應(yīng)用于橡膠襯套開裂改善的質(zhì)量工具研究

劉志斌，李俊濤，王玉寶，姜永峰，張坤，肖建斌*

(1.青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266500；2.青島科技大學(xué)經(jīng)管學(xué)院，山東 青島 266500；3.山東美晨工業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 262200)

懸架系統(tǒng)承受車體重量，防止車輪上下振動(dòng)傳給車身，抑制彈簧下的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，傳遞動(dòng)力、制動(dòng)力和操縱時(shí)的側(cè)向力等，從而保證汽車能夠正常行使。采用剛度相對(duì)較小的彈簧來提高車輛的乘坐舒適性，就必然導(dǎo)致動(dòng)行程過大等現(xiàn)象，從而直接影響到車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。前懸架系統(tǒng)振動(dòng)與車身晃動(dòng)、路面沖擊、車輪擺振等現(xiàn)象相關(guān)，為防止上述各種振動(dòng)，車輛懸架系統(tǒng)中使用了許多防振橡膠襯套。橡膠襯套已廣泛用于懸架系統(tǒng)，減少傳遞到車身的沖擊和振動(dòng)，起到二次減振和降噪作用，同時(shí)提高汽車操縱穩(wěn)定性。一旦橡膠襯套發(fā)生失效，車輛會(huì)出現(xiàn)異響、車輛震顫等異常，引起客戶抱怨，影響品牌聲譽(yù)。本文結(jié)合懸架系統(tǒng)橡膠襯套的應(yīng)用，使用質(zhì)量工具對(duì)研發(fā)過程中識(shí)別的質(zhì)量問題進(jìn)行分析改進(jìn)及總結(jié)。

1 橡膠襯套介紹

橡膠襯套結(jié)構(gòu)形式多樣，如圖1所示。襯套基本的類型有：簡(jiǎn)單襯套、法蘭襯套、碾壓襯套、挖孔襯套、在樞軸上轉(zhuǎn)動(dòng)的襯套、球面襯套等，是由橡膠與金屬套用膠黏接并經(jīng)過高溫硫化成一體。橡膠是不可壓縮性的物質(zhì)，泊松比為0.5，能在應(yīng)力與變形之間產(chǎn)生時(shí)間延遲，具有非線性的性質(zhì)，適合作防振材料使用。橡膠襯套具備以下優(yōu)點(diǎn)：①橡膠彈性模量比金屬小，故隔振降噪效果好；②橡膠形狀不受限制，各方向性能可在一定范圍內(nèi)自由選取；③橡膠襯套可承受多方向載荷，減輕整車質(zhì)量；④硫化橡膠內(nèi)部磨擦比金屬內(nèi)部磨擦大，且有隨頻率增大而增大的傾向，故在共振時(shí)振幅較??；⑤硫化橡膠有較大的可逆向彈性變形，且彈性系數(shù)比金屬小。

圖1 橡膠襯套

2 橡膠襯套開裂失效

橡膠襯套是汽車或其它車輛懸架系統(tǒng)中使用的一種結(jié)構(gòu)元件。襯套實(shí)質(zhì)上是一個(gè)圓柱體，包括內(nèi)金屬桿、外圓柱金屬套筒和它們之間的合成橡膠。金屬套筒和桿件與車輛的懸架系統(tǒng)的部件相聯(lián)用來傳遞從車輪通過合成橡膠材料到底盤的力。合成橡膠材料被用來減少連接處的振動(dòng)和沖擊。因?yàn)樗鼈冞B接在車輛懸架系統(tǒng)中的不同部件上，套筒和桿件承受平行和垂直于它們共同軸線的相對(duì)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。就是這種相對(duì)位移使橡膠彈性襯套受力并允許通過襯套傳遞力。在受力和位移影響下，橡膠襯套最常見的失效模式為開裂，主要是橡膠與金屬連接處開裂、橡膠開裂兩種形式，主要形成原因?yàn)楫a(chǎn)品剛度不合格、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中、黏合劑黏結(jié)效果不佳、材料配方較差等。產(chǎn)品剛度和疲勞試驗(yàn)使用MTS雙軸動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)，見圖2。MTS雙軸動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目包括：減震制品直線靜剛度、扭轉(zhuǎn)靜剛度、直線壽命、扭轉(zhuǎn)壽命、直線加扭轉(zhuǎn)復(fù)合壽命測(cè)試。

圖2 MTS靜態(tài)試驗(yàn)臺(tái)

我們?cè)陂_發(fā)某客戶襯套，如圖3所示。其研發(fā)過程中使用CAE分析橡膠材料，需要使用硬度為75邵爾A的膠料才可以滿足軸向、徑向、扭轉(zhuǎn)、偏擺組合受力要求。通過樣件檢測(cè)滿足客戶要求的軸向剛度1 400（1±15%）N/mm，產(chǎn)品剛度檢測(cè)曲線如圖4所示。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)要求翻轉(zhuǎn)軸相對(duì)襯套-6°～+6°，頻率2 Hz，耐久300萬次，在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中是一個(gè)角頻率振動(dòng)函數(shù)。但是在扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)橡膠與金屬開裂失效，失效見圖5。

圖3 某客戶橡膠襯套

圖4 軸向剛度曲線

圖5 橡膠與金屬開裂

3 流程圖鎖定開裂真因

3.1 質(zhì)量工具-流程圖

為分析襯套開裂原因，我們使用質(zhì)量工具流程圖來進(jìn)行生產(chǎn)工序和相關(guān)因素排查。流程圖是展現(xiàn)過程步驟和決策點(diǎn)順序的圖形文檔，是將一個(gè)過程的步驟用圖的形式表示出來的一種圖示技術(shù)，作為診斷工具。它能夠輔助決策制定，讓項(xiàng)目小組清楚知道，問題可能出現(xiàn)的地方，從而確定出可供選擇的行動(dòng)方案。流程圖具備以下優(yōu)點(diǎn)：①將工作過程的復(fù)雜性、有問題的地方、重復(fù)部分、多余環(huán)節(jié)以及可以簡(jiǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化的地方都顯示出來；②將實(shí)際的和想象的過程流程進(jìn)行比較和對(duì)照，以便尋求改進(jìn)過程的機(jī)會(huì)；③使項(xiàng)目小組在過程步驟方面統(tǒng)一意見并檢查出對(duì)過程進(jìn)展有重要影響的環(huán)節(jié)或活動(dòng)；④提供了一個(gè)直觀而通俗地展示復(fù)雜過程的工具。圖6為襯套生產(chǎn)流程。

圖6 襯套生產(chǎn)流程圖

3.2 橡膠襯套生產(chǎn)工藝介紹

（1）領(lǐng)料：根據(jù)計(jì)劃單領(lǐng)取鋼套、芯軸、橡膠、黏合劑等材料，質(zhì)量控制點(diǎn)包括物料一致性、物料有效期以及數(shù)量/重量。

（2）清洗：該工序使用超聲波生產(chǎn)線堿性清洗液經(jīng)過脫脂、水洗、熱水洗、烘干將金屬襯套及芯軸表面的油污去除，質(zhì)量控制點(diǎn)為表面清潔度，檢測(cè)方法：無油份殘留的金屬骨架，在表面用毛筆涂上墨汁后，應(yīng)100%分布均勻。

（3）拋丸：該工序使用履帶式拋丸機(jī)使用0.8 mm鉻鉬合金砂實(shí)施拋丸，拋丸時(shí)間因考慮襯套易變形控制在3 min，芯軸控制在10 min。質(zhì)量控制點(diǎn)：表面無銹蝕、灰塵等異?，F(xiàn)象。

（4）磷化：是指把金屬放入含有錳、鐵、鋅的磷酸鹽溶液中進(jìn)行化學(xué)處理，使金屬表面生成一層難溶于水的磷酸鹽保護(hù)膜的方法。磷化所形成的磷酸鹽保護(hù)膜稱之為磷化膜。磷化工藝過程為水洗、表調(diào)、磷化、熱水洗、烘干。質(zhì)量控制點(diǎn)為總酸度、游離酸度以及促進(jìn)劑含量。游離酸度：游離酸度是指溶液中磷酸二氫鹽水解后產(chǎn)生游離磷酸的濃度。游離酸度過高時(shí)，氫氣析出量大，晶核生成困難，膜的晶粒粗大，疏松多孔，耐蝕性差；反之，生成的磷化膜較薄，甚至得不到磷化膜。游離酸度高時(shí)，可加氧化鋅或氧化錳調(diào)整；當(dāng)酸度低時(shí)，可加磷酸二氫錳鐵鹽、磷酸二氫鋅或磷酸來調(diào)整。 總酸度：總酸度來源于磷酸鹽、硝酸鹽和酸的總和?？偹岫雀邥r(shí)磷化反應(yīng)快，獲得的膜層晶粒細(xì)致，但膜層較薄，耐蝕性降低；總酸度低時(shí)，磷化速度慢，膜層厚且粗糙。總酸度高時(shí)可加水稀釋，低時(shí)可加磷酸二氫錳鐵鹽、磷酸二氫鋅或硝酸鋅、硝酸錳來調(diào)整。

（5）涂膠黏劑：使用洛德公司生產(chǎn)的開姆洛克膠黏劑在自動(dòng)噴膠機(jī)上進(jìn)行噴涂，將膠黏劑均勻分布在零部件需黏合橡膠的表面。噴涂流程為底膠噴涂、烘干、面膠噴涂、烘干。質(zhì)量控制點(diǎn)為底膠厚度、底膠和面膠總厚度。膠膜厚度測(cè)量使用漆膜側(cè)厚儀按照磁性法測(cè)涂層厚度ISO 2178-2016規(guī)定實(shí)施測(cè)量，根據(jù)靠近磁場(chǎng)源（永磁體或電磁鐵）的磁通密度取決于與可磁化基底金屬的距離確定施加在基底金屬上的非磁性涂層的厚度。

（6）硫化：混煉膠經(jīng)由注膠機(jī)在一定的溫度、壓力和時(shí)間作用下，經(jīng)交聯(lián)由線型大分子變成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而得到的橡膠，硫化工藝加強(qiáng)了橡膠的強(qiáng)度和彈性，使之很難發(fā)生塑性變形，且減少了對(duì)溫度的敏感程度。橡膠的填充物通常是炭黑微粒(20 nm～50 μm)，炭黑微粒的填充改善了分子鏈之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)分子鏈的磨損破壞，且增強(qiáng)了對(duì)機(jī)械能的耗散能力，使橡膠阻尼特性和彈性特性得到增強(qiáng)。質(zhì)量控制點(diǎn)為硫化溫度、硫化時(shí)間、產(chǎn)品外觀、產(chǎn)品標(biāo)識(shí)、產(chǎn)品尺寸以及黏合質(zhì)量。黏合質(zhì)量使用電子拉力機(jī)在芯軸縱向施加作用力，使中間橡膠開裂，觀察芯軸和金屬套表面橡膠覆蓋率均大于80%。

（7）脫脂磷化：主要作用是去除襯套硫化時(shí)表面黏附的橡膠粉末、模具用油及粉塵等。

（8）電泳：電泳涂裝是利用外加電場(chǎng)使懸浮于電泳液中的顏料和樹脂等微粒定向遷移并沉積于電極之一的基底表面的涂裝方法。電泳涂裝最基本的物理原理為帶電荷的涂料粒子與它所帶電荷相反的電極相吸。采用直流電源，金屬工件浸于電泳漆液中。通電后，陽離子涂料粒子向陰極工件移動(dòng)，陰離子涂料粒子向陽極工件移動(dòng)，繼而沉積在工件上，在工件表面形成均勻、連續(xù)的涂膜。當(dāng)涂膜達(dá)到一定厚度（漆膜電阻大到一定程度），工件表面形成絕緣層，“異極相吸”停止，電泳涂裝過程結(jié)束。質(zhì)量控制點(diǎn)為漆膜厚度和漆膜附著力。需要特別注意的是因工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，需要設(shè)計(jì)不同的電泳工裝來保證工件的懸掛有利于氣體排出，防止出現(xiàn)窩氣現(xiàn)象。漆膜厚度使用漆膜測(cè)厚儀進(jìn)行檢測(cè)，漆膜附著力使用白格刀進(jìn)行檢測(cè)。

（9）檢驗(yàn)：根據(jù)產(chǎn)品圖紙對(duì)油漆質(zhì)量、尺寸、外觀、標(biāo)識(shí)等進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)可以引入過程方法對(duì)生產(chǎn)過程相關(guān)的檢驗(yàn)記錄、工藝記錄進(jìn)行稽查。過程符合、產(chǎn)品符合可作為放行條件，允許產(chǎn)品包裝及入庫。隨著現(xiàn)代化立體庫建設(shè)和客戶裝車電子物聯(lián)網(wǎng)要求，工件表面要求張貼條形碼以供追溯，電子碼張貼前務(wù)必核對(duì)電子碼內(nèi)容和工件一致性，同時(shí)對(duì)電子碼流水號(hào)進(jìn)行確認(rèn)防止出現(xiàn)掃碼不良導(dǎo)致的停線異常。

3.3 流程圖找真因

“果Y”還是“因X”？ “X的變化，引起Y的變化！假定X不變化，那么Y就不會(huì)變！”現(xiàn)在很多企業(yè)都是花20%的精力管控過程變化X，而花80%的精力管控結(jié)果Y。不良已經(jīng)產(chǎn)生，抓Y屬于“死后驗(yàn)尸”，不能提升質(zhì)量水平。要想提升質(zhì)量水平，要靠管控X來實(shí)現(xiàn)。通過失效件解析，失效由于膠黏劑和橡膠黏合強(qiáng)度不足導(dǎo)致的不黏。使用流程圖對(duì)失效相的因素進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 XY因素流程圖

通過收集各個(gè)因素質(zhì)量數(shù)據(jù)，使用GE矩陣對(duì)膠黏劑和橡膠不黏進(jìn)行分析，見表1。

表1 黏合劑與橡膠不黏GE矩陣分析

通過使用質(zhì)量工具分析出重點(diǎn)關(guān)注工序?yàn)榱蚧ば颍攸c(diǎn)關(guān)注的過程為硫化溫度控制。

4 復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證

通過對(duì)硫化參數(shù)調(diào)整并試驗(yàn)驗(yàn)證硫化溫度140℃×1 200 S硫化的產(chǎn)品進(jìn)行壓檢完全合格，詳見表2。產(chǎn)品改善后軸向剛度為1 431N/mm，剛度曲線見圖8，剛度符合要求。產(chǎn)品扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)300萬次無開裂異常，試驗(yàn)過程見圖9。

圖8 改善后軸向剛度曲線

圖9 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)

表2 硫化參數(shù)驗(yàn)證一覽表

5 結(jié)論

通過運(yùn)用質(zhì)量改善工具對(duì)襯套開裂進(jìn)行分析，準(zhǔn)確快速的找到了關(guān)鍵失效因子硫化溫度，結(jié)合工藝驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，通過調(diào)整硫化溫度，改善了開裂失效。此問題是在研發(fā)階段有效識(shí)別，不僅快速找到了的失效根源還為企業(yè)節(jié)省了質(zhì)量成本，滿足了客戶質(zhì)量及項(xiàng)目進(jìn)度要求。圖10為不同產(chǎn)品質(zhì)量構(gòu)成圖。在遇到此類質(zhì)量問題時(shí)，可以借鑒使用橫向流程圖找到和失效相關(guān)的關(guān)鍵工序，使用縱向流程圖找到關(guān)鍵的過程因子。通過過程因子的有效控制，找到改善的真因，將質(zhì)量管理很好的應(yīng)用到研發(fā)過程中。

圖10 不同過程質(zhì)量成本圖