(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 山東 青島 266520)

引言

汽車制動(dòng)摩擦材料在汽車制動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用，而在制動(dòng)摩擦材料生產(chǎn)過(guò)程中，需要好多種工序加工才使得摩擦材料達(dá)到人們的需求。摩擦材料制備工序可以分為稱料、混料、壓制成型、熱處理、磨削、開槽倒角、包裝后處理等，而在這些工序中，最重要的和對(duì)摩擦材料性能影響最大是壓制成型工藝。成型工藝是將混合料在一定的溫度、壓力下壓制固化一段時(shí)間，形成具備一定力學(xué)性能和摩擦磨損性能的摩擦材料。摩擦材料的內(nèi)部組分主要有增強(qiáng)纖維、粘合劑和填料等組成，成型工藝的主要作用就是利用樹脂的黏流和凝膠過(guò)程中的流動(dòng)性和可塑性，使樹脂形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)粘結(jié)起來(lái)具有特定外形的整體。成型溫度過(guò)低固化不完全會(huì)使摩擦材料硬度和剪切強(qiáng)度過(guò)低，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致摩擦材料出現(xiàn)鼓泡、破損等缺陷，成型壓力太小會(huì)使混合料在模腔中流動(dòng)性變差而導(dǎo)致成型不均勻，壓力太大又會(huì)使摩擦材料致密性太大而加大噪聲的影響。因此在摩擦材料成型過(guò)程中，合理的成型工藝參數(shù)不僅能有效提高摩擦材料的性能，而且還可以降低生產(chǎn)成品，節(jié)約能源，如何選擇和調(diào)配成型工藝參數(shù)是制備摩擦材料的重要一環(huán)。

一、成型工藝

汽車制動(dòng)摩擦材料成型工藝中對(duì)制品性能影響的因素有許多種，模壓溫度、成型壓力、壓制時(shí)間、放氣次數(shù)和加壓速度等均會(huì)對(duì)摩擦材料的性能有一定的影響，經(jīng)研究表明，模壓溫度、成型壓力和壓制時(shí)間這三個(gè)因素對(duì)摩擦材料的影響最為顯著，因而將這三個(gè)工藝參數(shù)成為成型工藝的“三要素”。成型工藝按照模壓溫度高低可以分為熱壓成型、溫壓成型和冷壓成型，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)汽車摩擦材料制造企業(yè)使用的還是熱壓成型工藝，冷壓成型在樹脂基摩擦材料中局限較大，而溫壓成型一直在摩擦材料行業(yè)研究的熱點(diǎn)，但在現(xiàn)有的工藝技術(shù)下溫壓成型尚不能成為摩擦材料行業(yè)的主流。熱壓成型工藝下的摩擦材料固化完全，致密性好，但材料硬度較大，孔隙率低，而溫壓工藝下摩擦材料孔隙率較低，能夠降低制動(dòng)過(guò)程中的噪音。

為了得到合理的成型工藝參數(shù)組合，使得摩擦材料具備優(yōu)良的性能和節(jié)約成本，摩擦材料行業(yè)通過(guò)許多種方法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。最先使用的優(yōu)化方法是重復(fù)試驗(yàn)法，就是將可能的工藝參數(shù)組合挨著進(jìn)行試驗(yàn)，但事實(shí)證明該方法不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效果也并不明顯。為了更科學(xué)、更迅速地找到特定摩擦材料的最佳工藝參數(shù)，均勻設(shè)計(jì)法、正交實(shí)驗(yàn)法、響應(yīng)面法等數(shù)學(xué)研究方法被應(yīng)用在了摩擦材料工藝參數(shù)優(yōu)化上。

摩擦材料的力學(xué)性能和摩擦磨損性能主要有材料的配方和工藝所決定，在確定好材料配方的情況下，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)改善摩擦材料的性能是優(yōu)化材料性能的主要手段。摩擦材料的性能包括力學(xué)性能、摩擦磨損性能和噪音等，力學(xué)性能主要有硬度、壓縮率、剪切強(qiáng)度等，摩擦磨損性能包括摩擦系數(shù)和磨損率。汽車在制動(dòng)過(guò)程中，摩擦材料需要提供適宜的摩擦系數(shù)，良好的磨損率，優(yōu)良的硬度和壓縮率，足夠的剪切強(qiáng)度，還有較小的噪聲等，而成型工藝的調(diào)整能有效地改善摩擦材料的性能。

成型工藝對(duì)制動(dòng)摩擦材料質(zhì)量的影響主要取決于溫度、壓力和時(shí)間，的設(shè)定值的差異都會(huì)改變摩擦材料的性能。①成型溫度對(duì)摩擦材料的影響。摩擦材料中酚醛樹脂的固化需要在一定的溫度下才能反應(yīng)，酚醛樹脂固化速度受溫度影響較大，溫度140℃下酚醛樹脂的固化速度較慢，成型溫度高于150℃時(shí)固化速度較快。當(dāng)成型溫度較低時(shí)，樹脂固化速度慢，摩擦材料的硬度和剪切強(qiáng)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，磨損增大，會(huì)加速摩擦材料的使用壽命。當(dāng)成型溫度較高時(shí)，樹脂固化速度較快，摩擦材料表層迅速固化，內(nèi)部產(chǎn)生的氣體和水分難以排出，會(huì)導(dǎo)致壓制品出現(xiàn)鼓泡、破損等缺陷。②成型壓力對(duì)摩擦材料的影響。一定的成型壓力能夠摩擦材料在成型過(guò)程中具備良好的流動(dòng)性，保證制品內(nèi)部材料分散均勻和達(dá)到制品的外觀要求。成型壓力會(huì)影響到制品的密度和機(jī)械強(qiáng)度，足夠的壓力能夠使壓制品更加結(jié)實(shí)。樹脂固化時(shí)產(chǎn)生的水分和氣體也需要足夠的壓力排出，否則也會(huì)造成鼓泡等弊病。但太大的成型壓力也會(huì)危害摩擦材料的質(zhì)量，較高的成型壓力會(huì)使制品硬度較大、高噪音和溢料等問(wèn)題。③壓制時(shí)間對(duì)摩擦材料的影響主要體現(xiàn)在樹脂的固化，摩擦材料在模具里待的時(shí)間越長(zhǎng)固化越完全，但考慮到效率和成品問(wèn)題，熱壓成型的制品都會(huì)放進(jìn)熱處理箱進(jìn)行完全固化。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，摩擦材料領(lǐng)域?qū)Τ尚凸に嚨难芯糠浅V泛，從成型方式的講，大部分研究學(xué)者還是專攻于熱壓成型工藝，也有些學(xué)者對(duì)溫壓成型工藝和冷壓成型工藝進(jìn)行探索，對(duì)于摩擦材料成型工藝的研究?jī)?yōu)化方法各異，不論何種方法，都有重大的研究成果。

(一)熱壓成型

由于熱壓成型的摩擦材料優(yōu)良的致密性、較高的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的摩擦特性，摩擦材料行業(yè)熱壓成型還是當(dāng)今摩擦材料成型工藝的主流。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法和響應(yīng)曲面法等方法對(duì)摩擦材料的成型工藝進(jìn)行優(yōu)化，篩選出最優(yōu)的工藝參數(shù)，分析了工藝參數(shù)對(duì)摩擦材料性能的影響。

鐘厲[1]等研究了復(fù)合纖維低樹脂基摩擦材料的熱壓成型工藝，運(yùn)用正交試驗(yàn)和模糊綜合評(píng)價(jià)的方法篩選出最佳工藝參數(shù)組合為成型壓力20MPa、熱壓溫度170℃、壓制時(shí)間5 min和熱處理時(shí)間8 h，分析得出成型壓力對(duì)硬度影響最大，熱壓溫度對(duì)摩擦系數(shù)影響最大，壓制時(shí)間對(duì)剪切強(qiáng)度影響最大，熱處理時(shí)間對(duì)磨損率影響最大。馬云海[2]等研究了礦物纖維增強(qiáng)酚醛樹脂基摩擦材料的熱壓成型工藝對(duì)摩擦材料性能的影響規(guī)律，采用均勻設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行試驗(yàn)，分析了成型工藝參數(shù)對(duì)摩擦材料的摩擦因數(shù)、沖擊強(qiáng)度的回歸關(guān)系，建立了摩擦因數(shù)、沖擊強(qiáng)度與熱壓工藝參數(shù)的二次響應(yīng)曲面回歸模型。楊昆鵬[3]等研究發(fā)現(xiàn)保壓時(shí)間對(duì)摩擦系數(shù)穩(wěn)定性影響較大，成型溫度的波動(dòng)對(duì)于摩擦材料的硬度改變最大，而材料的沖擊強(qiáng)度和壓縮性能都與硬度有著很大關(guān)聯(lián)。徐洋[4]等采用響應(yīng)面法結(jié)合Design-Expert軟件對(duì)有機(jī)摩擦復(fù)合材料建立了制備工藝參數(shù)與摩擦系數(shù)、磨損率的二次響應(yīng)曲面回歸模型，并通過(guò)摩擦材料的微觀形貌分析了成型工藝對(duì)摩擦磨損特性的影響。

(二)溫壓成型

溫壓成型技術(shù)很早就已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究，但目前摩擦材料行業(yè)溫壓成型工藝的使用率非常低。摩擦材料中粘合劑大多是酚醛樹脂，而低溫狀態(tài)下樹脂固化速度較慢，研究學(xué)者們先后用改性樹脂進(jìn)行研究得到一些成果，溫壓成型后制品的孔隙率較高，噪音低，結(jié)合節(jié)能環(huán)保，溫壓成型必將是未來(lái)摩擦材料成型工藝的發(fā)展趨勢(shì)。

魏景峰[5]等研究了鼓式制動(dòng)摩擦材料的溫壓成型工藝，選用腰果殼油改性的酚醛樹脂作為粘合劑，研究表明溫壓制備下的摩擦材料具備良好的摩擦磨損性能、適中的孔隙率及良好的沖擊強(qiáng)度，在模壓溫度100℃左右、成型壓力60MPa、保壓時(shí)間5min的條件下，制備的溫壓材料具有適合的孔隙率和沖擊強(qiáng)度、較高的最大應(yīng)變。朱挺[6]等研究離合器的溫壓成型工藝，提出三組分改性酚醛樹脂和混雜纖維溫壓工藝制備離合器摩擦材料，工藝參數(shù)表明，當(dāng)成型溫度110～120℃、模壓壓力15～35MP、保壓時(shí)間1～2min時(shí)制備得到的摩擦材料具備較高的沖擊強(qiáng)度和優(yōu)良的摩擦磨損性能。

(三)冷壓成型

劉曉[7]等研究了提出采用新型高性能無(wú)機(jī)粘結(jié)劑作基體,鋼纖維和芳綸纖維混雜作增強(qiáng)還原鐵粉、石墨、石油焦、硫酸鋇、棕鋼玉等作填料,通過(guò)低溫成型的工藝來(lái)制備高性能摩擦材料。工藝參數(shù)為：模壓溫度為30℃～50℃，成型壓力為40MPa～50MPa，保壓時(shí)間為15分鐘，干燥工藝為室溫自然干燥12小時(shí)。與一般的熱壓摩擦材料相比較，在該成型工藝制備的摩擦材料具備優(yōu)越摩擦磨損性能，硬度明顯低，摩擦系數(shù)變化穩(wěn)定，噪音小。張育軍[8]等研究了冷壓和熱壓工藝下離合器摩擦材料的性能對(duì)比，發(fā)現(xiàn)冷壓工藝制備的摩擦材料具備孔隙率高、硬度低和摩擦系數(shù)穩(wěn)定等特點(diǎn)。

三、成型工藝的發(fā)展方向

隨著汽車的逐步發(fā)展，人們對(duì)于制動(dòng)摩擦材料的要求越來(lái)越高，不僅要求摩擦材料具備優(yōu)良的摩擦磨損性能，還要摩擦材料制動(dòng)噪聲低、落灰少，因此摩擦材料成型工藝發(fā)展必須符合汽車行業(yè)綠色環(huán)保的主題，從摩擦材料的制備到使用，兼具性能和環(huán)保，才是汽車摩擦材料發(fā)展的趨勢(shì)。就摩擦材料成型工藝而言，降低成型溫度會(huì)是未來(lái)成型工藝的發(fā)展方向，溫壓成型和冷壓成型將會(huì)成為了以后研究的熱點(diǎn)，研究學(xué)者必須要摩擦材料中酚醛樹脂的低溫固化速度較慢這一弊端，如何對(duì)酚醛樹脂改性以及酚醛樹脂固化促進(jìn)劑的使用會(huì)是成型工藝發(fā)展的重要突破口，另外，成型溫度和成型壓力之間相互作用對(duì)樹脂固化的影響也是研究學(xué)者亟待解決的問(wèn)題。