氯醇橡膠球囊產(chǎn)品啟模工藝研究

周傳忠 田雨

摘 要：本文針對氯醇橡膠球囊產(chǎn)品生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的微裂紋以及在實際工況條件下微裂紋擴大致使產(chǎn)品失效的情況進行細致介紹，利用有限元分析和高速攝像等方法對問題進行剖析，結(jié)合生產(chǎn)工藝流程分析問題產(chǎn)生原因，對不同溫度下4501橡膠各力學(xué)性能指標(biāo)的變化趨勢進行研究，以此對產(chǎn)品啟模過程進行改進，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)率的提升。

關(guān)鍵詞：4501橡膠;球囊;啟模工藝;溫度;力學(xué)性能

1 研究背景

1.1 產(chǎn)品問題概述

啟模過程復(fù)雜，一直以來產(chǎn)品的合格率維持在可觀的水平。但是，隨著氣候環(huán)境等因素的變化，產(chǎn)品呈現(xiàn)出了一種新的缺陷，在放大鏡下觀察可以發(fā)現(xiàn)，注膠柱根部產(chǎn)生了微裂紋。微裂紋在實際工況條件下不斷擴大生長，最終穿透膠囊壁，導(dǎo)致了產(chǎn)品失去氣密性而失效。經(jīng)過排除法初步分析，微裂紋最有可能在啟模階段形成。因此，觀察微裂紋產(chǎn)生過程，分析產(chǎn)生原因并以此改進生產(chǎn)工藝，對于進一步認識4501橡膠的性質(zhì)和微裂紋的產(chǎn)生機理，同時提高生產(chǎn)效率，有著積極地意義。

1.2 氯醇橡膠4501

氯醇橡膠4501（簡稱4501橡膠）是以氯醇橡膠生膠為原料制備而成的一種主鏈含醚鍵、側(cè)鏈含氯的特種橡膠[1]，由于其良好的綜合性能特別是高低溫性能和耐氣體滲透性能而在航天航空領(lǐng)域有著重要應(yīng)用[2-5]。氯醇橡膠生膠主要是由環(huán)氧氯丙烷、環(huán)氧乙烷和烯丙基縮水甘油醚等單體聚合而成，依據(jù)聚合單體的不同，分為均聚氯醇（表氯醇）橡膠、二元共聚氯醇橡膠和三元共聚氯醇橡膠三種[6]。其中均聚氯醇橡膠是環(huán)氧氯丙烷獨立聚合而成;二元共聚氯醇橡膠則由環(huán)氧氯丙烷和環(huán)氧乙烷按照等摩爾比聚合而成;而三元共聚氯醇橡膠則由以上三種單體共聚而成（其中縮水甘油醚的比例不超過5wt%）。

氯醇橡膠通過開環(huán)聚合而成，沒有乳化劑等雜質(zhì)引入，屬于純度較高的橡膠品種。適合在航天領(lǐng)域嚴苛的工況中使用。

1.3 產(chǎn)品成型工藝

4501橡膠由于其優(yōu)秀的綜合性能，在大范圍溫度變化、反復(fù)曲撓運動、高標(biāo)準氣密性要求的工況中有著重要應(yīng)用。膠囊作為其中最有代表性的產(chǎn)品，在嚴苛的工況環(huán)境下很好的體現(xiàn)出了材料的各項性能，加之復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)，使其尤為值得研究和討論。

膠囊產(chǎn)品采用模壓成型工藝制備，其工藝路線經(jīng)歷金屬骨架處理、膠料毛坯制備、一段硫化、啟模、二段硫化、修邊、檢查包裝七個階段。由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故硫化過程中所使用的產(chǎn)品模具復(fù)雜（如圖1所示），使得啟模過程繁復(fù)。

啟模過程分為如下幾個階段：首先用注膠塞專用啟模工具將注膠塞取出，清除注膠腔內(nèi)的剩余膠膜，撬松上模后，用注膠柱專用脫模工裝對注膠柱按壓脫模，隨后分別脫除中模、下模。將帶有模芯的球囊連接充氣脫模工裝，放入布袋中，打開充氣閥，將膠囊從工裝中脫除，完成全部啟模過程。

2 研究分析

2.1 啟模過程

通過對啟模過程中各步驟進行分析可知，脫除上模和充氣脫除模芯兩個步驟可對注膠柱根部產(chǎn)生影響。在脫除上模的過程中，模具與注膠柱表面發(fā)生滑移，拉扯注膠柱使其產(chǎn)生位移，可以造成注膠柱根部的微裂紋產(chǎn)生。在充氣脫模的過程中（如圖2所示），由于外壓的注入，產(chǎn)品發(fā)生較大形變，結(jié)構(gòu)最大外徑處會膨脹約160%，可對注膠柱根部的微裂紋產(chǎn)生影響。

2.2 膠囊表面應(yīng)力分析

為了確認啟模過程中的充氣脫除模芯步驟對于膠囊注膠柱根部的影響，由于產(chǎn)品隨上模脫除過程中的應(yīng)力難以測量，因此通過有限元分析的方法，對膠囊表面的應(yīng)力場進行分析。膠囊在150℃脫模，需注入外壓，結(jié)構(gòu)最大外徑會膨脹約160%，即最大外徑由95mm變?yōu)?52mm。考慮膠囊留有2mm注膠柱情況，分析膠囊是否在脫模過程中發(fā)生破壞。

由有限元分析可知，膠囊注膠柱最大Mises等效應(yīng)力出現(xiàn)在根部，為5.48MPa。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，由于一段硫化溫度約150℃，產(chǎn)品從脫去上模開始，表面溫度逐漸降低（如圖3所示），而一般情況下膠料的力學(xué)性能隨溫度的降低而隨之升高。當(dāng)膠料處于較高溫度時進行充氣脫模，較大的變形量和較低力學(xué)性能可能是誘發(fā)注膠柱根部微裂紋產(chǎn)生的原因。對產(chǎn)品進行重復(fù)性試驗，經(jīng)現(xiàn)場實際觀察，熟練操作人員在充氣脫模前操作時間約2min，此時對膠囊溫度進行了測定，約為120℃，充氣脫模后，檢查了注膠柱根部，發(fā)現(xiàn)有裂紋產(chǎn)生。

綜上所述，在啟模過程中，膠囊產(chǎn)品在充氣脫模時溫度較高，橡膠材料相對力學(xué)強度較低，充氣脫模膨脹時其外側(cè)注膠柱根部應(yīng)力集中部位發(fā)生撕裂，是微裂紋產(chǎn)生的原因。因此，本文通過研究不同溫度條件下4501膠料的力學(xué)性能變化趨勢，分析得到適合膠囊產(chǎn)品充氣脫模過程的適宜溫度，保障產(chǎn)品質(zhì)量，提升產(chǎn)品合格率。

2.3 性能測試

2.3.1 溫度對撕裂強度的影響

一般而言，溫度對于膠料力學(xué)性能的影響十分明顯。為了研究啟模過程中膠料的力學(xué)性能受溫度變化的趨勢，對僅一段硫化后的4501膠料的撕裂強度進行測試，如圖4所示。從圖中可以看出，隨著溫度的降低，材料的拉伸強度逐漸升高，增長幅度較為平緩，增幅達到90.0%。

2.3.2 溫度對拉斷伸長率的影響

溫度對于4501橡膠拉斷伸長率的影響與對撕裂強度的影響相似。同樣在100℃及以下溫度，僅一段硫化后的4501橡膠的伸長率明顯升高。如圖5所示。

2.4 研究總結(jié)

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，對于僅一段硫化的4501膠料，溫度對于其撕裂強度、拉斷伸長率的影響相似，隨著溫度的降低，上述性能指標(biāo)都存在上升趨勢，其中橡膠的撕裂強度增長較為平穩(wěn)，拉斷伸長率在100℃至80℃間增長顯著。

2.5 成果應(yīng)用

根據(jù)上述有關(guān)溫度對4501橡膠力學(xué)性能影響的研究結(jié)果，對膠囊產(chǎn)品啟模工序進行了改進。在充氣脫模前增加一測溫工序，利用紅外測溫儀對膠囊表面的溫度進行測定，考慮到實際生產(chǎn)效率等因素，待溫度處于85～100℃范圍內(nèi)時，進行充氣脫模操作。對產(chǎn)品進行重復(fù)性試驗，經(jīng)現(xiàn)場實際觀察，對本工藝改進措施進行驗證，均能正常脫出，根部無裂紋。檢測結(jié)果證明，本改進方案可行、有效。

3 總結(jié)

本文簡要介紹了一種具有優(yōu)異高低溫性能和耐氣體滲透性能的橡膠4501的特點，以及以此制備的一種具有代表性的產(chǎn)品——膠囊——的生產(chǎn)工藝。針對生產(chǎn)工藝中出現(xiàn)的微裂紋以及在實際工況條件下微裂紋擴大致使產(chǎn)品失效的情況進行細致介紹。利用有限元分析等方法對問題進行剖析，結(jié)合實際生產(chǎn)工藝流程分析發(fā)現(xiàn)，啟模過程中，產(chǎn)品表面溫度的變化是影響微裂紋產(chǎn)生的主要原因。通過研究不同溫度下4501橡膠各力學(xué)性能指標(biāo)的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)溫度低于100℃后，產(chǎn)品的整體力學(xué)性能由顯著的提升。因此對產(chǎn)品啟模過程進行改進，利用新工藝對產(chǎn)品進行重復(fù)生產(chǎn)，檢測結(jié)果顯示改進方案可行、有效。

參考文獻：

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