船舶用水润滑橡胶轴承模具及工装设计设计说明.doc

毕业设计说明书

株 洲 工 学 院
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船舶用水润滑橡胶轴承模具及工装设计

目 录

摘 要 2
1 绪论 4
1.1水润滑轴承的发展现状 5
1.2水润滑轴承材料 6
1.3水润滑橡胶轴承 7
1.3.1工作原理与特点 7
1.3.2发展及存在问题 8
1.3.3润滑机理研究简介 8
1.4水润滑橡胶轴承研究展望 9
1.5水润滑橡胶轴承的设计原则 9
1.5.1橡胶层的厚度 9
1.5.2轴承的设计比压 9
1.5.3轴承的线速度 10
1.5.4润滑水量及供水压力 10
1.5.5轴承间隙 10
2 橡胶轴承模具和工装设计 11
2.1轴套的离心铸造 12
2.1.1轴套的材料 12
2.1.2轴套的成型设计 12
2.1.3铜套的内外表面处理 14
2.2橡胶模具设计 14
2.2.1水润滑橡胶轴承模具设计原则 14
2.2.2对制品零件的工艺分析 14
2.2.3模具结构的确定 15
2.2.4收缩率的确定 18
2.2.5型腔尺寸的计算 19
2.2.6模具外形尺寸的确定 20
2.2.7压铸料腔的设计 20
2.2.8浇注系统的设计 22
2.2.9中模的设计 23
2.2.10上模的设计 23
2.2.11下模的设计 23
2.2.12模芯的设计 23
2.2.13模具材料的选用 24
2.2.14模具精度 25
2.3精加工夹具的设计 26
2.3.1设计原则 26
2.3.2工作原理 26
2.3.3夹具心轴的设计 26
2.3.4球面垫圈，锥面垫圈及螺母的设计 35
2.3.5胀套的设计 35
2.3.6弹簧的设计 36

摘 要

列举了水润滑轴承用的金属、塑料、陶瓷、橡胶材料的特点, 随着水润滑轴承的发展，在很多情况下，塑料、陶瓷、橡胶材料可用来替代金属轴承。轴承的高速化，重载化和低成本化对轴承的材料和润滑提出了更高的要求。对当前水润滑橡胶轴承的发展现状及存在的问题进行了深入剖析,并针对存在的问题进行了一些理论分析。对水润滑橡胶轴承及其润滑机理和工作特点进行了简单介绍,提出了水润滑橡胶轴承的设计原则及在设计中需注意的重要技术问题。提供了水润滑橡胶轴承的一些设计理论和设计公式。对水润滑橡胶轴承的工作特性和成型工艺进行分析，并进行了该产品的模具结构设计及精加工夹具设计。压铸模具采用轴分式模腔等结构，使模具结构简单合理；夹具采用心轴胀套式，使精加工方便，解决生产中的难题，取得良好的经济效益。

关键词 水润滑橡胶轴承；模具；心轴

ABSTRACT

Some characters of the water lubricated bearings with different materials such as metal, plastics, pottery and rubber were introduced, with the development of the water lubricated bearings, they can be used instead of metal bearings in many situations. With the development of the bearings which is aiming at high speed, heavy load and low cost , strict requirement was presented for bearing materials and lubrication, the developing status and the existed problems of the present water lubricated rubber bearings was analyzed completely in the paper. Some numerical calculations and theoretical analysis were made for solving those problems. The lubricating mechanism and characteristics of the rubber bearings were introduced in the paper. On the basis of many native and foreign literatures in water lubricated rubber bearings, the designing standards and some key technical questions were discussed in the paper. Some theory analysis and formulae for design were presented. Analyzed the working behavior ,the structure characteristic , the moulding process of the water lubricated bearing, and the mould structure and the fixture of finishing cut have been also designed. This die-casting mould consists of the axis-separated cavity and the mosaic core and so on, which make the mould structure simple and reasonable. The fixture adopts the structure of arbor with swelling housing, which makes the cutting convenient. It solves the difficult problems in the production and receives good economic benefits.

Key words water-lubricated rubber bearings; mould; arbor

1 绪论

轴承是机器中广泛使用的支承零件，在轴承中应用范围最广的就是种类繁多的滑动轴承。据有关资料统计[1]，目前世界上约有1／3的能源消耗在不同形式的摩擦上，其中滑动轴承的消耗约占l／10。因此现代旋转机械要求轴承要有良好的承载能力、高可靠性及长寿命。对于使用水或海水之类低粘度液体润滑也要求有很高的承载能力和耐磨性。解决这一问题有两种途径：一是提供外界高压液体源，也就是采用流体静压轴承；二是利用流体动压轴承。采用流体动压润滑的摩擦副，绝大多数是利用高粘度液体的收敛楔。工程实践迫切需要开发以低粘度液体为润滑液的高负荷轴承，例如在冶金、矿山、水力等工作条件较恶劣的行业中应用的机械设备，往往需要用输送液体(特别是水、海水等低粘度液体)来进行润滑。这比使用油润滑具有独特的优越性。它不需要特殊的轴承室，以及防止输送液与油混合的密封装置，甚至不需要在强制润滑条件下的润滑供给装置等，因此大大简化了润滑系统的结构。
近几年来,由于人们逐渐认识到保护环境、节省能源对人类的可持续发展的重大意义,开发新型的节能无污染产品的呼声越来越高。水润滑轴承在这方面有巨大的发展潜力。水润滑轴承以水为润滑和工作介质,减少了以油为润滑介质的传统轴承对环境的污染,可以节约大量的油料;而且水具有无污染、来源广泛、安全性和难燃性等优点,在很多场合都可以用它来代替油,是一种有着广阔发展前景的润滑介质,水润滑轴承也因此成为世界各国关注的对象。根据我国船检部门调查报告:使用油润滑尾轴轴承的中型船只,每年平均从尾轴轴承泄漏3 2ｔ润滑油,在长江中航行的大小船只有数万条,泄漏润滑油将会多得惊人。如此触目惊心的数据,几年后,仅润滑油泄漏就会造成严重的水资源污染。通过水润滑轴承的系统研究,优化轴承系统润滑结构,从而提高润滑性能和承载能力,大幅度的减少或降低摩擦副的摩擦、磨损、振动、噪声、无功能耗等关键问题,为我国船舶工业、水轮机、水泵等工业的技术改造和更新换代创造必要的配套装备条件。
1.1水润滑轴承的发展现状
从1886年英国水力学家雷诺(Reynolds)推导出著名的流体动力润滑方程
(即雷诺方程)，提出流体动力润滑理论至今，人们对摩擦、磨损与润滑的研究与发展日益丰富，润滑理论也日趋完善，但人们对水润滑轴承特别是橡胶轴承的研究和应用，却是以Mui jderman的低粘度流体动压轴承理论为基础发展起来的。
    从40年代末期开始，苏联一直对采用水作为润滑液的流体静力轴承和流体动力轴承的特性和材料进行深入的研究。
    英国、德国和日本以及其他许多国家在50、60年代也在水润滑轴承的研究方面做了大量的工作。英国的海沃德一泰勒公司在无填料泵结构中采用了水润滑滑动轴承，其轴材料为马氏体不锈钢或在碳钢表面镀铬。而轴瓦材料为石棉填充酚酐树脂，使用效果较好。德国的维克斯(Vickers)和米契尔(Michell)公司则在深井泵中和潜水泵中采用水润滑橡胶轴承，即以橡胶材料作轴瓦。加拿大的汤姆逊一戈尔登有限公司在船舶尾轴的支承中采用了水润滑系统，在不锈钢轴承上复合一层聚合材料作轴瓦。日本在离心泵和船用离心泵中广泛采用了水润滑轴承；在大型内燃机油轮用辅锅炉给水泵中，采用了自给式的水润滑轴承，轴瓦材料为渗碳合金。东芝公司还在汽轮发电机和水轮发电机上开发了泵用水润滑轴承等。
    中国从50年代中期开始在船用离心泵和轴流泵中采用水润滑轴承，60年代初期开始进行这方面的理论探索和试验研究工作。例如二机部第一设计院设计的核泵水润滑轴承；江都三站大型立式轴流泵上采用的酚酐塑料水润滑轴承；潜水电泵上采用的水润滑塑料推力轴承等。在70、80、90年代这方面的报导较少，特别是以橡胶为轴瓦材料的水润滑轴承。目前，国内应用的水润滑轴承相对仍较少。例如在泵上应用的水润滑橡胶轴承大多是从德国引进技术，通过模型试验，对比和评价试验等总结出经验参数而加工制造的。国内生产厂家也很少，其中沈阳滑动轴承研究所与西安交通大学润滑理论及轴承研究所组成的联合体在这方面做过一些有益的探索。
1.2水润滑轴承材料
在轴承减摩材料方面，现在人们常用的轴承衬里材料主要有以下几种：l)白合金(又称巴氏合金)：包括锡基和铅基白合金等。2)铜基合金：包括铅铜合金，铅青铜、锡青铜、磷青铜、铝青铜等。3)铝基合金：包括铝锡合金、铝硅合金等。4)锌基合金：包括镉基合金、铸铁、银等。5)橡胶、石墨、木材、宝石、陶瓷等。6)工程塑料：尼龙、酚酐树脂、环氧树脂和聚四氟已稀(FFFE)以及它们的混合物等。7)粉末烧结轴承材料：铜基、铁基合金等。8)薄箔等。
    由于水是一种低粘度液体，在50℃时水的绝对粘度约为透平油粘度的l／65。而润滑液膜的承载能力与粘度成正比，与膜厚的平方成反比；因此在其他条件都相同的情况下，为获得相等的承载能力，则水膜的厚度仅为油膜厚度的l／8。这表明水润滑轴承承载能力比较低，而且很有可能在非流体摩擦工况下工作，容易产生轴瓦和轴颈配用材料间的相互接触；因此，水润滑轴承材料的性能是决定其工作性能和使用寿命的一个主要因素。
    在以上八类轴承衬里材料中，国内曾经被用来或目前仍然被用来制作水润滑轴承的材料有铁梨木、夹布胶木、橡胶、塑料、陶瓷、石墨制品、金属、合金以及金属塑料等几种。而最适合用水润滑的当属以上几种非金属轴承材料，而且它们应用也最为广泛，在此介绍几种常用的水润滑轴承材料以作比较，见表l。

从表中可以看出，采用不含固体颗粒的清洁冷水润滑时，塑料轴承和陶瓷轴承都具有良好的运转性能和高的承载能力。尤其是最近才研制出的精细陶瓷和金属塑料，它们的性能和使用参数反映了当今水润滑轴承的水平以及发展方向。
    但是塑料轴承的热膨胀和吸水性导致轴承间隙的变化，陶瓷的高脆性和低的抗冲击性能，以及它们对水中固体颗粒的高度敏感，限制了它们的应用。
    而橡胶轴承则克服了以上主要缺点，对泥沙不敏感，缓冲抑振等优点使得在工作条件越恶劣的地方越能显示出水润滑橡胶轴承的优越性。因此水润滑橡胶轴承在国内部分行业中特别是船用泵、泥浆泵、污水泵等行业中具有广阔的应用前景。
1.3水润滑橡胶轴承
1.3.1工作原理与特点
橡胶用于水轮机、水泵、船舶螺旋浆轴和涡轮钻机等轴承的轴瓦衬里，它们在大量的水润滑下工作。带橡胶轴瓦的轴承能够经受漂浮在水中的固体粒子的磨耗作用。如果这些粒子落入金属轴和橡胶轴承之间，则轴将其压入弹性橡胶轴承材料中，而后顺着其旋转方向将其滚推到最近的水槽内，并被水冲走。图1所示是笔者所实验研究的一种八纵向沟水润滑橡胶轴承常见结构。

由于金属轴不是让固体粒子跟着自己移动，而是包容性地滚推它们，因此其磨损不大。同时轴颈具有很光滑的表面，这有助于减少橡胶轴承的磨损。由于橡胶的弹性，这样的轴承对轴的偏斜和振动不敏感，可以在脏水中工作，但不允许在断水的情况下工作，因为一旦出现干摩擦轴将被卡住，橡胶轴承将被烧毁。
综上所述，水润滑橡胶轴承具有以下优点：
    （1）摩擦系数小。资料表明，橡胶轴承在水润滑的条件下具有很小的摩擦系数，与加工良好的金属轴承在油中的摩擦系数相近(约0．005一O．01)，见表2。

（2）耐磨，耐用。由于材料的良好配对使摩擦功耗很小，因而轴颈表面磨损很小。特制的表层橡胶材料柔软而富有弹性，具有良好的包容性，使嵌入杂质通过轴颈的回转导入通水沟槽内被润滑水冲走。因此保证了橡胶轴承表面摩擦很小，使得轴承的寿命较长。
    （3）缓冲、抑振、低噪音。这是其它水润滑轴承所无可比拟的优点。橡胶材料弹性较好，内阻尼较大，能够有效地防止或减缓振动、噪音和冲击。另外，橡胶的变形还可起到缓和轴的应力的作用，并有自动调位的能力。
    （4）对安装和冲击不敏感，成本低，重量轻，可进行机械加工；运转费用低，可以简化机器的结构等。
    缺点是导热性差，不耐油、起动力矩大。但总体来看，水润滑橡胶轴承仍是水下最适宜的轴承之一，它不仅节省了贵重有色金属和润滑材料，而且省去了复杂的润滑剂供给系统，简化了机器结构，提高了运转的可靠性。因而具有广阔的应用前景。
1.3.2发展及存在问题
可以说，水润滑橡胶轴承发展过程的每一步，都是与水润滑轴承的发展分不开的。即40年代末期出现，50、60年代做了较多工作，70、80、90年代研究较少。虽然国内某些联合体在水润滑橡胶轴承方面有一些成熟的经验，开发出了一些新产品并取得了一定的成果。但与国外相比，差距还较大，仍然存在许多需要解决的问题：
    （1）虽然水润滑橡胶轴承在制造生产方面的经验已较多，但是现在国内水润滑橡胶轴承的设计制造还只是停留在经验阶段，而且很多经验数据仍沿用国外50、60年代的数据，很多已不适用于国内目前的水润滑橡胶轴承材料及应用现状。
    （2）在理论上国内还没有出现过水润滑橡胶轴承的系统报导，在国外研究得也很不深入，特别对水润滑橡胶轴承的润滑机理，能否形成流体动力润滑，如果能形成，那末形成流体动力润滑的轴承、速度及载荷条件等均没有明确的研究。
1.3.3润滑机理研究简介
研究表明，对纵向沟普通水润滑橡胶轴承，①低速时润滑方式主要为边界润滑，高速轻载时主要为流体动力润滑。高速重载时存在部分弹流效应。②水润滑状态下，摩擦系数最低值为0．005～0．01。③速度，载荷对普通橡胶滑动轴承的摩擦系数影响在低速区和轻载区较明显，摩擦系数随速度增高而减小，随载荷增加而增大；在高速区和重载区较稳定，随速度、载荷的增加而减小。④轴承间隙对摩擦系数也有较大影响，存在最佳间隙值，此时的摩擦系数最小。对直径为φ60～70mm的轴，最佳间隙范围为0．12～0．14mm。⑤温度对普通水润滑橡胶轴承摩擦系数的影响较敏感，摩擦系数随温度升高而增大。为保证轴承正常工作，必须有充足的水润滑，且轴承内部温升不允许超过70℃。尽管如此，一系列的研究结果仍表明，以水润滑的滑动轴承将会使摩擦功率损失和润滑液膜的最高温度大为降低。通过实测得出，水润滑轴承中的功率损失约为油润滑轴承的1／6，而润滑膜中的最高温度只是油润滑轴承中的l／2左右。
1.4水润滑橡胶轴承研究展望
从水润滑橡胶轴承的研究及发展看出，水润滑橡胶轴承作为一个年轻的课题，仍存在大量问题需要研究；它的深入研究，在理论上方面，对进一步完善滑动轴承的边界润滑和流体润滑理论，填补非金属材料在轴承工业上的系统理论，扩大该轴承及材料在其它行业的应用范围，具有普遍而重要的意义。在应用上方面，它将改变目前我国乃至世界漫长海岸线上数量繁多的船用机械长期采用铁梨木和夹布胶木作为滑动轴承材料的历史，改变某些在恶劣环境中工作的机械的结构，如泵、风机等，使机械的结构在设计、制造、安装、维修上趋于简单化，并能提高使用寿命和生产效率，节约贵重有色金属材料，其经济效益和社会效益将是十分可观的。相信在不久的将来，水润滑橡胶轴承的研究与应用会得到长足的发展。
1.5水润滑橡胶轴承的设计原则
1.5.1橡胶层的厚度
橡胶轴瓦的厚度是橡胶轴承设计中的重要参数,取决于轴径、轴的平衡度、轴的转动频率和沟槽的断面以及载荷等。但在实际中橡胶层的最小厚度主要考虑轴承正常工作时,悬浮于水中的砂粒尺寸,其次还考虑结构尺寸,包括为了满足橡胶轴承表面和旋转轴颈表面之间建立流体动压润滑所要求的最小楔形角,也就是说要限制轴颈陷入橡胶材料的程度,因此也与载荷有关。一般橡胶层以薄为好。理论上橡胶层最小厚度为1.5～2.5ｍｍ,但由于制造工艺困难,建议橡胶层最小厚度为6ｍｍ。另外,橡胶轴瓦与金属轴套间要有良好的粘附强度。橡胶与黄铜的粘合是最安全可靠的,操作也简单,因此应优先采用黄铜轴套。钢制轴套有时需要在钢套内表面进行特殊加工,以保证橡胶与金属之间的粘附强度不低于4 5ＭＰａ。
1.5.2轴承的设计比压
由于橡胶是高弹性体,比压太大会引起工作面变形过大而承载能力下降,所以橡胶轴承的设计比压通常按下式计算ｐ=Ｗｄ×Ｌ(Ｎ/ｍｍ2)式中:Ｗ—轴承载荷(Ｎ);ｄ—轴颈直径(ｍｍ);Ｌ—轴承长度(ｍｍ)。允许的设计比压不超过0.4ＭＰａ,并建议采用0.1～0.15ＭＰａ最合适。根据国外经验,轴承的长径比通常要求Ｌ/ｄ<4。因为增加轴承长度,并不意味着承载能力成比例增大。相反,不仅带来安装上的困难,还可能使轴承散热差,工作状况恶化。因此,因轴承比压过大而加长轴承是不可取的。为了润滑和冷却,橡胶轴承都应有流水槽,流水槽的形状有凹面型、凸面型和平面型三种。试验表明,平面型更优于凹面型或凸面型,结构也较为理想,它具有以下优点:①良好的启动性和低速运转性能;②在常规轴承工作压力和速度范围内,平面型轴承摩擦系数最低;③平面型橡胶轴承更容易建立弹性流体动力润滑状态。按流水槽与轴中心线的关系水润滑橡胶轴承可分为轴向槽型、螺旋槽型和环型槽三种。因环型槽式排异物能力差所以应用较少,螺旋槽型的表面精加工相对较困难,所以目前应用最广泛的主要是轴向槽式。一般轴向水槽数应不少于8。
1.5.3轴承的线速度
对水润滑橡胶轴承来说,线速度越高,摩擦系数越小。但当线速度达到一定值后,摩擦系数会逐渐稳定,但温度会上升,所以线速度并非越大越好。而线速度太小时,会引起摩擦系数过大,轴承的功耗过大。通常橡胶轴承的线速度在5～20ｍ/ｓ之间时,摩擦系数和温升是比较理想的。另外,线速度对水润滑橡胶轴承的承载能力也有一定的影响。实验研究表明,在低速范围内,轴承的最大承载能力与线速度几乎成线性比例关系。但当速度达到一定值后,再提高线速度对承载能力不会再有明显的影响。
1.5.4润滑水量及供水压力
橡胶轴承必须要保证在工作时有充足的供水。对于直径小于φ400ｍｍ的轴系供水量可按如下经验公式确定。Ｑ=(0.3～0.35)ｄ　(Ｌ/ｍｉｎ)式中,ｄ为轴颈直径(ｍｍ)。对于工作线速度较高的橡胶轴承,对供水压力没有特别要求,只要润滑水量充足就可以满足润滑要求。
1.5.5轴承间隙
为了保证轴能够轻快的旋转,轴承内孔和轴外径之间的间隙应选取合理值。数值计算发现,橡胶轴承的承载能力在其他条件不变的情况下随轴承间隙的增大而减小,随间隙的变小而增大。但并不是说轴承的间隙可以无限增大或减小,超过一定值就会破坏流体动力润滑状态而使承载能力大幅度下降。根据实验,轴承间隙受轴直径、橡胶层厚度和硬度的影响。橡胶层越厚、硬度越软,轴直径越大则轴承间隙相应越大;而轴承橡胶层越薄、硬度越高,轴直径越小则轴承间隙相应就要小些。例如对直径为φ65ｍｍ的轴,表面光洁度Ｒａ0.8,橡胶轴承表面光洁度Ｒａ1 6,邵氏硬度75,橡胶层厚度22ｍｍ,经实验表明最佳轴承间隙值为0.12～0.14ｍｍ。

2 橡胶轴承模具和工装设计

2.1轴套的离心铸造
2.1.1轴套的材料
依照水润滑橡胶轴承的设计原则，橡胶轴瓦与金属轴套间要有良好的粘附强度。橡胶与黄铜的粘合是最安全可靠的,操作也简单,因此应优先采用黄铜轴套。黄铜HSn62-1在海水中有较高的耐腐蚀性，有良好的机械性能，切削加工好，但只适于液压加工，易焊接和钎焊，但有腐蚀破裂倾向。主要用于海水接触的船舶零件中。事实上也可以采用ZHFe59-1-1，其铸造流动性好，具有较高的强度和韧性，减磨性能良好，在大气，还水中耐蚀性高，凄然学加工尚可，但线收缩率极大。钢制轴套有时需要在钢套内表面进行特殊加工,以保证橡胶与金属之间的粘附强度不低于4 5ＭＰａ。
2.1.2轴套的成型设计
水润滑橡胶轴承中，轴套要求质密均匀，无缩孔，缩松，气孔，夹渣等缺陷，故设计采用离心铸造法。
(1)离心铸造及其特点
离心铸造法是指将液体金属浇入高速旋转（250-1500r/min）的铸型中，在离心力的作用下成型，以获得铸件的工艺方法。为实现上述工艺过程，必须采用离心铸造机创造使铸型旋转的条件。根据铸型旋转轴在空间位置的不同，常用的有立式离心铸造机和卧式离心铸造机两种类型。卧式离心铸造机的铸型是绕水平轴旋转的（如图1），它主要用来生产长度大于直径的套类和管类零件。
该设计采用卧式离心铸造机，铸件围绕水平轴旋转，可以获得均匀的壁厚。离心铸造时，液体金属在离心力的作用下，有向铸型壁帖附的倾向，而熔渣和气泡则向铸件内表面集中，因而铸件的晶粒较细密，无缩孔，无气孔，无夹渣等缺陷的存在，正适合轴承的设计要求。
由于离心铸造时，液体金属是在旋转的情况下充填铸型并进行凝固的，因而离心铸造有下述的特点：
液体金属能在铸型中形成中空的圆柱形自由表面，这样便可不用型芯就能铸出中空的铸件，大大简化了套筒，管类铸件的生产过程；
由于旋转时液体金属所产生的离心力作用，离心铸造工艺可提高金属充填铸型的能力，因此一些流动性较差的合金可薄壁铸件都可以用离心铸造法生产；
由于离心的作用，改善了补缩条件，气体和非金属夹杂也易于自液体金属中排出，因此离心铸件的组织较致密，缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷较少；
消除或大大节省浇注系统和冒口方面的金属消耗；
铸件易产生偏析，铸件内表面粗糙，内表面尺寸不易控制。
几乎一切铸造合金都可以用于离心铸造生产，离心铸造的最小内径可达8mm，最大直径可达3m，铸件的最大长度可达8m，离心逐渐的重量范围为几牛至几万牛（零点几公斤至十多吨）。
(2)离心铸造工艺
离心铸型转速的选择
选择离心铸型的转速时，主要考虑两个问题：（1）离心铸型的转速起码应该保证液体金属（铜液）在进入铸型后立刻能形成圆筒；（2）充分利用离心力的作用，保证得到良好的铸件内部质量，避免铸件内产生缩孔、缩松、气孔可夹渣。
采用砂型离心铸造时，也要注意不要忽视液体金属对型壁的太大的离心压力而引起铸件粘砂和胀砂等缺陷。
离心铸造用铸型
离心铸造时使用的铸型有两大类，即金属型和非金属型。非金属型可分为砂型、壳型、熔模壳型等。由于金属型在大量生产、成批生产时具有一系列的优点，所以在离心铸造时广泛地采用金属型。因此该铜套的铸造采用金属型。
卧式悬臂离心铸造机上的金属型按其主体的结构特点可以分为单层金属型和双层金属型两种。在单层金属型中，型壁由一曾组成，单层金属型结构简单，操作方便，但它损坏后需要制作新的铸型才能开始生产，在此铸型中只能浇注单一外径尺寸的铸件。而在双层金属型中，型壁由双层组成，铸件在内型表面形成。双层金属型结构虽然复杂，但只要改变内型的工作表面尺寸就可浇注多种外径尺寸的离心铸件。长期工作后，只需要更换结构较简单繁荣内型就可把旧铸型当作新的铸型使用。因此采用铜套的铸造采用双层金属型
涂料
金属型离心铸造时，需要在金属型的工作表面喷刷涂料。离心铸造金属型涂料的要求与一般金属型铸造时相同。为防止铸件与金属型粘合和铸铁件产生白口，在离心金属型上的涂料曾有时较厚。离心铸造用涂料大多用水作载体。有时也用固体涂料，如石墨粉，以使铸件能较易地从铸型中取出。喷刷涂料时应注意金属型的温度。在生产大型铸件时，如果铸型本身的热量不足以把涂料烘干，可以把铸型放在加热炉中加热，并保持铸型的工作温度，等待浇注。生产小型铸件时，尤其是采用悬臂离心机铸造机生产时，希望尽可能用铸型本身的热量烘干涂料，等待浇注。此铜套属小型铸件，因此可利用铸型本身的热量烘干涂料。

浇注
离心铸造时，浇注工艺有其本身的特点，首先由于铸件的内表面是自由表面，而铸件厚度的控制全由所浇注液体金属的数量决定，故离心铸造浇注时，对所浇注金属的定量要求较高。此外由于浇注是在铸型旋转的情况下进行的，为了尽可能地消除金属飞溅的现象，要很好控制金属进入铸型时的方向。液体金属的定量有重量法，容积法和定自由表面高度（液体金属厚度）法等。容积法用一定体积的浇包控制所浇注液体金属的数量，此法较简便，但受金属温度、熔渣等影响，定量不太准确，在生产中用的较多。
2.1.3铜套的内外表面处理
为了便于在黄铜轴套内表面硫化一层橡胶轴瓦，在黄铜入模前，需要对黄铜进行机械处理和理化处理，即对铜套的内表面进行喷砂处理。浇注橡胶以前，须进行压力为98.07Kpa的水压实验以检验产品，应无气孔夹砂及损伤等缺陷。外表面应平滑、无裂痕。
2.2橡胶模具设计
2.2.1水润滑橡胶轴承模具设计原则
橡胶模具是生产橡胶制品硫化的主要设备之一，模具设计的依据是制品的形状，特性和适用要求。根据同有橡胶制品可设计几种不同结构的模具，模具结构直接关系到制品质量，生产效率和使用寿命，因此模具结构设计研究是相当重要的。
为了保证橡胶压制品有正确的几何形状和一定的尺寸精度，模具的结构设计应遵循几项主要原则：
（1）掌握和了解橡胶制品的所用材料的硬度、收缩率以及使用要求。
（2）模具结构合理，定位可靠，操作方便，易于清洗和制品修边。
（3）模具腔数应适当，易于机械加工和模具使用并兼顾生产效率。
（4）模具应有足够的强度和刚度，力求外形小，质量轻。
（5）模具模腔使用时便于装料、排气、逃余料；硫化时，胶料应有足够的压力。
（6）模具设计应符合系列化、标准化、力求通用化。
2.2.2对制品零件的工艺分析
该制品零件是水润滑橡胶轴承尺寸与结构如图2.1所示：

图2.1 水润滑橡胶结构图
该水润滑橡胶轴承的技术指标和生产情况如下：
转速：n=740rad/min； 线载荷为：2.1×105Pa；
水的黏度：μ=1.005×10-3 N·S/m；接触介质：水
生产批量：小批量
轴瓦材料的选用：水润滑轴承的工作条件决定做轴瓦的橡胶必须摩擦系数小，耐磨性好等，因而采用丁腈橡胶（NBR）。丁腈橡胶的耐热性能比天然橡胶和丁苯橡胶好，可以在120°的条件下连续使用。此外，丁腈橡胶还具有良好的耐磨性能、耐老化性能和气密性能。丁腈橡胶流动性好，较易充满型腔，模压工艺性一般，收缩率范围为1.1-2.3%，常取值1.8%。
2.2.3模具结构的确定
压铸成型模具与普通模压硫化相比，由于带有压铸塞，料腔，压铸胶料流道口等结构，且模具压铸过程中压力较高，所以压铸成型模具结构设计时，应该注意以下几点：
（1）模具的结构，材料应有足够的强度和刚度。因为压铸时的压力高于开放式压模的压力，如果强度不够，压铸胶料时模具易变形，造成制品超差模具报废。
（2）在设计或选择压铸流道或压铸面位置时应避免制品的工作面或重要表面（有外观要求的表面）。流道尽可能短，缩短硫化时间。
（3）设计中，尽可能使模具闭合高度短一些，有利于压铸和脱模，为了使生产的橡胶制品达到理想的质量要求，具有较长的寿命，还必须满足设计的工艺技术要
求。

(1)模具结构形式和腔数的确定
模具结构形式的确定
橡胶模具是生产橡胶制品硫化的主要设备之一，模具设计的依据是制品的形状，特性和适用要求。根据同有橡胶制品可设计几种不同结构的模具，模具结构直接关系到制品质量，生产效率和使用寿命，因此模具结构设计研究是相当重要的。
在实际生产中，小批量生产的模压产品，其模具结构采用压制结构形式。一些薄壁、高硬度制品、带骨架而难以装胶的产品模具则采用压铸成型结构。对于大批量生产的产品模具有注射条件的应尽量采用注射模具结构。此橡胶轴承的模具应采用整体立式压铸成型结构。其最大的特点是提高生产效率，改进橡胶制品的质量，尤其是能硫化普通模压法所不能硫化的薄壁、超长和超厚的制品，还能增强金属嵌件的结合粘着力，模具在使用过程中先合模后加料，模具不易损坏。
压铸成型模具的原理：在普通的模压模具上增加两个组合零件：压铸塞（头）与压铸料腔，起装填胶料的作用。在压铸料腔底部与相连接的模板或模腔部位开置一定数量的压铸胶料流道口，在平板硫化机的压力作用下，将力传递至压铸塞压缩胶料，在受热、受压情况下，胶料软化呈半流体状态并快速挤入胶料流道口进入模具模腔中，然后通过定时、恒压硫化阶段。胶料定型而得到模压制品。
模具腔数的确定
模具腔数的多少主要根据该产品生产量和硫化平板的吨位、压力来确定。由于此橡胶轴承属于小批量生产，因此采用单腔压铸成型模具。
(2)分型面的确定
分型面是指橡胶模具中模块的分合面，由于此橡胶轴承采用整体立式压铸成型模具，由上模、中模和下模三个模块组成，所以模具的分型面有两个。
选择分型面是模具设计中最关键的环节，它直接影响模具的加工，模具的使用和模压产品质量。因此分型面的选择有以下原则：
分型面要有利于启模和制品取出；
分型面的位置要利于飞边的去除；
使压制结构模具分型面装胶容易；
密封制品模具分型面要尽量避开产品密封部位；
模具加工容易，强度足够。
(3)模具的定位
模具的定位包括模具各模块之间的定位和模具与硫化设备的定位。模具各模块之间的定位方式有圆柱面定位、圆锥面定位、斜面定位和定位销（导向销、圆柱定位销和圆锥定位销）定位。模具与设备的定位主要存在于注射模具和小部分的压制模具中，其定位方式主要是与设备的螺纹螺栓固定和T形槽配套螺栓定位。
外形为圆形的模具所占的比例是很大的，其中绝大多数是圆形制品的单腔模，比如单腔油封模具、单腔矩形圈模具。圆形模具的定位方式主要是圆柱面定位和圆锥面定位。
此橡胶模具的模块与模块之间的定位采用圆锥面定位。模芯采用活芯子，因为是小批量生产，因此活动模芯采用圆柱面配合，以便于模具加工。圆柱面活动模芯装配方式中模芯与装配孔的公差是间隙配合，一般取基孔制H8/f7间隙配合。料腔和上模之间采用圆柱销定位。
(4)余胶槽和启模槽
余胶槽
为使型腔有足够的压力将胶料压密实，半成品的体积就要比模腔大一些，所有的胶料不可能全部被压入型腔，余胶槽（也叫流胶槽，跑胶槽等）的主要作用就是使多余的胶料能尽量流入其中，而不留在分型面处产生大厚胶边，影响产品质量。另外，余胶槽也有跑气作用，并能使分型面接触面积减少，使这一分型面的压强增大。
此橡胶模具因为是小批量生产，因此采用普通型余胶槽，为了加工方便采用半圆形余胶槽（取半径R=1.5mm），余胶槽距离型腔2mm。表面粗糙度Ra值为1.6-3.2μm。此橡胶模具取Ra=1.6。
启模槽
此橡胶模具由三块模板组成，为了便于将启模用的工具（铜启子、橇棒等）插入以撬开模具，必须开设必要的启模槽（也叫启模口、撬口等）。由模具规格与启模槽的关系，可得启模槽高度为5mm，启模槽宽度12mm。
(5)排气孔和排气槽
所谓排气就是排出模具型腔内的空气，让胶料充满型腔。在模具的设计制造中，为了有效地进行排气，常在模具结构的相关部位设计制作排气槽或者排气孔。由于此模具为压铸模具（模芯配合紧密，且先合模后加料），因此选用设计制作排气槽来排气。排气槽的设计与模具的浇注系统密切相关，即排气槽与浇注系统的进料口的位置有关。排气槽的开设按下面的原则确定：
排气槽应开设在远离浇口的浇道末端，那是气体最终聚集的地方；
排气槽应开设在靠近嵌件或壁缘最小处，以及橡胶汇合处，最易形成流动最后熔接缝，熔接缝处应排尽气体，并排除部分余胶，在硫化过程中当熔接缝处有橡胶排出时，说明橡胶已充满型腔。
排气槽应开设在分型面上，这样易排气。
此橡胶模具排气槽的规格为h=0.5mm，b=3mm。

(6)手柄的设计
对于一些外形和质量较大的模具，为了硫化操作和搬运方便，需要安装相适应的手柄。在模具的设计中，对于手柄的设计要求是：形状实用、美观大方、尺寸合适、连接牢固、使用可靠、持拿操作顺手和方便。安装手柄时应注意：
手柄的直径与模具的质量相适宜。焊接要牢固，以保证硫化操作和起吊时不变形、不脱落。
不同模板的手柄要错开，不能错开而在同位置的收兵要通过调整角度或长度而形成空间，以便于操作。
该模具采用简易手柄，直接用直径为10mm的钢筋制成，焊接在模板上。这种手柄制作简单，材料易得，不需要其他的机械加工，造价最低。但不美观，焊接时有可能使模具局部变形。遇到模具返修时，需要割开焊接处，返修后要重新装手柄，很麻烦。简易手柄一般用于简易模具，模具使用期短，质量不大（10Kg以下），但模板厚度在15mm以上的情况。
2.2.4收缩率的确定
(1)收缩率的概念
硫化前后，分子结构由线性结构变成了立体网状结构。而且在硫化过程中也发生了一系列的化学反映，放出一些气体，与硫化前相比，橡胶体积变小，相应的线性尺寸也变小，这种现象称为收缩。在模具设计中，橡胶硫化收缩率指在一定的条件下生产橡胶制品，硫化后的橡胶制品尺寸与模具尺寸差同制品尺寸之比。
(2)收缩率的影响因素
胶料在硫化时，其收缩率不仅受胶种和胶料配方的影响，而且还要受模压时的硫化条件（温度、压力、和时间）的影响，另外也与制品的形状、尺寸、结构及模具的结构有关。
胶种和胶料硬度
1)胶种 天然橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶和丁苯橡胶的收缩率几乎重合，它们的收缩率范围基本都在1.1%-2.3%之间。
2)胶料硬度 橡胶收缩率随硫化后橡胶硬度增加而呈马鞍形曲线变化。
硫化工艺条件对收缩率的影响
1)温度 硫化温度越高，收缩率越大。
2)压力 模腔受力大，产品致密度高，因而收缩率小；反之，模腔受力小，产品致密度小，因而收缩率大。
3)硫化时间 正硫化时间与硫化温度相关，硫化温度没提高10°C，硫化时间就缩短一半，所以正硫化时间对收缩率的影响表现在硫化温度上。而欠硫和过硫都会使收缩率变小。另外，胶料停放时间长，收缩率会变小。
(3)