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第五章 配方设计的基本程序

浏览次数: 日期:2017-07-27

配方设计的基本程序

摩擦材料的产品开发,基本上要经过以下几个程序:

样品分析——设计配方——编制工艺——试制样品——性能检测——装用评价(产品鉴定或用户确认)

    1样品分析

    样品分析,是指对样品表面进行的分析研究的一项工作。此项工作,仅适用于来样产品,这个程序也说明了来样产品的特殊性。样品分析包括:样品外观表面质量分析与样品的性能检测。

  ⑴样品外观表面分析,是进行新产品开发的第一步,也是相当重要的一步。因为分析样品要错,那以后还能对吗,那要走多少弯路呀。但经验告知,样品分析还真的会有时出现错误。如对材质分析,是石棉、少石棉还是无石棉,这还真不好用肉眼分析得准确。因此,寻找较好分析手段,才能避免对样品的分析与判断,才能少走弯路。这对来源为被动型的样品更显重要。

由于产品基本均是由样品所决定的,很少一部份产品是由企业自主设计制造的,比如汽车、火车等机动车辆所用摩擦材料制品,甚至包括民用制品,如洗衣机刹车带等都是如此。也可说是摩擦材料行业的一个特点。

由客户拿来的样品,并提出了一些技术要求或希望条件项目,基本上也就是要开发和研制的样品所提出了目标要求。

对来样分析,主要做好以下二项工作:

①分析与判断样品的大概组成成份。

基本要搞清组成成份及大约用量。其主要成份是属橡胶基还是树脂基的等,比如对增强材料的分析是长纤维还是短纤维,含石棉还是非石棉的以及其它的一些表面可见特性的特征或所用的填料粒径、颜色、表面特征等。当然这要依赖工作经验的积垒与各方面理论知识的综合体现。

②搞清样品的制造工艺与制造装备等。

包括采用工艺方法、使用模具等。如刹车片是采用干法还是湿法工艺生产或是其它方法的生产工艺。再如离合器片采用是传统胶浆法生产工艺、贴胶法生产工艺、还是其它生产工艺方法的。采用的缠绕型是平行缠绕还是交叉缠绕,交叉缠绕是几个花瓣。以及使用的是排模还是筒模压制的等等。

样品分析的越细,对样品了解相关的内容越多,对尽可能快的设计配方并试制样品是有很大帮助的。同时可判断是否可利用现有生产条件,如设备、模具与加工工艺等,也是非常有益的。

⑵样品性能检测

样品性能检测,就是根据产品的质量标准或对其使用的技术要求。对样品性能进行检测。这是样品分析重要的一步。是准确设计要试制的产品,最终要达到的使用(技求)要求的重要参考。因此它是非常重要的关键一步。国家颁布产品标准有两种,一种是推荐标准,另一种是强制执行标准,在强制执行标准中,有些指标是判定合格指标,有些是参考指标,设计配方时必须考虑并满足判定合格指标,尽管有些标准已旧甚至过时,但不满足这些标准就是不合法。

对样品性能检测结果,应与现行国家、行业或公司标准,进行对比。还有什么不同之处(包括外观、摩擦性能、物理性能指标等)要进行分析。    

要摆脱将产品开发工作,花费在仿制外观像不像来样的那种工作状态,应尽快解脱出来,要走自已路,创自已的名牌产品。

样品性能检测要根据样品的使用条件,进行检测。根据样品式样分步进行。尽量做到项目检测越多越全面越有利的原则。样品过小可能出现不能测试几项,那就要根据来样的具体要求进行样品的性能检测。一般的说,样品的摩擦性能要测试的。要知道样品的摩擦系数、磨损率的水平,要了解样品的强度水平,还有一些如硬度、吸水率、比重等相应的技术水平等等。同时,对测试这些项目的水平,进行认真的评议这些技术水平,确定那些是要必保的而那些是可参考的。

⑶掌握样品使用条件

样品使用条件的掌握,与搞好样品有很大关系。因为摩擦材料使用条件的多变性,是摩擦材料制品的一大特点。因此,样品使用条件的掌握是非常重要的。在掌握了样品表面特性,以及样品的基本性能水平后,还要进一步更充分的了解和掌握制品使用的工作条件与使用环境,听取对样品的反映及对新产品的要求意见,商讨适宜合理条件,剔除实际作用不大与过高的不合理要求。这对搞好产品质量也是非常重要的。比如使用工况条件的环境的温度、湿度、载重量、工作压力、制(传)动特点与使用特点等等。这对最后确定产品配方设计与编制样品的试制方案,是非常重要的。如,几年前为适应露天矿运煤超载而开发的离合器面片,满足了客户要求,客户使用满意。但经二、三年后,还是这个客户反映说产品质量不如从前了,产品在使用中个别出现了破碎现象。经现场了解知道了,原来过去超载运煤车,装好煤运出矿点,只经几十米的几度小坡,就上路正常行驶。但露天矿经天天采煤,现矿深百米坡度已达十几度,坡长现已几千米,超载运煤车的使用条件,显然已发生了重大变化,原配方产品技术标准,显然已达不到改变工况条件后的使用要求。体现在产品的强度不足,在超大的扭矩作用下,产生了破碎。因此,摩擦材料制品的使用特殊性也是必须要面对的。再根据新的工况条件修改调整配方。提高制品强度、调整加工参数与方法,将冲孔改变为钻孔,产品质量尤其是抗扭矩作用能力增强后,就满足了矿貌改变后新的要求。

⑷形成实施方案

产品的实施方案应包括以下主要内容:明确的各项技术指标具体要求、基本明确了的原材料选择、选用的工艺路线、采取的装备与要想到的几个问题,即不可忽视的结构特性,如抗压强度、冲击强度、产品硬度、密度、气孔率、弹性模量等和使用条件的相互差别。制品质量标准,虽无具体要求,如盘式刹车片,虽无冲击强度具体要求,但若忽视了也会出现质量问题的,因为它与某种条件下的耐磨性也有关联的。再如,分别用于“杭T客与EQ153底盘”改装的公交客车用的同配方制动摩擦片,其质量差别极大,前者反映不耐磨,仅用几十天,而后者确反映该产品很好,耐磨性强寿命为前者的数倍。退过认真分析后表明,不仅相同配方而是同一锅料与完全一至的工艺控制参数,其差别为什么这样大呢,经详细调查了解,并经反复研究,最后查明了原因,就是因为制动摩擦片的宽度相差较多,造成两种制动片工作时的制动压力相差较大达24.7%所至,所反映出的问题是很有代表性。因此,一个质量较好的配方产品,应从配方设计、生产工艺、实施方案,还要与使用条件相一致的产品技术性能保证。

要完全满足各项技术要求是困难的,对不同的工况条件和要求,各侧重点有所不同,如矿山提升设备制动副,安全性尤为重要,故摩擦系数一定要保证足够高,并变化范围小;对汽车制动副,除安全性和使用寿命外,还要求舒适性与制动平稳、无噪音等。

用一个配方生产的产品,包揽生产企业全部产品,那是绝对行不通的。只有通过不断的开发、研究、设计多个配方,分别用于不同车型、不同使用工况条件与不同要求的制品,才能使企业不断发展。  

2配方设计

配方设计就是明确选用的原材料的技术要求(如细度、色泽、含量、规格、产地或其他性能等要求),并确定其使用数量(目前国内企业配方设计通常还是重量百分比为主)。因此,确定制品使用的材料要求并能准确定量,这是对配方设计的根本要求。

⑴选择合适的原材料

椐不全面的统计,现今国内摩擦材料制品行业使用的原材料不含型号差别,已经达到大约200余种。                     

要比较了解和掌握它们各自的性能,以及我们选用的原材料在配方中的作用或其对产品性能的影响等,这不是一个容易的事,而且还要从众多的原材料中选出的适合要求的所用原料并能准确定量,就更不容易。选择原材料要考虑:

  ①性能稳定。选取适用的原材料,尤其是要注意选用材料要具有较好的耐热性。其性能不应在生产或使用过程中发生较大的变化。还应注意有人通过用火烧来判定材料特性那是不可取的,有机类纤维如芳纶纤维等仅用火烧一烧来判定是不是耐热,那是不可行的,更应注意与其他材料间的相互作用后所具有的特性。

②安全环保,无危害。选取适用的原材料,不得对安全生产造成影响,对人或对环境产生危害与污染。

③选用的原材料应来源充足,价格低,运距近。选取的原材料还要考虑到要有一定的贮存期。结合现实特点,用量较大的原材料,最好要有两家以上的稳定的供应商。

④性价比优越,应选取质量与价格理想的原材料。并要掌握和了解所采用的原材料,在制品中相互之间的作用以及由它们组成的制品的基本性能。实现一个好的生产配方,一定是有好的产品质量以及较高的经济效益摩擦材料制品。

    ⑵制定相应的技术参数

    制定相应的技术参数,是在正常情况下所用生产设备无变化状态下进行的。但由于配方发生了变化,原用的一些工艺参数,必须要进行一些改动与调正。达到符合新配方使用的生产工艺要求。如新配方混料均匀程度、混合料比重大小、工装模具合不合适、生产过程中使用的溶剂安全有无影响等。

⑶首先要掌握原材料的基本特性并了解它的基本作用:

①能把同种或不同种材料连接在一起的媒介物质统称为粘结剂,又称胶粘剂。摩擦材料的粘结材料的粘结作用,是将各种材料粘连成一种结构致密的摩擦材料。

粘结材料在模压型摩擦材料中主要是酚醛树脂与各种改性酚醛树脂为主,而长纤维制品,如缠绕离合器片主要以橡胶为主。也是一定数量的制品是酚醛树脂与橡胶混合使用。粘结材料一般占配方总量的8~25%。

②增强材料的主要功能是提高摩擦材料的强度并限制其变形。增强材料可以决定制品的强度、制品的外形尺寸的稳定性以及影响摩擦材料制品相关的其他性能。

增强材料主要是各种纤维材料。

纤维材料可分为天然与化学纤维两大类。天然纤维又可分为植物纤维、动物纤维和矿物纤维三种;化学纤维又分为人造纤维与合成纤维两大类。人造纤维包括人造纤维素纤维、人造蛋白质纤维、人造无机纤维与人造有机纤维。人造无机纤维含玻璃纤维、碳纤维、金属纤维等。合成纤维包括聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维或其它如芳纶纤维、氟纶纤维等。

天然矿物纤维中用量最大的是石棉。由于石棉危害的提出,使其使用受到限制,开始寻求石棉代用材料。

纤维材料在摩擦材料配方中用量,一般占配方总量的12~50%。

根据采用工艺不同,配方也不相同,故采用纤维,纤维用量也完全不同。

如采用模压或辊压成型生产工艺,大多数采用短纤维增强材料;而采用编织成型工艺则要用长纤维增强材料。

短纤维增强材料,如石棉、各种短切纤维,如有机纤维、合成纤维、陶瓷纤维、无机纤维、金属纤维与各种复合纤维等。还有用于缠绕离合器片的长纤维,目前应用较多的是玻璃纤维、以及由玻璃纤维复合其它类纤维制的各种混合纤维纱线或各种各样的复合纤维等等,由于纤维用量较大,所以采用纤维对制品性能有明显的影响。

③摩擦材料中的填料的作用,是非常重要的。可以说配方设计选好了填料是成功的一半。如增摩擦力的填料:氧化铝、硅酸锆、长石粉、铬铁矿粉等。减磨材料如常用一石墨、二硫化钼以及人造石墨或新出现的一种称之为减磨粉的减磨材料等。还有最常用的重晶石、重钙、或轻钙等。通过这些原材料的合理使用,可以决定或调整制品性能。

应提倡在配方中尽量采用一些生产过程的下脚料,如生产中的废片利用及磨尘的使用等。

在目前还不能用理论计算的方法确定各种材料的配比,也不能确切推导出配方和性能之间的定量关系,在一定程度上仍然依靠于长期积累的经验,了解和掌握原材料的基本性质、各种填加材料对制品的性能影响以及与工艺控制的相互关系。

在目前企业常用的的配方试验方法,也称为爬山法(逐步提高法),而对那些黄金分割法、平分法、分数法或正交试验法等,很少采用。

3编制工艺

合理的生产工艺,是保证产品质量的重要条件。若没有一个好的合适的生产控制条件是生产不出好的制品的。编制工艺的要求:

⑴采用现有生产制造设备、工装、模具。

⑵利用现有生产工艺,不提倡在试验过程中随意加入一些操作,而实际上又很难实现的试验方法。那会给以后生产代来麻烦。

⑶做到试验过程和生产实际过程相一致。应减少差别,对试验结果带来的误差就小。

⑷尽量采用工人较熟悉的操作。这对生产过程中保证质量很有益的,也会减少很多麻烦的。

⑸应注重实用性,配方中材料的用量应控制在0.1公斤,尽量少的出现类似材料用量,如0.237公斤,这样的配方可能很准,但生产上实际很难保证加入量的准确,也可以肯定的说是保证不了,就是用电子称也难已实现。所以我们尽可能设计用量为小数点(公斤)后一位数,要便于称量。

⑹配方设计者要考虑到工艺因素有时对配方实施的重要作用。根据实践经验的积累就显非常重要。

4试制样品

㈠配方设计:

摩擦材料配方组成的、即配方用料的五大材料体系:骨架材料、粘结材料、增摩材料、耐磨材料与经济材料。选择好这些材料,这是配方设计的基础。这些材料的用量,要根椐不同制品的要求而不同。

⑴一般的说,粘结剂含量,盘式片在7~14%左右、鼓式片在9~18%左右、离合器片在5~15%左右。这要说的是配方中的树脂量,不能轻易的看到一个配方中树脂含量,就能说明什么,因为所采用的树脂因产地或型号不同,它们之间有较大的区别。如原沈阳厂生产的用于摩擦材料酚醛树脂,是采用辊炼法酚醛树脂,其中除酚醛树脂外。还含有长石粉或重晶石(长石粉或重晶石,在这里实际作用是工艺性材料,不加这些材料,酚醛树脂就极易掉辊,难以进行辊制操作,也可以说是该酚醛树脂辊炼工艺需用)。因此只知之酚醛树脂用量是不行的,我们还要验证一下配方后才可。同时也说明了,我们在配方设计时,还要想到对选用材料的规格或产地,也要有一个明显的标记。从摩擦材料制品性能上分析,酚醛树脂用量少比多好,更有利于制品性能的稳定。酚醛树脂细度越细越有利于用量的减少,如用200#酚醛树脂就可比用100#酚醛树脂少用2~4%,但过细的酚醛树脂也不利于使用,因体轻易飞扬、形成尘害、成为料损,也造成生产环境的不安全,从根本上说也难保证配方的准确,同时也会改变制品性能影响了产品质量。

摩擦材料中现用的粘结材料,具体应用见附表:主要粘结类材料性能一览表(3- 1)

⑵对使用的填充材料,也必需要求注明产地或规格,比如细度;100#200#325#600#,因其细度的不同,分散程度不同,表面积的不同。也造成了对制品性能的影响不同。

对不同产地的同一材料,其性能差异也较大。如重晶石,这是最普通的常用材料,但由于产地的不同,外观差别大到你都不认得。辽宁产的重晶石色泽是近黑色、而湖北产的则是纯白色,还有的地方产的是粉色等。这几种差别如此大的同种材料重晶石,其性能与作用肯定有差别。再如铬铁矿粉,其含量有的不到30%,而有的仅达20%,更有的才10%左右,尽管都称为铬铁矿粉,但性能与作用肯定也不能完全一致。

摩擦材料中现用的填料材料,具体应用见附表:主要填料类材料性能一览表(3- 2)

⑶增强材料对制品性能影响较大,尤其是对制品物理性能,如冲击强度、抗压强度、弹性模量等影响是很突出的。所以在摩擦材料的配方中,增强材料是必不可少的。有的人忽视增强材料,甚至于都不想这个影响显然是不适宜的。如盘式刹车的配方中,有人就不考虑这种影响、在火车闸瓦、石油钻机闸瓦也不大重视这些要求,往往认为产品规格较厚,强度要求不高,一般就可以了,这是不合适的。因为这些产品在工作时,要承受很大压力,若强度过低,变型也大,磨损无疑也会增大。

主要增强材料具体应用见附表:纤维类材料性能一览表(3-3)

㈡材料特性

为了更好的试验出较为理想的制品,所以进一步掌握材料的特性是非常重的,为此我们对各种材料的性能,也作了些试验,下面介绍一下试验后所得到的一些相关数椐。

试验的方法:

⑴采用同一个产品包装的各种原材料,以消除因材料的来源造成误差。

⑵利用相同的配方与生产工艺,压制相同的规格,作到样品相同。

⑶用同台试验机进行性能测定。

①这是一组重晶石性能测试对比试验结果,从中可见成份都是BaSO4,天然产的一种的重晶石,另一个称之为硫酸钡的也是一种天然产的重晶石,只是称呼而已,另外是将重晶石经加工制成硫酸钡,称之为沉淀硫酸钡,三者之间的性能是有差异的。

②三种纤维用量都为63%,芳纶纤维磨损与强度显然是好于另二种材料,但要考虑性价比。

③这是又一组纤维性能比较的基本配方制品性能测度结果,看出了性能的相互差异,对进行配方设计会有一定帮助的。

④它是接上表110浆泊纤维、纤维素纤维、68#棉与18#棉纤维性能的又一组18#纤维摩擦性能对比试验结果。

⑤这是又一组纤维特性对比试验的测试结果,其中预氧丝制品密度、磨损均明显好于超级棉、博尔棉纤维。

⑥也是又一组纤维摩擦特性的基础配方试验及其性能测试结果。

⑦对石棉的摩擦性能,也进行了基础性能试验,以便在今后摩擦材料配方设计中参考。
    同时,对某公司产的石棉类摩擦材料制品磨削粉尘的特性,也进行了基础配方试验。(各生产摩擦材料制品单位,因生产实用配方与工艺的不同,其性能会有一定的差别——注)。

⑧对常用的丁腈胶粉、轮胎粉以及一种用丁腈胶制品粉制的丁腈(也有称为丁腈角料粉)胶粉,在相同配比与工艺的状态下,其性能差异,耐热性丁腈胶粉略低于另二种胶粉,供参考。

⑨这是一组因高岭土制造工艺的不同,对摩擦材料制品性能的显示的作用的差别,说明了选取材料与严格控制材料对摩擦材料产品质量的重要意义。

⑩这是用一个配方并同时配好的料,但采用不同的酚醛树脂厂家的树脂,进行的定速摩擦性能试验,结果可明显说明,采用的酚醛树脂对摩擦材料制品性能影响不大。

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