超高分子量聚乙烯塑料基体负重轮轻量化技术研究_张志广.pdf

第 卷第 期 年 月塑料工业 新技术与产品开发超高分子量聚乙烯塑料基体负重轮轻量化技术研究张志广，倪斌庆，谢竞慧，曹 政，黄自华，郑 永，张亚新，曾 智（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲）摘要：针对履带式车辆负重轮的轻量化问题，提出以超高分子量聚乙烯（）塑料为基体制备复合材料负重轮，利用 分析软件对不同负重轮结构进行静力学仿真计算，冯米斯应力（应力）结果显示，轮辐式结构的最大应力较小，受力更加均匀；且轮辐式负重轮比圆盘式负重轮的质量轻.；同时设计一体化模压成型工艺，利用正交试验法选择最优工艺参数组合：成型温度为 、成型压力为 、成型时间为.，解决了 塑料与橡胶黏合难的问题。最后，通过本体取样试验及黏合强度试验分别验证复合材料负重轮的力学性能和橡塑黏合强度性能，证明了该工艺的可靠性。关键词：超高分子量聚乙烯；负重轮；轻量化；一体化模压成型中图分类号：.文献标识码：文章编号：（）：.开放科学（资源服务）标识码（）：，（.，.，）：，（），.，.，：；随着现代科学技术的飞速发展，特种车辆尤其是履带车辆应用于雪地、沙漠、沼泽、山地、从林、滩涂、水域等全地形复杂地况，为适应现代应用模式的需求，全地形履带特种车辆必须提高机动性和运输速度，而轻量化是提高机动性和运输速度的重要途径。负重轮是全地形履带特种车辆行走系统的关键部件，直接影响装甲车的机动性、运输速度和使用寿命。负重轮是特种车辆的主要载重件，在整车中数量多，占车重比例达到。负重轮轻量化不仅能有效降低车辆的整体质量，提高车辆机动性能；还能提升车辆的舒适性，改善驾驶性能，同时提高车辆的燃油经济性。以 轿车为实例，发现一辆轿车的质量若能减少，则可节油 ，从而提高车辆燃油经济性。轻质材料的使用、轻量化结构设计及新型工艺研究是武器装备轻量化的三大研究方向。李科锋等以超硬铝合金（）为基体，通过锻造工艺制备了符合战地指标的铝合金负重轮；王长顺等采用液态模锻工艺，以 高强韧铝合金为原材料，结合不同热处理制度制得负重轮样品；湖南创新型省份建设专项经费资助项目（）作者简介：张志广，男，年生，硕士，研究方向为高分子材料产品开发及应用。塑 料 工 业 年 等以 镁合金为实验对象，通过细化晶粒尺寸，优化镁合金化学成分，选择适当的热处理制度等方法提升镁合金的锻造性能，并利用挤压锻造工艺制备了比同尺寸铝合金车轮轻 的镁合金车轮；等采用改进的挤压工艺成功的挤压出 镁合金整体车轮。超高分子量聚乙烯（）塑料是一种具有优异综合性能的热塑性工程塑料，其具有超高模量、超轻（密度小于水）、高抗（抗腐蚀、抗紫外线、抗疲劳）以及吸水率低等优异性能，是负重轮轻量化的优选材料。然而，塑料因为熔体质量流动速率极低，熔点高，黏度大，流动性差等缺陷，导致其极难加工成型；其次，大分子由非极性亚甲基基团组成，其表面没有任何反应活性点，难以与其他材料结合。侯明等发明了一种能实现 塑料与橡胶有效黏接的工艺方法。其通过对 塑料进行等离子体表面活性处理、涂硅烷偶联剂、烘烤、涂胶黏剂和干燥等预处理，最后采用 塑料与橡胶共同硫化的方式实现二者的有效黏接。本文将以 塑料基体负重轮为研究对象，从负重轮的结构设计与工艺参数设计方向对该复合材料负重轮进行轻量化技术研究，并通过仿真试验与样品试验检验结构及工艺的可靠性。负重轮力学性能计算.负重轮结构模型 塑料基体的复合材料负重轮由三部分组成：橡胶实心轮胎、塑料轮盘及铝合金芯套（图）。在该结构中橡胶实心轮胎可减少振动输入，提高车辆驾驶舒适度；轮盘为主要承载零件；铝合金芯套可有效防止塑料的蠕变现象，延长负重轮的使用寿命。橡胶实心轮胎；塑料轮盘；铝合金芯套。负重轮外侧 负重轮内侧图 圆盘式负重轮结构 .负重轮有限元模型图 负重轮有限元网格模型 由于橡胶实心轮胎为超弹性材料，为提高仿真计算精度及收敛速度，本模型中选取六面体单元进行网格划分。为了更加真实的模拟负重轮静止状态，根据履带板与负重轮的实际接触关系，按六面体网格进行划分，建立如图 所示的有限元网格模型。模型单元总数为 ，节点总数为 。.材料性能参数设置橡胶实心轮胎可选用二参数 模型模拟超弹性材料。其中，模型中的、和 为拟合系数（本身不具有物理意义），结果为.，.，.。负重轮各部件材料力学性能如表 所示。表 材料力学性能参数 力学性能橡胶铝合金 弹性模量 .泊松比.密度 （）强度极限 .负重轮约束条件和载荷条件图 负重轮不同零件之间的接触定义 静载工况下，车辆簧上质量主要通过传动轴传递给负重轮铝合金芯套，并传递到整个负重轮结构中。第 卷第 期张志广，等：超高分子量聚乙烯塑料基体负重轮轻量化技术研究当负重轮正常运行时，铝合金芯套、塑料轮及橡胶外圈三 者 之 间 的 粘 接 表 面 无 相 对 滑 动，因 此，在 仿真软件中，三者之间可采用面与面的绑定关系定义，并将铝合金芯套内表面耦合到中心点，对该点施加、方向的固定约束，方向不约束，同时施加力，方向为 的负方向。如图、图 所示。图 负重轮静载工况约束、加载示意图 每个负重轮承受的静载荷平均值 为：（.）（）式中，沿一侧履带接地段各个负重轮作用力分布的不均匀系数，通常取.；车辆的质量；履带接地长度；履带的单位长度质量；重力加速度；车辆静止时履带的预张紧力；每侧负重轮数目。负重轮动载荷一般可达静载荷的 倍，本文动载荷取静载荷的 倍研究计算，即。已知某橡胶履带式全地形运输车的设计输入如下：，.，.，。将上述已知数据带公式计算，得：。所以对负重轮结构强度计算时，施加载荷大小为 。.负重轮受力分析利用 软件对负重轮进行力学模拟分析，负重轮的位移云图与应力云图如图 图 所示。图中结果显示，负重轮 方向最大位移为.；负重轮 应力最大值在塑料轮盘上，最大应力值为.；实心橡胶轮胎所受的最大 应力为.。由表 可知，现有 塑料的许用应力为 .；橡胶的许用应力为 .，满足材料使用要求。图 圆盘式负重轮 向位移云图 图 圆盘式负重轮 应力云图 图 圆盘式负重轮轮盘 应力云 图 圆盘式负重轮橡胶轮胎 应力云图 .负重轮结构轻量化设计为减轻负重轮质量，提升车辆驾驶性能，对负重轮内侧面进行优化设计。由于负重轮周期性旋转的特殊工作形式，负重轮结构必须满足旋转对称结构，从而保证负重轮在工作状态下所受的离心力为零，提高车辆的可靠性。优化设计响应主要包括优化目标与约束条件。本文以负重轮结构的应变能最小为设计目标，保证负重轮结构刚度最大化；以设计空间体积变化为约束条件，采用变密度法对设计空间中的材料进行重新分布，获得受力最优的负重轮结构，力求使用塑 料 工 业 年 最少的材料，达到结构的强度要求，从而实现负重轮的轻量化设计。经过 次迭代运算求解后完成优化计算，形成如图 所示的轮辐式模型。轮辐式负重轮外侧轮辐式负重轮内侧图 轮辐式负重轮结构模型图 轮辐式负重轮的建模方法、参数设置、约束及载荷条件与圆盘式负重轮均相同。对轮辐式结构负重轮进行刚度、强度计算，其结果如图 图。图 轮辐式负重轮 向位移云图 图 轮辐式负重轮 应力云图 图 轮辐式负重轮轮盘 应力云图 对比圆盘式负重轮，轮辐式负重轮刚度与强度均有所提高，其中，最大位移量为.，较优化前降低了.；最大 应力为.，较优化前降低了.。从轻量化角度分析，圆盘式负重轮总质量为.，轮辐式总质量为.，减重.，减重率达.。图 轮辐式负重轮橡胶轮胎 应力云图 负重轮模压工艺过程及参数制定图 负重轮一体化模压成型工艺路线 针对负重轮塑料轮盘材料（）的熔体质量流动速率（接近于零）极低、熔点高、黏度大、流动性差等特性，以及负重轮尺寸较大，结构复杂等因素，本文预选用一体化模压成型工艺制备负重轮，基本成型工艺路线如图 所示。其中，模压温度、压力、时间是模压工艺重要的工艺参数。.模具设计在上述工艺中，橡胶硫化与塑料烧结过程在一副模具中同时进行，而二者所需温度并不相同，所以模具的结构设计需考虑温度分层问题。本文选用上下活塞式模压结构，模具主体结构分为上模、中模、下模，且在每一层模具中间设有隔热层，以实现温度分层的效果。.成型温度通常 粉料的热变形温度在 ，熔融峰温度为 左右，并且在 左右开始分解。然而，的分子量很高，加热熔融流动第 卷第 期张志广，等：超高分子量聚乙烯塑料基体负重轮轻量化技术研究性差，温度越高越有利于 粉料流动，因此其成型温度一般大于。综合材料的成型特性和项目组的前期探索研究，同时考虑到产品厚度较厚，传热时间长，初步确定模压成型温度为。.成型压力为充分探索模压压力对成型产品力学性能的影响，本文以 为原材料分别在 、及 的成型压力下制备了 型的拉伸试样（.）及 型压缩试样（）。并按照相关标准进行拉伸强度及压缩强度测试，试验结果如表 所示。对比表中数据可知，成型压力的不断升高，材料成型后性能呈上升趋势。综合表中的测试结果与生产设备成型性能，最终选择 材料的成型压力为 。表 不同成型压力对 材料的力学性能影响 性能成型压力 测试方法拉伸强度.压缩强度.样品熟料不均，未进行测试 .模压时间模压时间主要是指在成型过程中，模具型腔内材料发生交联反应，并完成固化的时间。模压时间过短会导致产品固化不完全，局部变形，力学性能差等缺陷；模压时间过长，产品过熟，力学性能差，延长生产周期。相关等比例样品试验表明，模压时间为 较为合适。.工艺参数优化从产品生产的经济性、模具耐久性及生产周期性的角度考虑，设计三因素三水平正交试验，制造轮辐式负重轮样品，并对样品进行本体取样试验，以抗拉强度为优化目标参数，优化负重轮模压工艺参数，选用 （）正交表对实验数据进行记录分析，选出最佳工艺参数。正交试验结果分析可知，）模压温度、模压压力、模压时间对试验结果的影响力大小排序为：模压时间模压温度模压压力；）由各因素 值结果分析可知，各因素最优水平组合为；）结合实验结果可知，当模压压力为 较、模压时间为.与 的试验结果相差很小，且均满足产品要求。因此可确认最优水平组合为，即：模压温度为 、模压压力为 ，模压时间为.。表 负重轮工艺参数 （）正交试验方案及结果 （）实验组号（温度）（压力）（时间）抗拉强度（）（）（）（）.（）（.）.（）（）.（）.（）.负重轮试制及试验验证.负重轮试制根据图 的工艺路线，将铝合金芯套、预成型橡胶轮胎及足量的 粉料依次装入模具中，预压成型后控制优化后的工艺参数，实现橡胶塑料一体硫化成型。成型试制的复合材料负重轮如图 所示。图 轮辐式负重轮样品 .性能测试.力学性能测试将成型后的负重轮常温放置，对负重轮进行轴向、径向本体取样，受产品尺寸影响，本体取样为 型试样，试样长度为 ，取样位置如图 所示。图 负重轮本体取样示意图 依据 .标准进行试验测试，塑 料 工 业 年 将表 中测得的试验结果与产品性能要求（抗拉强度）进行对比可知，径向和轴向抗拉强度均满足零件要求。表 试制负重轮的力学性能 样品编号 断裂伸长率.黏合性能测试橡胶实心轮胎与 塑料轮盘的黏合问题是该复合材料负重轮的制造难点，所以，其黏合强度是该项目的重要检测项点。采用标准 进行测试实验，如图 所示。利用式（）处理实验数据如表 所示。（）式中，单位宽度的黏合强度，；实验过程中压力值的最低值，；轮盘宽度，。图 黏合性能测试现场 实验结果显示，剥离长度.大于负重轮周长的十分之一（.），最小剥离力为.，轮宽为.，计算所得黏合强度为.，远大于 （）。结论）轮辐式结构负重轮较圆盘式更为合理。其最大 应力为.，安全系数由.增大到.，大大提升了负重轮的可靠性，且单个负重轮总质量仅.，减重率达.。）一 体 化 模 压 成 型 工 艺 有 效 的 解 决 了 塑料负重轮难成型、难黏合等问题。通过正交试验方法，选择出最优工艺参数组合：成型温度为 、成型压力为 、成型时间为.。三个工艺参数对试验的影响大小排序为：模压时间模压温度模压压力。本文结果对其他 塑料制备轮系产品的成型工艺参数研究具有一定的参考价值。参 考 文 献 刘朝勋，于立彪，翟峰，等 负重轮轮盘结构优化减重分析 中国制造业信息化，（）：，（）：，：张佳磊，王强，张治民镁合金负重轮成形工艺研究 兵器材料科学与工程，（）：，