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金属橡胶自动成型工艺研究


金属橡 胶 自动成 型工 艺研 究  
口 李明森  口 张文群  口 吴新跃 
武汉

★ 

口 张

萌 

海 军 工 程 大 学 船 舶 与 动 力学 院

4 0 3  30 3



要:以细不锈钢 丝为原材料 , 经特 定工艺制成的金属橡胶 构件具有优 良的非线性机械性能 , 减振 、 在 密封等领域 

有 很 大 的应 用优 势 。 究 了金 属 橡 胶 的 自动 成 型 工 艺和 成 型过 程 所 需 的 设 备 , 点 是 铺 设 机 床 的 研 制 和 自动铺 设 工 艺 的  研 重 实现 。 高 了材 料 的 成 型 工 艺 水 平和 制作 效 率 。 提   关键词 : 属橡胶 金 中 图分 类 号 :F 2 T I  成 型 工 艺  自动  文 献标 识 码 :   A 文 章 编 号 :0 0— 9 8 2 0 )5 0 5— 3 10 4 9 (0 9 0 —0 5 0  

1 金 属 橡 胶 成 型 工 艺 概 述   
金 属橡 胶 技 术起 源 于 2 世纪 6 年 代 的前 苏联 ,   O 0 经 过 4 余 年 的 发 展 , 罗 斯 在 该 领 域 已处 于 领 先 水 平 。 O 俄 金  属 橡 胶作 为 新 型 的阻 尼 材料 …, 要 应 用 于高 、 温 , 主 低   强 腐 蚀 等 恶 劣 环 境 下 工 作 的 减 振 、 封 、 声 及 节 流 过  密 吸 滤 等 结 构 件 中 。 属 橡 胶 技 术 在 2 世 纪 9 年 代 末 引 入  金 0 0 我 国 , 现 在 虽 然 才 l 年 左 右 时 间 , 是 由 于 金 属 橡 胶  到 O 但
材 料 的 良 好 机 械 性 能 和 优 良 的 环 境 适 应 性 , 国 防 和  在

量的稳定。   2 原 材 料 的选 取 
金 属 橡 胶 是 一 种 匀 质 的 弹 性 多 孔 物 质 , 材 料 为  原
各 种 牌 号 的 不 锈 钢 金 属 丝 。 线 牌 号 根 据 金 属 橡 胶 的  丝

工 作 条 件 、 境 温 度 、 蚀 性 介 质 的 存 在 状 况 、 荷 特  环 侵 载 征 等 条件决 定 。 通 常 环境 温度 下 , 无 侵 蚀性 条件存  在 若 在 , 般 采 用 3 C Mn i 2 或 5 c V 等 牌 号 金 属 丝 ; 一 O r sNiA O rA   而 在 高 温 和 侵 蚀 性 介 质 中 工 作 的 金 属 橡 胶 元 件 , 采  则 用 O r 8 9 i 1 r 8 9 i GH3 GH2 O 奥 氏 体 不  C l NiT 、 C l NiT 、 5、 2 等 锈 钢 金 属 丝 作 为 原 材 料  1所 用 丝 线 直 径 依 据 制 品 尺   。
寸 和载 荷条 件 决定 , 用00 多 . 5~0 3   . 0mm 的 丝 线 。 文   本 选 取 了 牌 号 为 1 r8 9 i直 径 为 0 0  C l NiT , . 5mm、 . 0 mm 、 0 1    0 3  . 0mm 的 丝 线 作 为 成 型 试 验 用 原 材 料 。  

民用 设 备 中 得 到 了越 来 越 广 泛 的 应 用 。   金 属 橡 胶 材 料 的 制 作 工 艺 是 该 技 术 得 以 推 广 的基  
础 , 据 金 属 橡 胶 构 件 的性 能 要 求 和 工 作 环 境 , 确 合   根 正 理地 选 择 丝线 材 料 和加 工 工艺 路 线 至关 重 要 。 属橡  金

胶 完 整 的成 型 过 程 ( 图 1 示 ) 主 要 包 括 原 材 料 的选   如 所 : 取 等 6 步 骤 , 中影 响 构 件 机 械 性 能 的 步 骤 主 要 是 丝   个 其

线 材 料 的 选 取 和 毛 坯 件 的 铺 设 ; 定 最 终 构 件 尺 寸 和  决
相 对 密 度 的 步 骤 主 要 是 将 毛 坯 件 置 于 特 定 模 具 中 压 制 

3 金属橡 胶螺旋卷的绕制及绕线机 的研制 
螺旋 卷 的绕 制是 金 属 橡 胶成 型工 艺 的关 键 之 一 ,   螺 旋 卷 质 量 的 好 坏 , 系 到 制 成 构 件 性 能 的优 劣 。 制  关 绕 过 程 对 工 艺 要 求 有 两 点 , 是 对 丝 线 的 损 坏 应 尽 量 地  一 小 , 少 对 原 材 料 的 磨 损 , 利 于 保 持 丝 线 本 身 的 弹 塑  减 有

成 型 , 构 件 用 于 密 封 , 要 用 聚 四 氟 乙 烯 或 铜 皮 对 毛  若 需
坯 外表 面做包 覆处 理 。  

H 卜    
▲图 l  

外 表 包覆   ( 密封 件 )  

性 , 长使 用 寿命 ; 是绕 制 出的螺 旋 卷应 螺 距 均匀 , 延 二  
线 匝 中 径 尽 量 一 致 , 能 保 证 构 件 性 能 的 稳 定 。 文 自  才 本 行 研 制 成 功 的 螺 旋 卷 缠 绕 机 , 绕 制 出 高 质 量 的 满 足  能
各 种尺 寸要 求 的螺旋 卷 。 2 绕线机 的实物 图 。 图 是  

我 国 的 江 洪 源 【1 吕 克 法   1 作 了 金 属 橡 胶 成 型   2、 等

工 艺 的 研 究 , 是 国 内 到 目前 为 止 还 没 有 关 于 自动 化   但 成 型工 艺 的报 告 。 满足 通 用 金属 橡 胶构 件 的制作 要  为
求 , 文 就 成 型 工 艺 的 前 5 步 骤 展 开 了 研 究 , 现 了  本 个 实

对 于 金 属 橡 胶 , 同丝 线 直 径 和 不 同 螺 旋 卷 中径 , 不   都会 对 构 件 整体 产 生 重要 的影 响 。 旋 卷线 匝 的 中径  螺


般 在 5~l 倍 丝 线 直 径 范 围 之 内选 取 … , 机 器 要 实   5 此

各 成 型步 骤 的 机器 化 。 别对 制 作 工 艺 流程 中毛坯 件  特 的铺 设作 了深 入研 究 , 制 出 了能 按设 计 的路 径铺 设  研
螺 旋 卷 的 自动 铺 设 机 床 , 现 了铺 设 工 艺 的 自动 化 , 实 有  效 提 高 了 成 型 效 率 , 省 了 大 量 的 人 力 , 证 了 成 型 质  节 保
★中国博士后科学基金资助项 目( 编号 :0 74 0 2 ) 20 0 19 8  收稿 日期 :0 8 O 2 0 年1月 

现绕 制不 同内径 的螺旋 卷 只需更 换 相应 直径 的绕线 芯  轴 即 可 实 现 。 外 , 旋 卷 绕 制 过 程 , 以 芯 轴 为 模 型  另 螺 仅
逐 圈 绕 制 , 有 对 丝 线 辊 压 , 除 了螺 旋 卷 绕 制 过 程 对  没 消

丝线材 料 的磨损 , 高螺旋 卷 的绕 制质 量 。 提   利 用 调 试 好 的 绕 线 机 , 功 绕 制 了 丝 线 直 径 为  成
0 0 0 1 0 3   , 旋 卷 中 径 分 别 为 0 8、 . 1 5 . 5、 . 0、 . 0 mm 螺 . 1 0、 .  

墨 机 制 4卷 S 期   械 造7   a   T

7 / 回  .¥ 0 0 9

mm 的 螺 旋 卷 ( 图 3 示 ) 检 验 了 机 器 运 行 的 安 全 性   如 所 ,
和 可靠性 。  

卷 按 一 定 的 规 律 挂 在 细 针 上 , 环 运 行 实 现 毛 坯 件 的  循 铺设。  
52 . 压 线 定 位 的铺 设 方 式 

4 螺旋 卷 的定 距 拉伸 
绕制 好 的螺 旋卷 , 铺 设 毛坯 之前 要 对其 进 行定  在 距拉 伸 , 构件 在压 制 成 型后 , 匝 间能有 效 地嵌 合 。 使 线   由文 献 【 ] , 伸 后 的 螺 旋 卷 , 距 与 线 匝 中 径 相 等  1知 拉 螺

压 线 定 位 铺 设 方 式 ( 图6 示 ) 同 时 向旋 转 的 芯  如 所 ,

轴 铺 放 两 股 螺 旋 卷 , 股 螺 旋 卷 通 过 摆 动 空 心 导 杆 的  一
来 回运 动 , 合 芯 轴 的旋 转 运 动 , 现 在 芯 轴 上 的 波 浪  结 实

形 铺 设 ; 一 股 螺 旋 卷 通 过 固定 空 心 导 杆 , 步 绕 在 旋  另 同 转 的芯 轴 上 , 在 波 浪 形 螺 旋 卷 的 上 层 , 止 波 浪 形 螺  压 防
旋 卷 的 杂 乱 分 布 , 证 螺 旋 卷 总 体 的规 律 分 布 。 保  

能 使 构 件 丝 线 间 的 啮 合 状 况 最 好 , 使 最 后 毛 坯 压 制  并
时 的体积稳 定性最 高 。 于手 工拉伸 螺旋 卷 , 距不稳  由 螺 定 , 伸 质 量 不 高 , 文 研 制 了 螺 旋 卷 拉 伸 机 ( 图4   拉 本 如 所 示 ) 采 用 校 准 孑 进 行 自 动 拉 伸 。 螺 旋 卷 穿 过 一 个 比  , L 让 它外 径相对 小 的细孔 , 现螺 旋卷稳 定 的等距拉 伸 ,   实 在 螺 旋 卷 的 拉 伸 环 节 , 证 了 相 同 型 号 成 品 构 件 性 能 的  保 统 一 性 。 准 孔 的 大 小 可 调 , 以满 足 不 同 尺 寸 螺 旋 卷  校 可 的拉 伸 要 求 。  

5 金属橡胶毛坯件的铺设及铺设机床的研制 
毛 坯  是 指 根 据 零 件 或 产 品 所 要 求 的 形 状 、 艺  工
尺 寸 等 制 成 的 , 提 供 进 一 步 加 工 用 的 生 产 对 象 。 属  为 金 橡 胶 毛 坯 件 的 制 作 , 将 拉 伸 好 的 螺 旋 卷 按 一 定 的 规  是 律 和要 求铺 设 在特 殊 的模 具 上 。 择 正 确 的毛坯 铺设  选 方 式 是 影 响 金 属 橡 胶 构 件 性 能 的 关 键 步 骤 之 一 。 果  如 选 材 和 毛 坯 铺 设 方 式 不 正 确 , 造 成 构 件 性 能 达 不 到  会 预 期 要 求 , 产 品 质 量 低 劣 、 生 早 期 失 效 , 而 给 金  或 发 从 属 橡 胶 的 进 一 步 研 究 和 推 广 应 用 带 来 困 难 。 据 构 件  根
5 3 . 两 种 铺 设 方 式 的 比 较 

用针式 模具 和筒式模 具铺 设 金属橡胶 的毛坯件各 

有 优 缺 点 , 生 不 同 的铺 设 效 果 。 产  
1 采 用 针 式 模 具 铺 设 定 位 准 确 , 坯 件 螺 旋 卷 分  ) 毛 布 条 理 清 楚 , 件 压 制 成 型 后 线 匝 分 布 非 常 规 则 ; 线  构 压 定 位 方 式 螺 旋 卷 分 布 虽 然 有 一 定 规 律 , 和 针 式 定 位  但 相 比, 较杂乱 , 坯件 的高 度 麒 值 不能 精确确定 。 比 毛  

的 形 状 、 用 条 件 和 用 途 等 要 求 , 属 橡 胶 毛 坯 件 有 多  使 金
种 不 同 的 铺 设 方 法 , 文 采 用 细 针 定 位 和 压 线 定 位 两  本

种 不 同 的 布 线 方 式 , 自行 研 制 成 功 的 自动 螺 旋 卷 铺   以 设 机 为 平 台 , 现 环 形 金 属 橡 胶 件 的有 效 铺 设 , 比较  实 并
分 析 它们 的优 劣 。  
5 1 细 针 定 位 的 铺 设 方 式  . 

2 针 式 模 具 毛 坯 高 度 不 容 易 改 变 , 要 更 换 不 同  ) 需 的 芯 轴 , 筒 式 模 具 毛 坯 高 度 改 变 方 便 , 要 调 整 摆 动  而 只
空 心 导 杆 运 行 宽 度 即 可 , 就 是 说 , 于 同 一 个  也 对 的 

模 具 , 式 模 具 只 能 铺 设 固 定  针
模 具 能 铺 设 不 同  的毛坯件 。  

值 的 毛 坯 件 , 筒 式  而

细 针 定 位 的铺 设 方 式 ( 图 5 示 )采 用 插 在 芯 轴  如 所 , 上 的两 圈细 针定 位 , 证 螺 旋 卷铺设 的确 定性 和 规律  保

3 用针式模 具铺 设 , 后压 制成 型的构 件 , ) 最 内部 线  匝 嵌 合 质 量 比较 高 , 筒 式 模 具 由 于 存 在 中 间 直 线 分   而 布 的螺 旋 卷 , 得 用 此 模 具 铺 设   使 比较 小 的 构 件 时 线 

性 。 设 过 程 中 , 轴 以 一 定 的 速 度 转 动 , 心 导 杆 与  铺 芯 空
芯轴 的转动相 协调 , 各 细针 间往 复穿梭 移动 , 螺旋  在 把

2 09/5 0  

机械制造4 卷 第 57 7 3 期 

[单5 ̄步 机 铺 构  1 A机 进 设   T 8 片 9 S 电 机
▲图7 铺 设 机 床 结 构 框 图 

▲ 图9 成 型 模 具 

. 图8 .  

00000 

O   器器  OO


铺 设机  

求 高 的 构 件 ; 操 作 简 便 的 筒 式 模 具 , 用 于 尺 寸 比较   而 适
大 、 性 能要求 宽 松 的构件铺 设 。 对  
54 . 自动 铺 设 机 床 的 设 计  

费式对存。压型 一 直线需的低入 O 匝不影略性放好I 0  线对响针中配模 间太要不能将毛 的比于构,制坯 综较模此 成 f 人具装,间套具 4好可计花铺件 分式大效 的  的性铺件 设 l )能以。 型 嵌铺具  成 上模量说 工不忽题 用,设率 布高尺来 的 所过寸  成,尺, 针设不、 合的寸较 的而 在要 述适 较 本筒比 模式 问 :合 小 针 具
铺 设 机 床用 于 自动完 成 金属 橡 胶 毛坯 件 的铺 设 ,   其主要组 成 部分如 图7 示 。 所   机 床 ( 图8 示 ) 用单 片 机 控制 步 进 电机 的转  如 所 采 动 , 动 螺 旋 卷 铺 设 机 构 的 精 确 运 行 , 现 铺 设 机 构 中  带 实

较 嵌比 _l 明匝量 o  高质   显 合I■   。 l , j     线

导 杆 的 来 回运 动 和 芯 轴 转 动 的 配 合 , 到 自 动 铺 设 毛  达 坯 件的 目的。 取 步进 电机作 动力 装 置 , 有效 控制 机  选 能 床 运行 的精 度及 调 整 电机 的 转动 速 度 和范 围 , 证 机  保
床 的 可 靠 性 , 时 增 加 了 机 器 的适 用 范 围 , 实 现 铺 设   同 要

不 同 尺 寸 标 准 的 构 件 , 要 调 节 驱 动 程 序 的 参 数 和 更  只 换 相 应 尺 寸 的模 具 芯 轴 即 可 。  
5 5 毛 坯 件 铺 设 参 数 的 确 定  .

毛 坯 件 的 铺 设 参 数 包 括 所 需 螺 旋 卷 的 质 量 m、 毛  坯 的 高 度  和 螺 旋 卷 的铺 设 角 度   , 些 参 数 值 的选   这 和丝  取将 影响构 件 的机械 性能 和成 型后构 件质 量 的好坏 。   对 于 具 体 的构 件来 说 , 件 的外 形 尺寸  构
由 构 件 的 相 对 密 度   确 定 , 们 的关 系 为 : 它  
m = -     () 1 

线 密 度 p 是 固 定 的 , 作 过 程 所 需 螺 旋 卷 的 质 量 m    制

毛 坯 的 高 度 和 螺 旋 卷 的 铺 设 角 度 将 影 响 构 件 压 制 
成 型后 线 匝 嵌 合 质 量 的好 坏 , 于 细 针 定 位 铺 设 方 式 , 对  

铺 设 角 度  便 于 确 定 一 个 固 定 值 , 际 制 作 过 程 中 发  实 现 口=4 。 金 属 丝 线 匝 间 的 嵌 合 效 果 最 佳 。 5时   而 对 于 压 线 定 位 方 式 , 于 波 浪 形 螺 旋 卷 的铺 设   由 路 线 无 法 准 确 确 定 , 外 还 要 综 合 考 虑 中 间 定 位 用 的  另 螺 旋卷 在构件 压 制过程 中的作用 , 合制 取 经验得 到 , 结   当  大 于 l 倍 的 螺 旋 卷 线 匝 中径 D, 波 浪 形 螺 旋 卷   0 且 的 波 长 小 于振 幅 时 , 制 出 的 构 件 螺 旋 卷 分 层 现 象 不   压

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