注壓成型硫化內壓對錐形橡膠彈簧性能影響的研究

孫 滔，程 志，易偉球，劉 鵬，林 勝，李 斌

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

錐形橡膠彈簧一般是由芯軸、外套和橡膠復合而成的減震橡膠制品，以其安裝簡單方便、終身免維護的特點被廣泛應用于地鐵、輕軌以及低地板中，是軌道交通的重要部件[1-3]。錐形橡膠彈簧的蠕變、永久變形、剛度和剛度穩定性等對于裝車及車輛運行有重要的影響。橡膠類制品硫化反應機理復雜，由于硫化工藝不當會導致錐形橡膠彈簧出現工藝性能和抗蠕變性能不穩定以及剛度離散性較大等問題，給其生產及裝車使用帶來困擾[4-11]。其中膠料用量不當會造成錐形橡膠彈簧出現炸邊、氣泡、缺膠和縮孔等外觀缺陷。

在硫化工藝參數中，硫化三要素硫化溫度、硫化壓力和硫化時間對橡膠制品的外觀和性能的影響十分重要，但影響原理的深入研究報道不多，而三要素中硫化溫度和硫化時間較易測量和校準，硫化壓力的測控則一直較難把握[12-15]。

本工作選取一種簡單結構的錐形橡膠彈簧，采用注壓硫化模具硫化，研究硫化內壓對錐形橡膠彈簧外觀質量和物理性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

天然橡膠（NR），馬來西亞產品；炭黑N330，天津海豚橡膠集團有限公司產品；其他助劑均為市售橡膠工業通用材料。

1.2 試驗配方

NR 100，炭黑N330 24，氧化鋅 5，硬脂酸2，防老劑 2，硫黃 2.3，其他 5。

1.3 主要設備和儀器

K4型密煉機，英國法雷爾公司產品；X（S）K-160型開煉機，上海橡膠機械一廠有限公司產品；XH-420-1L型平板硫化機，衡陽華意機械有限公司產品；JYW-55100型電子萬能試驗機，中國兵器工業集團第五五研究所產品；ST系列無紙記錄儀，南京盛儀科技有限公司產品；ST5012R00NN20U/Z型壓力傳感器，奇石樂精密機械設備（上海）有限公司產品。

1.4 試樣制備工藝

1.4.1 膠料混煉

在K4型密煉機中先將NR生膠充分塑煉，再加入炭黑和改性劑進行高溫混煉，然后依次加入氧化鋅、硬脂酸、防老劑和硫黃等其他助劑進行混煉，膠料混煉均勻后排膠至開煉機上下片，膠片冷卻并停放48 h后使用。

1.4.2 金屬骨架表面處理

金屬骨架表面處理流程為：脫脂→噴砂→清洗→涂膠→干燥→包裝。

1.4.3 成型和硫化

在平板硫化機上先將處理好的金屬骨架裝入預熱好的硫化模具內，合上模具，再將混煉膠放入注射機料筒內，加壓將混煉膠注入模腔內。錐形橡膠彈簧硫化完成后在室溫條件下恒溫停放48 h，再進行性能測試。

1.4.4 硫化內壓測試

在硫化模具中安裝直徑為6 mm的傳感器，通過無紙記錄儀記錄硫化內壓變化。圖1示出了注壓硫化模具結構及硫化內壓測試方法。

1.5 性能測試

1.5.1 自由高度及壓縮高度

采用高度尺測量自然狀態下錐形橡膠彈簧的自由高度。通過萬能試驗機以60 mm·min-1的速率向錐形橡膠彈簧垂向施加0～14和14～0 kN的2次循環預載荷，記錄在第3次0～14 kN循環載荷下10 kN時錐形橡膠彈簧的壓縮高度。

1.5.2 垂向剛度和垂向破壞

（1）垂向剛度。萬能試驗機以60 mm·min-1的速率向錐形橡膠彈簧垂向施加0～18.8和18.8～0 mm的2次循環變形載荷[見圖2（a）]，記錄在第3次0～18.8 mm循環變形載荷下錐形橡膠彈簧的載荷-變形曲線，并在加載階段計算（14±0.5）和（17±0.5） mm間的垂向剛度，分別記錄為垂向剛度1（K1）和垂向剛度2（K2），K1和K2分別對應裝車時空載和滿載時錐形橡膠彈簧的垂向剛度。

（2）垂向破壞試驗。 萬能試驗機以60 mm·min-1的速率向錐形橡膠彈簧施加垂向載荷[見圖2（b）]，直到錐形橡膠彈簧破壞為止。

1.5.3 屈撓疲勞試驗

將施加垂向變形9.4 mm的載荷值作為錐形橡膠彈簧的屈撓疲勞谷值，計算垂向剛度3（K3），將施加垂向變形18.8 mm的載荷值作為錐形橡膠彈簧的屈撓疲勞峰值，計算垂向剛度4（K4），并計算不同屈撓次數下錐形橡膠彈簧的垂向剛度變化率＝（屈撓后垂向剛度－屈撓前垂向剛度）/屈撓前垂向剛度。

1.5.4 蠕變試驗

在室溫下向錐形橡膠彈簧垂向施加0～20.8和20.8～15.1 mm的2次變形載荷，在第2次15.1 mm變形載荷下保載170 h（中間不卸載），讀取各時刻的變形（ΔS）（前2 h每10 min讀取1次，之后每2 h讀取1次）。

2 結果與討論

2.1 硫化程度仿真分析

硫化溫度和硫化時間是主要的硫化工藝條件參數，采用硫化工藝仿真軟件Sigmasoft對錐形橡膠彈簧進行硫化仿真模擬分析，考察在設定的硫化溫度下硫化時間對錐形橡膠彈簧硫化程度的影響，結果如圖3所示。

從圖3可看出：在硫化機上、下平板溫度分別為（150±5）和（160±5） ℃的條件下，硫化時間為25 min時，錐形橡膠彈簧的硫化程度為72.26%～98.34%；硫化時間為35 min時，錐形橡膠彈簧的硫化程度已達到98%以上。結合膠料的后硫化效應，硫化時間確定為30 min。

2.2 膠料用量對硫化內壓和產品性能的影響

固定硫化溫度[上、下平板溫度分別為（150±5）和（160±5） ℃]、硫化時間[（30±1）min）]和硫化機臺壓力（40 MPa），考察膠料用量對錐形橡膠彈簧硫化內壓和產品性能的影響，結果分別如圖4和表1所示。膠料用量為500，540，580和620 g的錐形橡膠彈簧產品分別命名為NY500，NY540，NY580和NY620。

表1 膠料用量對錐形橡膠彈簧性能的影響Tab.1 Effect of compound amounts on properties of conical rubber springs

由圖4可知，隨著硫化時間的延長，錐形橡膠彈簧的硫化內壓先上升到最大值，再迅速下降，然后緩慢上升，最后慢慢趨于穩定。這主要是膠料注壓完成時，硫化模具型腔內壓力迅速增大到最大值，即膠料注壓完成瞬間硫化內壓達到最大值，這可以解釋為膠料注入型腔后受熱膨脹，其體積迅速增大，硫化內壓升高；然后膠料往型腔各處流動，導致硫化內壓緩慢下降；硫化內壓降至一定程度時又逐漸變大，最后趨于穩定，這是因為當膠料在高溫下發生交聯，橡膠分子由鏈式結構變成網狀結構，束縛了其大分子鏈的活動，硫化壓力就趨于平穩。

由圖4還可以看出，隨著膠料用量的增大，錐形橡膠彈簧的硫化內壓增大，即在相同的硫化時間下，硫化內壓由大到小依次為NY620，NY580，NY540，NY500。這主要是膠料越多，在有限的硫化模具型腔體積內單位面積所受的力越大，因此可通過控制膠料用量來控制錐形橡膠彈簧的硫化壓力。

從表1可以看出，膠料用量增大，錐形橡膠彈簧的壓縮高度、K1和K2增大。這可能是較大的硫化內壓下錐形橡膠彈簧的膠料致密度較大所致。但是NY620外觀有炸邊現象，即膠料用量過大會影響產品外觀質量，因此在外觀質量合格的情況下NY580性能最佳。

2.3 硫化內壓對產品性能的影響

2.3.1 耐屈撓疲勞性能

表2示出了不同屈撓次數下錐形橡膠彈簧的垂向剛度及其變化率，表3示出了不同屈撓次數下錐形橡膠彈簧的自由高度變化情況。

表3 錐形橡膠彈簧在不同屈撓次數下的自由高度變化情況Tab.3 Variation of free heights of conical rubber springs under different flexion times mm

從表2和3可以看出：NY580與NY540的耐屈撓疲勞性能優于NY500，在不同屈撓次數下NY580的K3減小率等于或小于NY540；屈撓100萬次后，NY500的自由高度減小0.74 mm，NY540的自由高度減小0.50 mm，NY580的自由高度減小幅度最小，為0.46 mm，這可能是NY580的硫化內壓大，其膠料交聯程度較高，在屈撓疲勞的作用下橡膠分子鏈不易斷裂。硫化壓力是硫化過程中促進橡膠與硫化劑反應的作用力，較大的硫化壓力可消除或減少小分子助劑和水分在高溫下分解或/和轉化成氣體，增大橡膠制品的膠料致密度。NY620出現炸邊的原因可能是在過大的硫化內壓下橡膠分子鏈發生斷裂和重排，其膠料的交聯結構發生了變化[6]。

表2 錐形橡膠彈簧在不同屈撓次數下的垂向剛度及其變化率Tab.2 Vertical stiffnesses and its change rates of conical rubber springs under different flexion times

2.3.2 抗蠕變性能

圖5示出了錐形橡膠彈簧的蠕變量與時間關系。從圖5可看出，NY580的蠕變量比NY500和NY540小，說明NY580的抗蠕變性能要高于NY500和NY540。

2.3.3 橡膠-金屬粘合性能

試驗得出，NY500，NY540和NY580破壞后的覆膠率均為100%。錐形橡膠彈簧的垂向破壞實物和載荷-位移曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，NY580和NY540的破壞力要大于NY500，說明較大硫化內壓下錐形橡膠彈簧的橡膠-金屬的粘合強度大于較小硫化內壓下錐形橡膠彈簧，這可能與較大硫化內壓使錐形橡膠彈簧產品的膠料硫化程度更均勻有關。

3 結論

（1）通過硫化程度仿真分析確定，在硫化機上、下平板溫度分別為（150±5）和（160±5） ℃的條件下，錐形橡膠彈簧的適宜硫化時間為30 min。

（2）膠料用量增大，硫化內壓增大，錐形橡膠彈簧的壓縮高度和垂向剛度增大，但膠料用量過大會影響產品外觀質量，可以通過控制膠料質量來控制硫化內壓。

（3）隨著硫化內壓的增大，錐形橡膠彈簧的膠料致密度增大，耐屈撓疲勞性能和抗蠕變性能提高；在外觀質量合格的情況下，硫化內壓越大，錐形橡膠彈簧的綜合性能越佳。

（4）在較大硫化內壓下生產的錐形橡膠彈簧垂向破壞后覆膠率能達到100%，且其破壞力明顯增大，金屬-橡膠粘合強度提高，綜合性能改善。