水润滑橡胶轴承模压硫化成型尺寸精度控制研究

周广武

（四川大学空天科学与工程学院，四川 成都 610065）

制造工艺

水润滑橡胶轴承模压硫化成型尺寸精度控制研究

周广武

（四川大学空天科学与工程学院，四川 成都 610065）

随着新材料、新工艺的不断出现，舰船推进系统对水润滑橡胶轴承尺寸精度和表面质量提出了越来越苛刻的技术要求。针对水润滑橡胶轴承精密硫化成型制造尺寸精度问题，分析了轴承硫化成型工艺，研究了模芯和轴承脱模前后的热变形规律，提出了一种水润滑橡胶轴承模压硫化精密成型模具设计方法。实验结果表明，利用该方法设计的模芯，通过精密模压硫化成型工艺，能够很好地控制水润滑橡胶轴承几何尺寸精度，避免二次磨削加工破坏轴承工作界面性能，为提高水润滑轴承产品质量和工作性能提供了新方法。

水润滑轴承；橡胶；模压；硫化成型

水润滑橡胶轴承是一种用橡胶复合材料替代传统金属材料作为传动件工作界面，用自然水替代矿物油作为润滑介质的滑动轴承，具有无污染、节能减排、减振降噪等优点，已广泛应用于船舶、水轮机、汽轮机等装备［1-3］。近年来，随着高分子复合材料工业的发展，新材料、新工艺不断出现，高端装备对水润滑橡胶轴承的尺寸精度、表面质量和摩擦学性能等要求越来越苛刻［4-6］。

水润滑橡胶轴承制造过程中，通过粘结剂以及模压硫化工艺使橡胶复合材料与水润滑轴承外壳粘接在一起，并且轴承润滑结构通过模芯的几何形状成型而成［7］。在轴承模压硫化成型工艺中，橡胶衬层几何尺寸精度难以控制。常用的方法是设计尺寸较小的模芯，轴承经过硫化过程后，得到内径较小的橡胶衬层，然后通过磨削加工方法，获得设计要求的尺寸精度［8］。但是，硫化过后的橡胶复合材料经过磨削加工后，橡胶致密的表面层遭到了破坏，其力学性能受到严重影响。同时，二次加工后的橡胶表面粗糙度没有直接硫化后得到的表面光滑。而表面粗糙度对水润滑橡胶轴承润滑性能影响显著，研究表明较小的表面粗糙度，有利于提高水润滑橡胶轴承的润滑性能，能减小摩擦磨损，降低振动噪声［9-11］。

基于此，本文通过分析水润滑橡胶轴承模芯热变形分布，以及轴承橡胶衬层脱模前后热胀冷缩引起的尺寸变化，提出水润滑橡胶轴承模压硫化精密成型模具设计方法，实现轴承产品成型后橡胶衬层一次性达到设计要求的尺寸精度，避免二次磨削加工破坏轴承工作界面，对提高轴承产品质量具有重要的科学意义和工程实用价值。

1　模压硫化成型工艺分析

水润滑橡胶轴承外壳为海军黄铜，内衬为橡胶复合材料，通过精密模压硫化成型工艺制造而成，其制造过程是将模具和模芯加热到一定温度，再将橡胶复合材料注入到模具型腔（如图1所示），然后将模具闭合，经过一定的硫化压力、温度和时间后完成硫化反应。硫化完成后，将轴承从模具中脱出，进行轴承精加工，包括轴承外径精加工和端面切削。针对不同规格尺寸的水润滑橡胶轴承，选用不同的硫化压力、温度和时间。其中硫化温度对水润滑橡胶轴承成型过程中模芯以及轴承硫化成型脱模后产品的尺寸变化影响较大，通常硫化温度为150～180℃范围内。考虑到轴承橡胶衬层工作面表面粗糙度以及橡胶复合材料成型后的界面工作性能，后续不再对其进行二次机械加工。为了保证水润滑橡胶轴承橡胶衬层的尺寸精度，根据水润滑橡胶轴承硫化成型工艺，需要对模芯和轴承内衬进行热变形分析，确定模芯的结构尺寸及加工精度。

图1　模具结构

2　轴承硫化过程中热变形分析

利用ANSYS Workbench有限元软件建立模芯热分析模型，得到模芯的热变形量。进一步，根据模芯变形量，建立水润滑橡胶轴承热分析模型，研究水润滑橡胶轴承橡胶衬层的变形分布。

2.1材料参数

模芯为结构合金钢，密度7 850 kg/m3，热膨胀系数1.2×10-5/℃，杨氏弹性模量200 GPa，泊松比0.3；外壳为海军黄铜，密度8 500 kg/m3，热膨胀系数2.06 ×10-5/℃，杨氏弹性模量101 GPa，泊松比0.33；衬层材料为橡胶复合材料，密度1 500 kg/m3，热膨胀系数1.21×10-4/℃，杨氏弹性模量7.8 MPa，泊松比0.47.

2.2几何模型

本文分析的水润滑橡胶轴承几何结构参数如表1所示。模芯和轴承几何模型分别如图2和图3所示。

表1　水润滑橡胶轴承几何结构

图2　模芯几何模型

图3　水润滑橡胶轴承几何模型

2.3网格划分和边界条件

模芯和轴承均为不规则几何形状，采用四面体单元。由于水润滑橡胶轴承外壳和橡胶衬层通过硫化粘结而成，故外壳内表面和橡胶外表面接触的部分采用绑定边界条件。模芯和轴承下表面均采用轴向方向的位移约束。模芯从室温变化到加热的温度，即初始温度设置为22℃，最终温度为180℃.轴承从硫化温度到脱模冷却后的室温，即初始温度设置为180℃，最终温度为22℃.

2.4结果分析与讨论

图4为模芯热变形云图。为了方便得到模芯的径向尺寸变化量，建立局部柱坐标系XYZ，从图4中，可以看到模芯的工作面径向尺寸变化较大，径向变形量为0.114 7 mm，即模芯工作面尺寸从115 mm变为115.229 mm，并且分布比较均匀。模芯的其他部位径向尺寸变化较小，并且对轴承橡胶衬层几何尺寸影响较小。

图4　模芯热变形分布（径向方向）

根据模芯的径向变形量，得到硫化过程中轴承橡胶内径尺寸为115.229 mm.建立水润滑橡胶轴承硫化结束时的有限元模型，分析轴承脱模前后的热变形量。图5为轴承脱模前后径向方向的热变形云图。从图中可以发现，橡胶衬层工作面向外收缩，径向尺寸变大0.027 mm，即水润滑橡胶轴承内径尺寸变为115.283 mm.轴承外壳外径尺寸向内收缩，径向尺寸变小约0.221 mm.轴承两端面橡胶衬层3～5 mm处的径向变形与中间部位相反，变形量为-0.02～-0.12mm左右，因此在精加工轴承外径和端面时，必须切除硫化后轴承的两端（轴向尺寸约5 mm），才能保证水润滑橡胶轴承内径尺寸的一致性。

图5　轴承脱模前后热变形分布（径向方向）

工程实际中，在零件制造过程中，不可能加工出一个绝对准确的尺寸。在满足设计要求的条件下，允许有一定的尺寸公差。上述分析的是模芯和轴承的名义尺寸，研究表明，在名义尺寸下的公差范围内，模芯和轴承的径向变形量略有变化，但变化较小，可以忽略不计。本案例要求制造出水润滑橡胶轴承内径尺寸为15mm，根据上述分析结果，名义尺寸的模芯制造出的轴承内径为115.283 mm，即尺寸变化为0.283 mm，则模芯的工作面尺寸应设计为115.选用标准公差，最后得到的模芯的工作面尺寸为115e9.

3　实验验证

加工水润滑橡胶轴承模芯，实际测量模芯工作面尺寸为114.91 mm.通过精密模压硫化成型制造出的水润滑橡胶轴承如图6所示。由于水润滑轴承橡胶衬层为弹性材料，工程实际中，通常采用通规和塞规进行水润滑轴承内径尺寸测量。选用通规尺寸为115.1 mm，塞规尺寸为115.2 mm.分别对加工后的水润滑橡胶轴承进行测量，测量结果表明通规能够顺利通过，塞规不能通规，即水润滑轴承内径尺寸为115范围内，满足设计要求。

图6　水润滑橡胶轴承实物

4　结束语

本文分析了水润滑橡胶轴承硫化成型工艺，通过研究模芯和轴承脱模前后的热变形分布规律，提出了一种水润滑橡胶轴承模压硫化精密成型模具设计方法，并得到了实验验证。以上研究和分析表明，利用该方法精确设计的模芯，通过一次性精密模压硫化成型工艺，制造出满足要求的水润滑橡胶轴承几何尺寸精度，避免了二次磨削加工破坏轴承工作界面性能，从而提高了水润滑轴承产品质量和工作性能。

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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

中央高校基本科研业务费资助项目（2014SCU11009，SCU 2015D014）

周广武（1984-），男，湖南郴州人，博士，讲师，主要从事界面力学、传动摩擦学研究。