邢彬，馬羽飛，劉芳，張麗娜

（沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)用氟橡膠密封件成型工藝的研究

Molding process of fl uorine rubber seals for aircraft engines

邢彬，馬羽飛，劉芳，張麗娜

（沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

闡述了采用某牌號(hào)氟橡膠壓制航空發(fā)動(dòng)機(jī)用唇形密封件的成型工藝研究過(guò)程。主要完成了一段硫化參數(shù)、二段硫化參數(shù)的確定、橡膠磨具的設(shè)計(jì)和典型零件的性能檢測(cè)。結(jié)果證明確定的成型工藝可滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)唇型密封件批量生產(chǎn)的需求。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；唇型密封件；硫化；模具設(shè)計(jì)

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和使用介質(zhì)溫度相對(duì)較高，為防止滑油的外漏和蒸發(fā)消耗，保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠工作，研制出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)密封件制造所需要的高性能橡膠材料。本文通過(guò)對(duì)使用該氟橡膠材料壓制帶骨架的唇形密封件的成型工藝的研究，確定理想的成型工藝，并指導(dǎo)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，最終滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用需求。

1 零件使用工況

該零件主要為發(fā)動(dòng)機(jī)減速器、滑油附件等部位的活動(dòng)密封件。工作溫度：不高于130 ℃。工藝介質(zhì)：某牌號(hào)進(jìn)口潤(rùn)滑油或其替代品。旋轉(zhuǎn)軸的最高線(xiàn)速度小于18 m/s。

2 硫化工藝研究

硫化是混煉膠料在一定的條件下，橡膠分子由線(xiàn)型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)過(guò)程。膠料的物理及力學(xué)性能產(chǎn)生了很大的變化；橡膠失去了流動(dòng)性，提高了彈性和強(qiáng)度以及耐介質(zhì)性。橡膠唇型密封件采用模壓的方式進(jìn)行硫化成型。硫化參數(shù)主要包括：硫化時(shí)間、硫化壓力和硫化溫度。氟橡膠制品通常需要進(jìn)行二段硫化以提高交聯(lián)密度、釋放小分子物質(zhì)、減低壓縮永久變形等。要注意二段硫化的升溫速度，速度過(guò)快會(huì)造成產(chǎn)品氣泡、變形。對(duì)于帶骨架的制品還會(huì)產(chǎn)生橡膠和金屬的脫離，要采取階梯升溫的形式［1～2］。

2.1 硫化參數(shù)確定

2.1.1 一段硫化參數(shù)

硫化即是混煉膠料在一定的溫度、模具壓力下，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，橡膠分子由線(xiàn)型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)過(guò)程。而一段硫化主要是將具有一定的可塑性的膠料，制成一定形狀或稱(chēng)量出一定的質(zhì)量后，填入或直接注入型腔，經(jīng)加壓加熱硫化，以獲得必要形狀和使橡膠達(dá)到一定程度交聯(lián)的過(guò)程。為保證橡膠膠料有較好的物理機(jī)械性能和耐介質(zhì)性能，應(yīng)控制硫化時(shí)間、溫度、壓力來(lái)保證較高的硫化程度，而又不產(chǎn)生過(guò)硫化現(xiàn)象。即保證橡膠膠料在硫化平坦區(qū)間完成交聯(lián)反應(yīng)［3～4］。氟橡膠的一段硫化參數(shù)，硫化溫度：175±3 ℃；硫化時(shí)間：25 min；硫化壓力：模具單位面積上壓力不小于10 MPa。

2.1.2 二段硫化參數(shù)

氟橡膠在硫化過(guò)程中會(huì)釋放出HF、Hcl、H2O、CO2等低分子物質(zhì)，這會(huì)影響硫化，使制品的性能下降。同時(shí)由于釋放出的物質(zhì)有一定的腐蝕性，會(huì)導(dǎo)致對(duì)材料和設(shè)備的破壞，所以氟橡膠需要進(jìn)行二段硫化。二段硫化是在鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行的，其目的就是使這些小分子物質(zhì)得以充分的揮發(fā)。同時(shí)二段硫化可以使未完全硫化的橡膠分子，發(fā)生進(jìn)一步的交聯(lián)反應(yīng)，提高了橡膠的拉伸強(qiáng)度、降低了壓縮永久變形。表1為不同二段硫化條件對(duì)膠料性能的影響。

表1 不同二段硫化條件對(duì)膠料性能影響

從表1經(jīng)不同二段硫化條件硫化后的橡膠膠料性能測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)，隨處理溫度的升高，硫化膠拉伸強(qiáng)度提高。在試驗(yàn)選定的同一溫度下，延長(zhǎng)處理時(shí)間，硫化膠耐高溫壓縮永久變形降低，拉伸強(qiáng)度略有下降。從綜合性能考慮，采用232 ℃×12 h 和250 ℃×12 h二段硫化后硫化膠性能較好且基本相當(dāng)。

2.1.3 硫化工藝制定

本唇型密封件是帶金屬骨架的密封件，較襯墊和O型圈密封件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為達(dá)到內(nèi)外部膠料都得到充分交聯(lián)并與金屬骨架形成牢固的化學(xué)鍵，應(yīng)保證二段硫化的升溫平穩(wěn)性。升溫速度應(yīng)適當(dāng)?shù)玫娇刂疲^(guò)快會(huì)造成產(chǎn)品產(chǎn)生氣泡、裂紋、金屬與橡膠脫離等現(xiàn)象。因此實(shí)驗(yàn)采取了階梯升溫的方式。將橡膠密封件放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，硫化的條件為：室溫升至70 ℃升至120 ℃升至160 ℃升至232 ℃，并在232 ℃下恒溫12 h，硫化結(jié)束后關(guān)閉鼓風(fēng)干燥箱電源，自然冷卻到室溫。

3 唇形密封件模具的設(shè)計(jì)

3.1 模具設(shè)計(jì)基本要求

橡膠模具是用于橡膠制品硫化定型的器具。優(yōu)良模具設(shè)計(jì)是保證壓制出有正確輪廓、精確尺寸、良好內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橡膠零件的前提。模具要求有一定的光潔度、合理的分型面，以便于裝模、合模、啟模和修邊的進(jìn)行。如果分型面位置設(shè)計(jì)不對(duì)，制品可能取出困難或完全取不出，特別是含有剛性金屬骨架時(shí)，應(yīng)特別注意。同時(shí)設(shè)計(jì)要考慮到橡膠零件后續(xù)加工的便捷性。

3.2 橡膠收縮率對(duì)模具設(shè)計(jì)影響

在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮不同種類(lèi)橡膠的收縮率對(duì)模具尺寸的影響，以保證壓制出尺寸和外觀均符合要求的零件。收縮率是指：室溫下模具型腔尺寸與對(duì)應(yīng)制品室溫下尺寸之差同制品室溫下尺寸的百分比，收縮率計(jì)算公式為：

式中：

K——膠料的收縮率，%；

D——室溫下模具的型腔尺寸，mm；

D0——室溫下制品的尺寸，mm。

就不同橡膠種類(lèi)而言，收縮率是天然橡膠＜丁苯橡膠＜氯丁橡膠＜丁氰橡膠＜丁基橡膠＜硅橡膠＜氟橡膠?？梢?jiàn)氟橡膠的收縮率是橡膠中較大的，當(dāng)然由于不同填料的加入和不同的硫化體系的使用，也會(huì)造成收縮率的變化，但在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮氟橡膠的這一特點(diǎn)［5］。

3.3 模具型腔尺寸確定

首先將氟橡膠膠料充滿(mǎn)模具型腔，進(jìn)行硫化成型，冷卻至室溫后測(cè)量其尺寸即為D0，然后根據(jù)模具的實(shí)際尺寸D反推出膠料的收縮率K。由于零件的設(shè)計(jì)尺寸是確定的，最終的目的是壓制出符合規(guī)定尺寸的零件，根據(jù)零件尺寸要求利用公式（1），計(jì)算出室溫下模具的型腔尺寸。而生產(chǎn)混煉膠的同時(shí)，生產(chǎn)廠(chǎng)家就會(huì)根據(jù)每批次的不同情況提供出膠料的收縮率，以作參考。圖1是針對(duì)唇形密封件研制的模具組裝圖。

4 零件檢測(cè)

4.1 零件外觀檢查

4.1.1 零件外觀檢查方法及要求

對(duì)生產(chǎn)出的全部零件都要進(jìn)行外觀的檢查，外觀檢測(cè)方法為目視，不同的部位都有著不同的檢驗(yàn)要求，具體要求如下：

（1）轉(zhuǎn)動(dòng)接觸工作面：據(jù)唇口尖邊1 mm范圍內(nèi)，零件不應(yīng)有氣泡、孔眼、雜質(zhì)、凹凸、劃傷。

（2）非轉(zhuǎn)動(dòng)接觸面：零件表面不應(yīng)有氣泡、孔眼和外來(lái)雜質(zhì)及黏接膠液過(guò)多形成的痕跡，允許有橡膠組織內(nèi)部配合劑產(chǎn)生的凹凸痕跡，總數(shù)量不超過(guò)6處。

（3）固定工作面：零件表面不應(yīng)有氣泡、孔眼、雜質(zhì)，允許有模型輕微磨損。

圖1 唇形密封件模具組裝圖

（4）其他部分：零件不允許有骨架與橡膠黏接不良的現(xiàn)象，不允許有外來(lái)金屬雜質(zhì)，零件分模面允許有輕微深度的抽邊。

4.1.2 零件外觀檢測(cè)結(jié)果

選擇3個(gè)零件號(hào)，按要求壓制成32個(gè)密封件，進(jìn)行了外觀的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為外觀全部合格。

4.2 零件尺寸檢查

零件實(shí)際檢查結(jié)果

試驗(yàn)壓制了3個(gè)件號(hào)的密封零件，每個(gè)件號(hào)分別壓制了32個(gè)零件。對(duì)其尺寸進(jìn)行了檢測(cè)。表2是1、2、3號(hào)密封件尺寸測(cè)量結(jié)果。

通過(guò)表2的測(cè)量結(jié)果可以看出密封件的外形尺寸符合圖紙規(guī)定的要求。由此可見(jiàn)氟橡膠硫化工藝可行，模具設(shè)計(jì)合理。

表2 唇形密封件尺寸測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)論

（1）密封件外觀及尺寸合格的零件，研制的氟橡膠的性能達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)的要求，膠料適宜作為發(fā)動(dòng)機(jī)用動(dòng)密封件的制造材料。

（2）模具的設(shè)計(jì)充分考慮到了氟橡膠收縮洗漱較大、易脫模、便于加工等因素，設(shè)計(jì)出了合理結(jié)構(gòu)及尺寸的模具。

（3）確定了一段硫化和二段硫化條件，并制定了硫化工藝。是橡膠與金屬骨架硫化后達(dá)到了較好的成型效果。

（4）密封零件外觀及尺寸合格，壓制出了符合設(shè)計(jì)圖紙要求的密封零件，確定了理想的成型工藝，可指導(dǎo)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。

［1］ 高鑒明，張亞軍，唐躍. 低壓變氟橡膠硫化體系試驗(yàn)的研究［J］. 特種橡膠制品，2004，02：12～26.

［2］ 段棟. 不同硫化體系氟橡膠硫化特性及物理性能的對(duì)比［J］.特種橡膠制品，2010，06：41～45.

［3］ 于克波. 含氟烯烴類(lèi)氟橡膠加速硫化性能的研究［J］. 有機(jī)氟工業(yè)，2007，03：3～7.

［4］ 張勤來(lái). 26氟橡膠硫化速率影響因素初探［J］. 有機(jī)氟工業(yè)，2002，03：14～17.

［5］ 趙敏. 一種金屬-橡膠復(fù)合密封墊的成型模具和成型方法［J］. 橡膠工業(yè)，2010，10：22.

（R-03）

TQ336.8

1009-797X（2015）23-0027-03

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.23.007

邢彬（1978-）女，高級(jí)工程師，2001年畢業(yè)于沈陽(yáng)化工學(xué)院，現(xiàn)主要從事非金屬材料性能研究工作。

2015-09-22