一系彈簧橡膠與金屬粘接失效的仿真分析

溫泰斗，王 昆，黃友劍，彭院中，李繼平

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

橡膠是一種高彈性、大形變的高分子材料，通過(guò)將機(jī)械零件振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械能部分吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽鹉z-金屬?gòu)?fù)合制品可以實(shí)現(xiàn)良好的減振效果，其廣泛應(yīng)用于軌道車(chē)輛、工程機(jī)械、船舶、航空等領(lǐng)域[1-2]。而橡膠-金屬?gòu)?fù)合制品中橡膠與金屬粘接質(zhì)量直接影響車(chē)輛等機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行安全，因此提高橡膠與金屬粘接質(zhì)量是橡膠-金屬?gòu)?fù)合制品生產(chǎn)中的技術(shù)控制點(diǎn)[3-5]。

城市輕軌車(chē)輛多將橡膠彈簧用于一系懸掛系統(tǒng)，一系橡膠彈簧（一系彈簧）一般由芯軸、外套、一層或多層隔套與橡膠復(fù)合而成。作為一系懸掛系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，一系彈簧可以在垂直方向提供支撐并衰減振動(dòng)，在牽引方向傳遞輪對(duì)導(dǎo)向力，具有體積小、質(zhì)量輕、安裝簡(jiǎn)單和免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)[6-11]。

本工作以我公司某型一系彈簧產(chǎn)品為例，對(duì)其在制造過(guò)程中出現(xiàn)的粘接失效問(wèn)題進(jìn)行原因分析，并提出相應(yīng)的解決措施。

1 研究對(duì)象

本研究一系彈簧應(yīng)用于法國(guó)巴黎區(qū)域列車(chē)轉(zhuǎn)向架，每個(gè)轉(zhuǎn)向架安裝4個(gè)一系彈簧（見(jiàn)圖1），軸箱內(nèi)側(cè)為一系彈簧，外側(cè)為鋼彈簧。在使用過(guò)程中，一系彈簧提供垂向剛度，與鋼彈簧共同承擔(dān)垂向載荷，同時(shí)提供縱向牽引力，并起限位和配合起吊的作用。

與常規(guī)一系彈簧多采用易于成型的整圓結(jié)構(gòu)不同，本研究一系彈簧結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）復(fù)雜，由芯軸1、芯軸2、橡膠、外套和定位銷(xiāo)組成，其中硫化體由芯軸2、橡膠和外套構(gòu)成，為滿足不同的橫縱向剛度，外套有2個(gè)對(duì)稱(chēng)的U形槽，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。考慮防腐要求，外套端部設(shè)計(jì)有厚度為0.5 mm的包膠。

2 橡膠與金屬粘接原理及粘接失效類(lèi)型

2.1 粘接原理

本研究一系彈簧金屬件（外套）前處理使用的膠粘劑為雙涂型，雙涂型膠粘劑的粘接原理如圖4所示[12-13]。其中底涂膠粘劑（底膠）通過(guò)浸潤(rùn)金屬表面后滲入到經(jīng)過(guò)活化處理的金屬表面的空隙和凹孔內(nèi)，并排出界面上吸附的空氣，與活化的金屬表面充分接觸，產(chǎn)生吸附作用和物理作用（也有部分種類(lèi)的膠粘劑分子與金屬表面分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成化學(xué)連接鍵）；面涂膠粘劑（面膠）與橡膠之間則通過(guò)分子的相互擴(kuò)散和交聯(lián)作用實(shí)現(xiàn)粘接；膠粘劑和橡膠內(nèi)部也發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，這些作用使得橡膠與金屬成為一個(gè)牢固的連接體。

2.2 粘接失效類(lèi)型

針對(duì)使用雙涂型膠粘劑的橡膠-金屬?gòu)?fù)合制品，常見(jiàn)的橡膠與金屬粘接失效類(lèi)型如下：

（1）金屬與底膠間粘接失效，即M-C型失效；

（2）底膠與面膠間粘接失效，即C-C′型失效；

（3）橡膠與面膠間粘接失效，即R-C′型失效；

（4）混合型失效，即含以上2種或2種以上形式的失效。

對(duì)于M-C型粘接失效，其可能的主要原因是金屬表面處理失效、膠粘劑選擇不當(dāng)或者是底膠涂膠工藝不當(dāng)；對(duì)于C-C′型粘接失效，其可能的主要原因是膠粘劑選擇不當(dāng)或涂膠工藝不當(dāng)；對(duì)于R-C′型粘接失效，其可能的主要原因是膠料成型性能差、面膠涂膠工藝不當(dāng)、面膠與膠料交聯(lián)反應(yīng)速度不一致或硫化壓力不足。

3 橡膠與金屬粘接失效分析

3.1 粘接失效部位

本研究一系彈簧在制造過(guò)程中出現(xiàn)的橡膠與金屬粘接失效部位主要集中在橡膠與外套粘接區(qū)域，如圖5所示。粘接失效類(lèi)型全部為橡膠與面膠不粘，即R-C′型粘接失效。這種粘接模式為假性粘接，產(chǎn)品硫化出模時(shí)這種失效并不直接表現(xiàn)出來(lái)，常在產(chǎn)品油漆前、表面噴砂處理后出現(xiàn)。

3.2 粘接失效原因

橡膠與外套粘接失效類(lèi)型為R-C′型，粘接失效主要原因分析如下：膠料主體材料為異戊橡膠，所用配方為公司成熟配方，膠料成型性能已得到驗(yàn)證；跟蹤產(chǎn)品前處理過(guò)程，涂膠工藝均嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，未出現(xiàn)異常情況；所用膠粘劑也在其他類(lèi)橡膠-金屬?gòu)?fù)合制品中使用，不存在面膠與膠料交聯(lián)反應(yīng)速度不一致的情況，因此，需要重點(diǎn)分析產(chǎn)品是否存在硫化壓力不足的情況。

借助仿真分析軟件Sigmasoft，對(duì)本研究一系彈簧嚴(yán)格按照實(shí)際尺寸建模，并對(duì)硫化注膠時(shí)膠料充模過(guò)程（見(jiàn)圖6）進(jìn)行分析。

從圖6可以看出，硫化注膠時(shí)，膠料先充滿整個(gè)型腔，然后進(jìn)入外套端部和U形槽的薄層包膠處，最后流動(dòng)到外套與模具間隙處。

膠料充模過(guò)程中壓力分布如圖7所示。

從圖7可以看出，膠料后期進(jìn)入的外套薄層包膠處壓力明顯較小，注膠和保壓硫化時(shí)該邊緣部位的薄層包膠存在壓力小的情況。

分析模具的結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥馓锥瞬空w包膠，注膠前外套懸空放入模具中，所以采用水平徑向封膠。從模具放大圖（圖8）可以看出，模具與外套之間存在明顯間隙。

采用該模具生產(chǎn)的產(chǎn)品，其外套四周存在較厚包膠，如圖9所示。

從圖9可以看出，外套與模具實(shí)際配合存在間隙，保壓硫化時(shí)膠料在熱膨脹力作用下一直向間隙流動(dòng)，壓力難以建立，從而導(dǎo)致硫化壓力小。因此，可以判定產(chǎn)品外套出現(xiàn)粘接失效的直接原因?yàn)橥馓走吘壛蚧瘔毫Σ蛔恪?/p>

修改模具結(jié)構(gòu)，去除外套與模具配合間隙并進(jìn)行硫化壓力計(jì)算，硫化壓力分布如圖10所示。

從圖10可以看出，改進(jìn)外套與模具配合后，在產(chǎn)品保壓硫化時(shí)，外套邊緣硫化壓力與其余部位基本一致，說(shuō)明改進(jìn)外套和模具配合可有效增大硫化壓力，有利于提高橡膠與金屬粘接。

3.3 外套與模具配合改進(jìn)

根據(jù)上述分析，本工作采取如下3種措施來(lái)改進(jìn)外套與模具配合。

3.3.1 外套端部

通常情況下，為保證封膠效果，金屬件上與封膠相關(guān)尺寸的公差不得大于0.1 mm。檢測(cè)得出，外套垂向高度為119.5～119.6 mm，其公差符合封膠控制要求，故首先將外套封膠方式由原來(lái)的徑向封膠改為垂向封膠，具體更改方式為在下模體與外套配合位置增加一圈過(guò)壓（封膠）臺(tái)階，如圖11所示。

3.3.2 U形槽底部和圓弧過(guò)渡處

模具與金屬件配合過(guò)盈量為0.3～0.5 mm時(shí)，封膠效果較好。本研究一系彈簧垂向封膠的難點(diǎn)在于，在保證外套端部過(guò)盈量為0.3～0.5 mm的基礎(chǔ)上，同時(shí)保證外套U形槽四周共6處圓弧過(guò)盈量至少為0.3 mm。按照外套上端面和U形槽底部高度方向過(guò)盈量一致的設(shè)計(jì)原則，模具圓弧半徑分別設(shè)計(jì)為10.65和25.75 mm，如圖12所示。

3.3.3 模具結(jié)構(gòu)

分型面處泄壓是因?yàn)閮砂昴Ｄp導(dǎo)致配合間隙變大引起的，要徹底消除分型面處的粘接失效，需要對(duì)模具結(jié)構(gòu)做較大改進(jìn)，將原來(lái)的兩瓣模結(jié)構(gòu)改為整體模結(jié)構(gòu)，使外套端面不再有分型面。原有的分型設(shè)計(jì)是為了保證U形槽處內(nèi)扣模芯能順利出模，修改設(shè)計(jì)后將該內(nèi)扣模芯設(shè)計(jì)成小鑲條，如圖13所示。

從圖13可以看出：小鑲條與整體模芯分型面在外套端面包膠的中間位置，不影響整體式封膠臺(tái)階對(duì)外套端面的封膠效果；同時(shí)巧妙利用小鑲條做為頂出結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)頂出，避免產(chǎn)品出模損壞。

改進(jìn)后外套端面包膠結(jié)構(gòu)如圖14所示。

改進(jìn)后一系彈簧批量生產(chǎn)產(chǎn)品合格率見(jiàn)表1。

表1 改進(jìn)后一系彈簧批量生產(chǎn)產(chǎn)品合格率Tab.1 Batch production qualification rates of improved primary springs

從表1可以得出，采用3種改進(jìn)措施以后，一系彈簧外套均粘接良好，產(chǎn)品生產(chǎn)連續(xù)，外觀質(zhì)量可控，徹底解決了一系彈簧橡膠與金屬粘接失效的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著粘接理論的發(fā)展，對(duì)橡膠-金屬?gòu)?fù)合制品粘接失效原因的認(rèn)知越來(lái)越深入，粘接失效原因分析逐漸系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化。以往對(duì)硫化壓力小造成粘接失效多為定性分析，本研究借助硫化仿真技術(shù)，對(duì)模腔壓力進(jìn)行定量分析，以直觀獲得模腔壓力大小，從而明確粘接失效原因，同時(shí)可快捷驗(yàn)證改進(jìn)方案對(duì)硫化壓力的提升情況，有利于解決因硫化壓力小而導(dǎo)致的粘接失效問(wèn)題。