工程實際中，在零件制造過程中，不可能加工出一個絕對準確的尺寸。在滿足設計要求的條件下，允許有一定的尺寸公差。上述分析的是模芯和軸承的名義尺寸，研究表明，在名義尺寸下的公差范圍內，模芯和軸承的徑向變形量略有變化，但變化較小，可以忽略不計。本案例要求制造出水潤滑橡膠軸承內徑尺寸為15mm，根據上述分析結果，名義尺寸的模芯制造出的軸承內徑為115.283 mm，即尺寸變化為0.283 mm，則模芯的工作面尺寸應設計為115.選用標準公差，最后得到的模芯的工作面尺寸為115e9.

3　實驗驗證

加工水潤滑橡膠軸承模芯，實際測量模芯工作面尺寸為114.91 mm.通過精密模壓硫化成型制造出的水潤滑橡膠軸承如圖6所示。由于水潤滑軸承橡膠襯層為彈性材料，工程實際中，通常采用通規和塞規進行水潤滑軸承內徑尺寸測量。選用通規尺寸為115.1 mm，塞規尺寸為115.2 mm.分別對加工后的水潤滑橡膠軸承進行測量，測量結果表明通規能夠順利通過，塞規不能通規，即水潤滑軸承內徑尺寸為115范圍內，滿足設計要求。

圖6　水潤滑橡膠軸承實物

4　結束語

本文分析了水潤滑橡膠軸承硫化成型工藝，通過研究模芯和軸承脫模前后的熱變形分布規律，提出了一種水潤滑橡膠軸承模壓硫化精密成型模具設計方法，并得到了實驗驗證。以上研究和分析表明，利用該方法精確設計的模芯，通過一次性精密模壓硫化成型工藝，制造出滿足要求的水潤滑橡膠軸承幾何尺寸精度，避免了二次磨削加工破壞軸承工作界面性能，從而提高了水潤滑軸承產品質量和工作性能。

［1］王家序，陳戰，秦大同.以水為潤滑介質的摩擦副關鍵問題研究［J］.潤滑與密封，2001，（2）：34-36.

［2］段海濤，王學美，吳伊敏，等.水潤滑軸承研究進展［J］.潤滑與密封，2012，37（9）：109-116.

［3］Litwin W.Experimental research on water lubricated three layer sliding bearing with lubrication grooves in the upper part of the bush and its comparison with a rubber bearing［J］. Tribology International，2015，（82）：153-161.

［4］李平舟.熱塑性動態硫化橡膠的發展趨勢［J］.化學工業，2015，33（2-3）：38-41.

［5］閆志敏，周新聰，袁成清，等.美國艦艇水潤滑尾軸承材料研究進展［J］.船舶工程，2015，37（3）：1-5.

［6］姚世衛，胡宗成，馬斌，等.橡膠軸承研究進展及在艦艇上的應用分析［J］.艦船科學技術，2005，27（S1）：27-30.

［7］王家序，王少麗，肖科，等.基于ANSYS的水潤滑橡膠合金軸承精密成型模具的優化設計［J］.潤滑與密封，2011，36 （7）：88-90.

［8］郭民哲.淺析橡膠瓦襯的內孔磨削加工［J］.機械制造，1995，（4）：27.

［9］Wang W Z，Chen H，Hu Y Z，Wang H.Effect of surface roughness parameters on mixed lubrication characteristics［J］. Tribology International，2006，39（6）：522-527.

［10］Hooke C J，Venner C H.Surface roughness attenuation in line and point contacts［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part J：Journal of Engineering Tribology，2000，214（5）：439-444.

［11］Zhu D，Wang Q J.Elastohydrodynamic lubrication：a gateway to interfacial mechanics—review and prospect［J］.Journal of Tribology，2011，133（4）：041001.

Dimensional Deviation Control on Mold Pressing Vulcanization Shaping of Water Lubricated Rubber Bearing

ZHOU Guang-wu
（School of Aeronautics and Astronautics，Sichuan University，Chengdu Sichuan 610065，China）

With the advent of new materials and crafts，the requirement of the ship propulsion system on the dimensional accuracy as well as surface quality of water lubricated rubber bearing（WLRB）gets higher and higher. Targeted on the manufacturing dimensional accuracy of precise vulcanization shaping in WLRB，the vulcanization shaping processing of the bearing is analyzed.And by studying the thermal deformation regularity of the mold core and bearing before and after demolding，a precise mold design method of mold pressing vulcanization shaping is put forward.The experiment indicate that the dimensional accuracy of WLRB can be well controlled，with the mold core designed as explained as well as the mold pressing vulcanization shaping processing，and the destruction on the bearing work interface brought by the secondary grinding process can be avoided.The results provide new method for improving the product quality and working performance of WLRB.

water lubricated bearings；rubber；mold pressing；vulcanization shaping

TH161

A

1672-545X（2016）07-0119-03

2016-04-14

中央高校基本科研業務費資助項目（2014SCU11009，SCU 2015D014）

周廣武（1984-），男，湖南郴州人，博士，講師，主要從事界面力學、傳動摩擦學研究。