周廣武

（四川大學(xué)空天科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

制造工藝

水潤(rùn)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(xué)空天科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

隨著新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，艦船推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承尺寸精度和表面質(zhì)量提出了越來越苛刻的技術(shù)要求。針對(duì)水潤(rùn)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(guī)律，提出了一種水潤(rùn)滑橡膠軸承模壓硫化精密成型模具設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該方法設(shè)計(jì)的模芯，通過精密模壓硫化成型工藝，能夠很好地控制水潤(rùn)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(rùn)滑軸承產(chǎn)品質(zhì)量和工作性能提供了新方法。

水潤(rùn)滑軸承；橡膠；模壓；硫化成型

水潤(rùn)滑橡膠軸承是一種用橡膠復(fù)合材料替代傳統(tǒng)金屬材料作為傳動(dòng)件工作界面，用自然水替代礦物油作為潤(rùn)滑介質(zhì)的滑動(dòng)軸承，具有無污染、節(jié)能減排、減振降噪等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于船舶、水輪機(jī)、汽輪機(jī)等裝備［1-3］。近年來，隨著高分子復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展，新材料、新工藝不斷出現(xiàn)，高端裝備對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承的尺寸精度、表面質(zhì)量和摩擦學(xué)性能等要求越來越苛刻［4-6］。

水潤(rùn)滑橡膠軸承制造過程中，通過粘結(jié)劑以及模壓硫化工藝使橡膠復(fù)合材料與水潤(rùn)滑軸承外殼粘接在一起，并且軸承潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)尺寸較小的模芯，軸承經(jīng)過硫化過程后，得到內(nèi)徑較小的橡膠襯層，然后通過磨削加工方法，獲得設(shè)計(jì)要求的尺寸精度［8］。但是，硫化過后的橡膠復(fù)合材料經(jīng)過磨削加工后，橡膠致密的表面層遭到了破壞，其力學(xué)性能受到嚴(yán)重影響。同時(shí)，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(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承潤(rùn)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(rùn)滑橡膠軸承的潤(rùn)滑性能，能減小摩擦磨損，降低振動(dòng)噪聲［9-11］。

基于此，本文通過分析水潤(rùn)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(rùn)滑橡膠軸承模壓硫化精密成型模具設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)軸承產(chǎn)品成型后橡膠襯層一次性達(dá)到設(shè)計(jì)要求的尺寸精度，避免二次磨削加工破壞軸承工作界面，對(duì)提高軸承產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的科學(xué)意義和工程實(shí)用價(jià)值。

1　模壓硫化成型工藝分析

水潤(rùn)滑橡膠軸承外殼為海軍黃銅，內(nèi)襯為橡膠復(fù)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(fù)合材料注入到模具型腔（如圖1所示），然后將模具閉合，經(jīng)過一定的硫化壓力、溫度和時(shí)間后完成硫化反應(yīng)。硫化完成后，將軸承從模具中脫出，進(jìn)行軸承精加工，包括軸承外徑精加工和端面切削。針對(duì)不同規(guī)格尺寸的水潤(rùn)滑橡膠軸承，選用不同的硫化壓力、溫度和時(shí)間。其中硫化溫度對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承成型過程中模芯以及軸承硫化成型脫模后產(chǎn)品的尺寸變化影響較大，通常硫化溫度為150～180℃范圍內(nèi)。考慮到軸承橡膠襯層工作面表面粗糙度以及橡膠復(fù)合材料成型后的界面工作性能，后續(xù)不再對(duì)其進(jìn)行二次機(jī)械加工。為了保證水潤(rùn)滑橡膠軸承橡膠襯層的尺寸精度，根據(jù)水潤(rùn)滑橡膠軸承硫化成型工藝，需要對(duì)模芯和軸承內(nèi)襯進(jìn)行熱變形分析，確定模芯的結(jié)構(gòu)尺寸及加工精度。

圖1　模具結(jié)構(gòu)

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(jìn)一步，根據(jù)模芯變形量，建立水潤(rùn)滑橡膠軸承熱分析模型，研究水潤(rùn)滑橡膠軸承橡膠襯層的變形分布。

2.1材料參數(shù)

模芯為結(jié)構(gòu)合金鋼，密度7 850 kg/m3，熱膨脹系數(shù)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(shù)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(fù)合材料，密度1 500 kg/m3，熱膨脹系數(shù)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(rùn)滑橡膠軸承幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)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(rùn)滑橡膠軸承幾何結(jié)構(gòu)

圖2　模芯幾何模型

圖3　水潤(rùn)滑橡膠軸承幾何模型

2.3網(wǎng)格劃分和邊界條件

模芯和軸承均為不規(guī)則幾何形狀，采用四面體單元。由于水潤(rùn)滑橡膠軸承外殼和橡膠襯層通過硫化粘結(jié)而成，故外殼內(nèi)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(shè)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(shè)置為180℃，最終溫度為22℃.

2.4結(jié)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(biāo)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?yōu)?15.229 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(duì)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(jù)模芯的徑向變形量，得到硫化過程中軸承橡膠內(nèi)徑尺寸為115.229 mm.建立水潤(rùn)滑橡膠軸承硫化結(jié)束時(shí)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(fā)現(xiàn)，橡膠襯層工作面向外收縮，徑向尺寸變大0.027 mm，即水潤(rùn)滑橡膠軸承內(nèi)徑尺寸變?yōu)?15.283 mm.軸承外殼外徑尺寸向內(nèi)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(shí)，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(rùn)滑橡膠軸承內(nèi)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(shí)際中，在零件制造過程中，不可能加工出一個(gè)絕對(duì)準(zhǔn)確的尺寸。在滿足設(shè)計(jì)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(nèi)，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(jì)。本案例要求制造出水潤(rùn)滑橡膠軸承內(nèi)徑尺寸為15mm，根據(jù)上述分析結(jié)果，名義尺寸的模芯制造出的軸承內(nèi)徑為115.283 mm，即尺寸變化為0.283 mm，則模芯的工作面尺寸應(yīng)設(shè)計(jì)為115.選用標(biāo)準(zhǔn)公差，最后得到的模芯的工作面尺寸為115e9.

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

加工水潤(rùn)滑橡膠軸承模芯，實(shí)際測(cè)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(rùn)滑橡膠軸承如圖6所示。由于水潤(rùn)滑軸承橡膠襯層為彈性材料，工程實(shí)際中，通常采用通規(guī)和塞規(guī)進(jìn)行水潤(rùn)滑軸承內(nèi)徑尺寸測(cè)量。選用通規(guī)尺寸為115.1 mm，塞規(guī)尺寸為115.2 mm.分別對(duì)加工后的水潤(rùn)滑橡膠軸承進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明通規(guī)能夠順利通過，塞規(guī)不能通規(guī)，即水潤(rùn)滑軸承內(nèi)徑尺寸為115范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6　水潤(rùn)滑橡膠軸承實(shí)物

4　結(jié)束語

本文分析了水潤(rùn)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(guī)律，提出了一種水潤(rùn)滑橡膠軸承模壓硫化精密成型模具設(shè)計(jì)方法，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。以上研究和分析表明，利用該方法精確設(shè)計(jì)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(rùn)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(rùn)滑軸承產(chǎn)品質(zhì)量和工作性能。

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

［2］段海濤，王學(xué)美，吳伊敏，等.水潤(rùn)滑軸承研究進(jìn)展［J］.潤(rùn)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(dòng)態(tài)硫化橡膠的發(fā)展趨勢(shì)［J］.化學(xué)工業(yè)，2015，33（2-3）：38-41.

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

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

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

［8］郭民哲.淺析橡膠瓦襯的內(nèi)孔磨削加工［J］.機(jī)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(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)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(xué)、傳動(dòng)摩擦學(xué)研究。