橡膠金屬制品融痕的產(chǎn)生原因及解決方案探討

房棟，喬盼，馬宗斌，孫軍平

(青島博銳智遠(yuǎn)減振科技有限公司，山東 青島 266031)

0 引言

融痕，也作“ 硫痕、接痕、融縫” 等，是一種在橡膠制品生產(chǎn)中常見的外觀缺陷，其本質(zhì)是產(chǎn)品表層膠料的融合不良。融痕問題帶來(lái)的最大風(fēng)險(xiǎn)在于：其在肉眼觀察下有時(shí)并不明顯，還經(jīng)常會(huì)與生產(chǎn)過程中意外產(chǎn)生的其他痕跡混淆，因而會(huì)造成質(zhì)量人員的漏檢、錯(cuò)檢。出現(xiàn)融痕的產(chǎn)品若沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，或不經(jīng)充分驗(yàn)證即判定為合格品發(fā)貨，在使用中很可能發(fā)展為裂口并逐漸擴(kuò)大，造成嚴(yán)重的質(zhì)量事故。因此，對(duì)于融痕問題不僅要研究其產(chǎn)生原因、解決措施，還要明確其判定標(biāo)準(zhǔn)和方法，避免漏檢的同時(shí)也要避免將良品作為問題產(chǎn)品報(bào)廢。

對(duì)于純橡膠制品，融痕問題的產(chǎn)生原因一般與膠料配方及硫化工藝有關(guān)，解決方法也相對(duì)簡(jiǎn)單：優(yōu)化膠料配方、更改膠料填裝方式、降低硫化溫度、減少脫模劑用量等常用措施均可起到明顯效果[1]。但對(duì)于橡膠- 金屬?gòu)?fù)合制品，由于存在金屬骨架及膠黏劑的因素，融痕問題的產(chǎn)生原因則比較復(fù)雜，還需要在不影響到橡膠- 金屬黏接及產(chǎn)品力學(xué)性能的前提下進(jìn)行解決，往往需要從膠料配方、硫化工藝及模具結(jié)構(gòu)等多方面入手[2]。因此本文也將著重以幾種典型的橡膠金屬制品為例，來(lái)探討融痕問題的判定標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)生原因及解決方案，供硫化工藝人員參考。

1 融痕問題的一般判定方法及標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于融痕的檢查、判定—— 尤其是從劃痕等其他痕跡中區(qū)分出融痕，并無(wú)明確可參考的標(biāo)準(zhǔn)、理論。在未出現(xiàn)明顯開裂的情況下，即使經(jīng)驗(yàn)豐富的檢查人員也很難進(jìn)行明確的判定（如圖1）。筆者通過大量的實(shí)物對(duì)比，結(jié)合實(shí)際檢查經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了以下規(guī)律：

圖1 典型融痕與普通硫化痕跡的特征區(qū)別

（1）融痕的界線分明，線條如刀割一般；而普通痕跡界線模糊，線條毛糙。

（2）融痕的兩側(cè)膠料之間存在明顯色差，徒手擦拭或用布蘸取有機(jī)溶劑擦拭均不能抹掉；而普通痕跡兩側(cè)膠料一般無(wú)色差，或是色差經(jīng)擦拭后會(huì)消失。

（3）融痕的兩側(cè)膠料周圍在按壓、摩擦?xí)r手感不一致，顏色較深一側(cè)往往會(huì)感覺膠料滑膩且發(fā)硬、發(fā)脆，另一側(cè)正常；而普通痕跡兩側(cè)膠料在按壓、摩擦?xí)r手感一致。

（4）用硬物用力按壓融痕兩側(cè)橡膠，可能導(dǎo)致融痕開裂；普通痕跡則不會(huì)開裂。

2 融痕問題的產(chǎn)生原因及解決方案

融痕的本質(zhì)就是產(chǎn)品表層膠料的融合不良，除去膠料本身配方不合理導(dǎo)致融合性差的因素外，造成這一情況的原因主要還有以下兩點(diǎn)；

（1）模具表層的脫模劑、油污等在膠料填充過程中被膠料沖刷，并匯集于料流前端，在兩股料流融合時(shí)起了“ 隔離劑” 的作用，造成膠料融合不良。

（2）因硫化工藝或模具結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致膠料填充過程中部分膠料過早焦燒[3]，填充完成后相互間融合不良。過早焦燒的膠料一般在融痕兩側(cè)膠料中呈現(xiàn)為顏色較深的一側(cè)。

對(duì)于第一點(diǎn)原因，主要是生產(chǎn)管理問題，通過脫模劑規(guī)范使用、模具定期清理、工人技能培訓(xùn)等措施即可解決，本文不再贅述。而對(duì)于第二點(diǎn)原因，則需根據(jù)實(shí)際情況解決。首先是硫化工藝，重點(diǎn)是硫化溫度，必須參照膠料硫化曲線并結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理制定，保證充足的焦燒時(shí)間使膠料充滿型腔并相互融合[4]；如果使用注射機(jī)生產(chǎn)，還需設(shè)定合理的塑化工藝。一般來(lái)說，對(duì)于硬度較低（≤ShoreA 65）的膠料，在硫化工藝合理的情況下很少會(huì)發(fā)生融痕問題，而硬度較高的膠料則不然。這是因?yàn)橛捕容^高的膠料在注膠過程中自身生熱較快，前端膠料很容易發(fā)生焦燒，這就需要通過優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行解決?？刹扇〉拇胧┯袃?yōu)化注膠孔及流道、增加溢膠機(jī)構(gòu)、優(yōu)化封膠結(jié)構(gòu)等。下面將通過幾種典型的產(chǎn)品融痕解決案例對(duì)這些措施的原理及應(yīng)用方式進(jìn)行介紹。

2.1 通過優(yōu)化注膠孔及流道解決融痕問題

對(duì)于采用注膠方式（包含注壓、轉(zhuǎn)注、注射等方式）填裝膠料的產(chǎn)品，膠料在流經(jīng)流道及注膠孔時(shí)會(huì)受到不同程度的摩擦及剪切。尤其是一些因工藝原因開設(shè)的直（銳）角結(jié)構(gòu)、臺(tái)階結(jié)構(gòu)，雖然對(duì)膠料有較明顯的混勻、翻煉效果，但是增加了膠料流動(dòng)的阻力，帶來(lái)了嚴(yán)重的剪切、摩擦作用，導(dǎo)致膠料生熱過快。如果膠料硬度偏高，則極易在產(chǎn)品末端產(chǎn)生融痕。對(duì)于這類產(chǎn)品，首先應(yīng)對(duì)流道和注膠孔進(jìn)行優(yōu)化，包括并不限于：擴(kuò)大注膠孔、消除臺(tái)階結(jié)構(gòu)、對(duì)直（銳）角結(jié)構(gòu)導(dǎo)圓角、增加存料槽等，如圖2 所示。

圖2 應(yīng)對(duì)融痕問題的注膠孔及流道優(yōu)化方式

以圖3(a) 所示的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品為例，該產(chǎn)品橡膠層開有四個(gè)缺口，在硫化時(shí)需配置四塊模芯，會(huì)極大的影響橡膠自然流動(dòng)。其所用膠料為硬度ShoreA 69 的天然橡膠，采用注射工藝，預(yù)設(shè)4 個(gè)注膠孔。在開發(fā)階段經(jīng)常在產(chǎn)品底部出現(xiàn)融痕如圖3(b)，調(diào)整塑化工藝、降低硫化溫度后也不能消除。為此，我們以圖2 展示的方式對(duì)其模具的注膠孔及流道進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化前后的注膠過程分別進(jìn)行了模流分析，[5]圖3(c)、(d)。分析結(jié)果顯示：膠料流動(dòng)前沿溫度最高的區(qū)域恰好位于融痕發(fā)生位置，而模具優(yōu)化后的膠料流動(dòng)前沿溫度比優(yōu)化前降低了5 ℃左右。根據(jù)硫化理論推算焦燒時(shí)間可隨之延長(zhǎng)1 min 左右[6]，大大降低了出現(xiàn)融痕的風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)經(jīng)此優(yōu)化后，該節(jié)點(diǎn)再無(wú)融痕問題發(fā)生。

圖3 節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品優(yōu)化注膠孔及流道后流動(dòng)前沿溫度對(duì)比

對(duì)于一些膠料硬度較高且用膠量較大的產(chǎn)品，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)允許的情況下，將膠料填裝方式由注膠改為模壓也是一種應(yīng)對(duì)融痕問題的有效方式，其原理與優(yōu)化注膠孔及流道類似。模壓制品膠料流動(dòng)少，也不會(huì)經(jīng)過注膠機(jī)構(gòu)的剪切、摩擦生熱，因而融痕問題發(fā)生概率大大減少。大用膠量的制品若注膠時(shí)間太長(zhǎng)，也建議采用模壓成型的方式。但對(duì)于一些膠料硬度極高（≥ShoreA 75）的產(chǎn)品，即使采用模壓方式也可能產(chǎn)生融痕。這是因?yàn)槟z料過硬，自身融合性就不好。應(yīng)對(duì)這種情況，要采用合理的填膠方式，避免膠坯接頭露在產(chǎn)品外側(cè)。圖4 為一種橫向止擋（膠料硬度ShoreA 80）的幾種填膠方式，正確的方式是讓外側(cè)呈一平滑面，避免接頭外露，當(dāng)采取錯(cuò)誤的填膠方式時(shí)，就極易出現(xiàn)融痕。

圖4 高硬度模壓制品膠料填裝方式

2.2 通過增加溢膠機(jī)構(gòu)解決融痕問題

增加溢膠機(jī)構(gòu)的實(shí)質(zhì)并不是解決膠料的融合問題，而是將融合不良的膠料引入模具附屬機(jī)構(gòu)及空隙中，作為余膠、飛邊在后工序修剪掉，讓融合良好的膠料填充產(chǎn)品本體。由于溫度最高的部分一般位于料流最前端，所以只要溢膠機(jī)構(gòu)開設(shè)位置合理，很容易達(dá)到這一目的。這一方法在橡膠彈簧墊及止擋類產(chǎn)品上最為常用，因?yàn)樵擃惍a(chǎn)品橡膠層通常為圓形或其他規(guī)則形狀，注膠孔均勻布置，膠料流動(dòng)也較為均勻，對(duì)溢膠機(jī)構(gòu)的開設(shè)位置也就相對(duì)好把握。如圖5 所示，對(duì)一圓環(huán)形橡膠層的模流分析顯示，其熔接線均勻分布于注膠孔之間。在模具設(shè)計(jì)階段就可以在這些位置開設(shè)溢膠孔及溢膠槽，也可以設(shè)計(jì)分型面（如哈弗結(jié)構(gòu)），就能避免融痕的出現(xiàn)。其他具有對(duì)稱橡膠層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品都可以依此進(jìn)行注膠孔的布置，并推算溢膠孔的位置。

圖5 圓環(huán)橡膠層注膠熔接線及溢膠機(jī)構(gòu)示意圖

即使對(duì)于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱或模流分析結(jié)果不準(zhǔn)確的產(chǎn)品，在出現(xiàn)融痕問題后，增加溢膠機(jī)構(gòu)也是一個(gè)行之有效并可廣泛應(yīng)用的補(bǔ)救解決措施。如圖1 展示的融痕問題，出現(xiàn)在一種止擋產(chǎn)品的金屬骨架包膠區(qū)域如[（圖6(a)]。該區(qū)域由于存在非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的金屬骨架，因此無(wú)法準(zhǔn)確判斷膠料流動(dòng)規(guī)律。在開發(fā)階段發(fā)現(xiàn)融痕問題后，對(duì)其模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化—— 調(diào)整了分型面的位置并增加了溢膠槽，[ 圖6(b)]。這樣使原本形成融痕的料流從分型面溢出并進(jìn)入溢膠槽，由內(nèi)部融合較好的膠料填充型腔，順利解決了融痕問題。

圖6 增加溢膠機(jī)構(gòu)解決止擋產(chǎn)品融痕問題

2.3 通過優(yōu)化封膠結(jié)構(gòu)解決融痕問題

增加溢膠機(jī)構(gòu)能夠解決大部分產(chǎn)品的融痕問題，但應(yīng)用不當(dāng)也會(huì)帶來(lái)其他的衍生問題，如型腔內(nèi)部壓力降低、橡膠與金屬黏接不良等。尤其對(duì)于橡膠金屬制品，當(dāng)溢膠機(jī)構(gòu)開設(shè)在需要與金屬黏接的末端區(qū)域時(shí)，膠料的不斷溢出會(huì)對(duì)該區(qū)域黏合劑造成“ 沖刷”效果，帶走本已與橡膠發(fā)生初步反應(yīng)的黏合劑成分，如[ 圖7(a)] ；再加上膠料溢出引起的黏接壓力不足，最終可能在這些區(qū)域?qū)е隆?開膠” 現(xiàn)象，[ 圖7(b)]。另外，對(duì)于有力學(xué)性能要求的減振產(chǎn)品來(lái)說，過多的溢出膠料還會(huì)影響產(chǎn)品的剛度。有經(jīng)驗(yàn)的模具設(shè)計(jì)人員通常會(huì)在這種末端區(qū)域設(shè)計(jì)封膠結(jié)構(gòu)，如凸臺(tái)、密封筋等，但這又反過來(lái)影響了溢膠機(jī)構(gòu)的實(shí)際效果。因此，對(duì)橡膠金屬制品末端區(qū)域的封膠結(jié)構(gòu)優(yōu)化是徹底解決融痕問題的“ 最后一公里”。下面將通過一起典型的融痕問題解決案例，介紹封膠結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方式，并對(duì)前文所述各項(xiàng)措施進(jìn)行歸納。

圖7 膠料流動(dòng)對(duì)黏合劑的沖刷效果及導(dǎo)致的開膠現(xiàn)象

圖8(a) 展示的是一種典型的橡膠彈簧墊產(chǎn)品及其注膠模具結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品由上、下兩塊金屬板加中間橡膠層組成，其所用膠料硬度較高（ShoreA 72）、用膠量較大（約3 kg），且有嚴(yán)格的力學(xué)性能要求；該其注膠模具采用側(cè)面注膠設(shè)計(jì)，共有2 組（6 個(gè)）注膠孔，硫化溫度為150 ℃，結(jié)果出現(xiàn)了嚴(yán)重的融痕問題。在初步的解決方案中，我們將硫化溫度降至140 ℃，擴(kuò)大了注膠孔及流道，并如2.2 所述在兩側(cè)注膠孔的中間位置增開了6 組溢膠孔，融痕問題卻無(wú)法解決，甚至在注膠孔附近也會(huì)出現(xiàn)融痕，[ 圖8(b)]。這說明在采用注膠工藝的情況下，橡膠經(jīng)過流道與注膠孔的剪切和摩擦后會(huì)出現(xiàn)大范圍的焦燒現(xiàn)象，導(dǎo)致自身融合不良。

圖8 一種橡膠彈簧墊產(chǎn)品融痕問題

在初步方案的基礎(chǔ)上，我們將產(chǎn)品填膠方式由注膠改為模壓，如[ 圖9(a)]，融痕問題大大減輕，不再如圖[ 圖7(c)]、(d) 所示大面積出現(xiàn)，但卻在產(chǎn)品底部出現(xiàn)小塊的融痕，如[ 圖9(b)]。這說明通過注膠改模壓，橡膠自身基本的融合問題已經(jīng)解決。但由于模壓工藝是將膠胚自上而下進(jìn)行壓實(shí)，膠坯填滿型腔后剩余的多余膠料會(huì)緩慢地向模具下方流動(dòng)，而模具下方設(shè)計(jì)了封膠結(jié)構(gòu)，膠料無(wú)法溢出；又由于溢膠孔的存在，內(nèi)部的多余膠料也會(huì)向外側(cè)流動(dòng)，但因流速緩慢也不能全部從溢膠孔溢出。這兩個(gè)過程都會(huì)造成部分膠料輕微焦燒，并匯聚于最下方溢膠孔與產(chǎn)品底板的中間位置如圖[ 圖9(c)]，最終在此處形成小塊的融痕。

圖9 橡膠彈簧墊產(chǎn)品改為模壓生產(chǎn)后的融痕問題

為徹底解決融痕問題，我們對(duì)模具的封膠結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化。初始方案中設(shè)計(jì)了一個(gè)過盈的封膠凸臺(tái)，并且下模上平面比金屬骨架略低，如圖10(a)，使哈弗塊可壓緊骨架，將膠料完全封住。修改方案是將下模型腔加深，使下模上平面高于金屬骨架，并增加了開放式溢膠槽，如圖10(b) ；為保證一定的密封效果在溢膠槽與產(chǎn)品之間增加了V 型槽，它還能起到方便修邊的效果。這樣修改可使焦燒的膠料溢出，消除了融痕問題。但由于此處膠料流動(dòng)緩慢且膠料硬度較高，對(duì)膠黏劑的沖刷作用較強(qiáng)，V 型槽的密封效果也比封膠凸臺(tái)較差，導(dǎo)致產(chǎn)品末端包膠會(huì)出現(xiàn)“ 開膠” 現(xiàn)象。

圖10 橡膠彈簧墊模具封膠結(jié)構(gòu)優(yōu)化

進(jìn)一步的修改方案是使下模上平面與金屬骨架齊平，保留V 型槽和溢膠槽，并在溢膠槽外側(cè)增加封膠凸臺(tái)；同時(shí)對(duì)產(chǎn)品末端包膠增加了拔模斜度，如圖10(c)。在該方案中，V 型槽的作用主要是減緩溢膠速度，減小膠料對(duì)膠黏劑的沖刷作用，并便于后續(xù)的修邊工作；一定的拔模斜度也能夠減小膠料對(duì)膠黏劑的沖刷作用；密封凸臺(tái)則將溢出膠料徹底封死在溢膠槽內(nèi)，防止過度溢膠造成型腔壓力降低。這樣既能使多余的膠料順利溢出，又能保證末端包膠與金屬骨架間的黏接效果。通過該方案，我們也得到了黏接良好且橡膠表面狀態(tài)一致、無(wú)外觀問題的良好產(chǎn)品，完美解決了該橡膠彈簧墊產(chǎn)品的融痕問題。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)橡膠金屬制品的融痕問題，應(yīng)首先探索合理的檢驗(yàn)方法，保證不發(fā)生錯(cuò)檢、漏檢；然后制定合理的配方及硫化生產(chǎn)工藝，并加強(qiáng)生產(chǎn)管理，保證橡膠自身的融合；再對(duì)模具進(jìn)行針對(duì)性的結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化，最終在不產(chǎn)生其他衍生問題的前提下加以解決。

（2）上述分析的產(chǎn)品案例均為筆者在生產(chǎn)實(shí)踐中遇到，問題的解決方案經(jīng)過充分驗(yàn)證，方案的穩(wěn)定性也經(jīng)歷了量產(chǎn)的考驗(yàn)，取得滿意的效果。在同一硫化體系的框架下，這些融痕問題的分析方法和解決思路在應(yīng)對(duì)氣泡、裂口、黏接不良等其他問題時(shí)也具有借鑒意義，希望能對(duì)其他從業(yè)人員處理類似問題有所啟發(fā)。