Усадка резины при вулканизации: 1–3 % и как её учитывают в пресс-форме

Усадкой называют разницу между размером гнезда пресс-формы и размером готовой детали после остывания, отнесённую к размеру гнезда. Деталь всегда меньше гнезда. Справочник Parker O-Ring Handbook (PDF, раздел 2.10) называет это коэффициентом усадки и отмечает, что на неё влияют способ формования, время, температура и давление, поэтому усадку конкретной смеси уточняют у изготовителя смеси или на опытной партии.

Резина садится по двум причинам

Первая причина тепловая. Смесь заполняет гнездо при температуре вулканизации, обычно 150–180 °C, и в этот момент принимает размеры горячей стальной формы. При остывании до комнатной температуры резина сжимается сильнее стали: её линейное тепловое расширение примерно в 15–20 раз больше. Оценка: при разнице коэффициентов около 2,1·10⁻⁴ 1/К и остывании на 137 градусов деталь уменьшается примерно на 2,8 % (пример, ориентир для ненаполненной резины).

Вторая причина химическая: при сшивке цепи каучука сближаются, и объём смеси немного уменьшается. Наполнители, сажа и минеральные порошки, почти не участвуют ни в тепловом, ни в химическом сжатии, поэтому чем их больше, тем меньше усадка. Отсюда наблюдение изготовителей: мягкие смеси с меньшим наполнением садятся сильнее твёрдых.

Усадка обычно от 1 до 3 %, у силикона и FKM больше

Справочник американского изготовителя колец Apple Rubber приводит пример: нитрильная смесь на серной вулканизации может иметь усадку 2,4 %, а на перекисной 3,02 % (Apple Rubber). Там же указано, что силикон и FKM обычно садятся сильнее нитрила и EPDM, а мягкие марки сильнее твёрдых. Общий ориентир для смесей общего назначения 1–3 % линейного размера; фактическое значение для партии фиксируется на опытной закладке.

Какая усадка у резины при вулканизации?

Усадка резины при вулканизации обычно составляет 1–3 % линейного размера: деталь на эту долю меньше гнезда пресс-формы. Значение зависит от каучука, системы вулканизации, твёрдости и режима: например, нитрильная смесь на серной вулканизации может садиться на 2,4 %, на перекисной на 3 %. Силикон и фторкаучук обычно садятся сильнее нитрила и EPDM, а мягкие марки сильнее твёрдых.

Parker делит смеси на классы усадки

Стандартной Parker считает усадку нитрильной смеси и называет её AN; на неё рассчитаны стандартные пресс-формы для колец. Смеси, которые садятся меньше, получили класс −1, больше классы от I до VI. В таблице 10-10 справочника каждому классу соответствует множитель размера: детали из смеси класса III в стандартной форме выходят на 1,6 % меньше, чем из AN.

На схеме та же таблица в процентах: деталь из стандартной формы меньше, чем из смеси AN, на 0,6 % у класса I, 1,1 % у II, 1,6 % у III, 2,1 % у IV, 2,6 % у V и 3,1 % у класса VI. По таблице классов справочника большинство фторкаучуковых смесей Parker относится к классу III и выпускается в специальных компенсированных формах, а силиконы встречаются в классах от AN до V. Допуск растёт вместе с классом: множитель допуска у класса III 0,0036 от диаметра.

Гнездо пресс-формы считают от размера детали

Если усадка смеси s известна в долях, размер гнезда равен размеру детали, делённому на (1 − s). Пример: кольцо внутренним диаметром 50,00 мм из смеси с усадкой 1,5 %. Гнездо 50,00 / 0,985 ≈ 50,76 мм. Тот же расчёт делают для сечения: шнур 3,00 мм требует гнезда 3,05 мм. Приближённо к размеру детали добавляют s процентов; точная формула даёт чуть больше, при усадке 3 % на диаметре 50 мм разница около 0,05 мм.

Теперь в ту же форму 50,76 мм заливают смесь с усадкой 2,5 %. Кольцо выходит 50,76 × 0,975 ≈ 49,49 мм, на 0,51 мм меньше чертежа. При усадке 3 % получится 49,24 мм. Для кольца в канавке с натягом это меняет растяжение на валу и сжатие сечения, а для прокладки с отверстиями под болты смещает отверстия на краях на десятые доли миллиметра.

На второй схеме отклонение от чертежа для одной формы 50,76 мм: ноль при усадке 1,5 %, минус 0,51 мм при 2,5 % и минус 0,76 мм при 3 %.

Как рассчитать гнездо пресс-формы с учётом усадки резины?

Гнездо пресс-формы с учётом усадки резины рассчитывают делением размера детали на (1 − s), где s усадка смеси в долях. Для кольца Ø50,00 мм из смеси с усадкой 1,5 % гнездо 50,00 / 0,985 ≈ 50,76 мм, для шнура 3,00 мм около 3,05 мм. Усадку берут для конкретной смеси и режима формования, а для FKM и силикона добавляют уменьшение размера при постотверждении.

Режим формования сдвигает усадку внутри одной смеси

Одна и та же смесь садится по-разному в зависимости от способа и режима. Apple Rubber отмечает, что высокое давление впрыска при литье и большие колебания температуры смеси или формы увеличивают усадку. Parker добавляет к факторам способ формования, компрессионное, трансферное или литьевое, время, температуру и давление. Поэтому при переносе детали из компрессионной формы в литьевую размер снова проверяют.

Как различаются эти способы в работе и какие детали на каком делают, показано на примере прессования резины в пресс-форме. Для расчёта усадки нужно одно: режим, на котором её определили, записывают вместе с цифрой, и при серийном выпуске его не меняют без проверки размеров.

Светофор смены смеси в готовой пресс-форме

Типичный источник брака по размеру: в форму, рассчитанную под одну смесь, ставят другую. Перед таким решением заявку оцениваем по трём уровням. Это классификация Сивиза, а не норма.

Красный уровень не запрещает смену материала. Он означает, что старая форма под новую смесь даст размер вне допуска, и обещать попадание в чертёж без новой оснастки мы не можем. О том, кому принадлежит форма и что в неё закладывают при изготовлении, видно по разбору пресс-формы для РТИ.

Усадку закладывают в форму, а не в допуск

Иногда предлагают решить вопрос допуском: раз деталь меньше, расширить допуск на чертеже. Для неподвижного уплотнения так иногда можно, если расчёт сжатия и растяжения кольца это выдерживает. Для деталей с отверстиями, посадкой на вал или сопряжением с другой резиной лучше заложить правильную усадку в гнездо. Пресс-форма для формовой детали стоит ориентировочно от 25 000 ₽ с НДС, точная цена в КП, и делается под конкретную смесь.

Если нужна новая форма, срок изготовления назовём в КП. Номер смеси, под которую рассчитана форма, и режим вулканизации записываем в карточку детали, чтобы повторная партия шла на той же смеси и в том же режиме.

Что указать в заявке на формовую деталь с жёстким допуском

Пришлите чертёж с допусками, материал и твёрдость, условия работы и, если есть, номер смеси или паспорт резины, на которой деталь работала раньше. Если у вас уже есть пресс-форма, укажите, под какую смесь она делалась. Формовые РТИ и уплотнительные кольца нестандартных размеров изготавливают формованием и вулканизацией; для деталей из силикона или FKM в смету сразу закладывают пробную партию для проверки усадки.