轮胎模具的设计制造和表面处理.pdf

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1、第9 期苏超等.轮胎模具的设计制造和表面处理轮胎模具的设计制造和表面处理 苏 超，刘 尊品，顾 骏庭，郭中 奎2(1.江苏轮胎厂 2 2 1 0 0 5;2.河南省环球模具有限公司 4 7 1 0 0 1)摘要:论述了 轮胎两半钢质模具和轮胎胶囊模具的基本设计及制造技术。对传统轮胎两半钢质模的加工工艺和焊花、镶花轮胎模具的加工工艺，电 火花加工轮胎模具技术，C A D/C A M集成技术在模具加工的应用作了剖析和比 较。轮胎模具型腔的镀硬铬、喷砂和喷干冰表面处理技术也一并作了介绍。探讨和展望了轮胎模具设计制造的发展趋势。关键词:模具:胶囊;焊花:镶花;喷砂:喷干冰;固态二氧化碳 中图分类号:T

2、 0 3 3 0.4 1文献标识码:B文章编号:1 0 0 9-7 9 7 X(2 0 0 1)0 9-0 0 3 5-0 6 “科学技术是第一生产力，技术创新是决胜市场的法宝”己经被许多企业家所共识。最近几年轮胎模具行业的技术进步呈现出强劲的发展态势。一些新工艺、新材料、新设备、新技术在轮胎模具制造厂被广泛采用，并取得了显著的经济效益和社会效益。在一定程度上也促进了我国轮胎质量的提高和制造成本的下降。与此同时模具厂也在市场细分和目 标客户群优化筛选的基础上，创造了独有的产品 特色，逐步形成了自己的核心技术。使企业不断地向着“专、精、特、新”方向跨越式大发展。这将有利于迎接我国加入WT O以后

3、，世界经济给企业带来的机遇和挑战。为了促进轮胎模具行业的整体发展，用科技的杠杆撬动经济的巨轮。现将轮胎模具设计、制造和表面处理技术系统地作一介绍，谨供参考。1 模具设计1.1 两半钢质轮胎模具设计 轮胎模具内轮廓的几何形状和参数来源于轮胎的花纹总图，一般在设计轮胎模具内腔几何形状时可以忽略不计橡胶弹性体的收缩率，直接引用轮胎花纹总图有关尺寸参数【】。目 前轮胎厂所使用的绝大多数轮胎模具，一般都设计为直接加热结构形式，只有极少数设计成直接热套式或间接热套式加热结构。其结构方式的选取主要取决于轮胎硫化设备。直接加热结构的模具材质一般选用铸钢件，而热套式加热结构的模具一般材质选用铸钢件和普通钢板焊接

4、组合制造。收稿日 期:2 0 0 0-0 2-1 61.1.，两半钢质轮胎模具结构设计技术要求 (1)确保轮胎产品达到工艺结构要求，内轮廓几何形状和参数符合轮胎花纹总图。(2)与硫化设备的安装配合(几何形状和配合公差)正确无误。(3)必须确保模具有足够的强度和刚度。(4)对于没有隔热罩的热板导热模具(如四立柱热板式硫化机使用的模具)胎冠部位的厚度要比A型双模定型硫化机所用模具厚度再增加1 0%一 1 5%,保证能够储备一定的热容量，满足硫化工艺过程模温均匀、稳定。(5)结构合理，加工制造工艺良 好，装卸方便，定位准确。(6)分型面位置选取合理，有利于硫化后的轮胎脱模。(7)排气沟和排气孔的布局

5、合理，既不影响模具的导热和强度又能使气体顺利排出。(8)型腔表面粗糙度和加工精度的选取合理，模具的工艺性和经济性根据具体情况各有侧重。图1 为直接加热结构两半轮胎模具简图。硫化罐用外模的外形几何尺寸可以参考国家专业标准Z B 9 5 0 0 2-8 7的表 1;A型硫化机用外模的外 形 几何 尺 寸 可 以参考 国家专 业标 准Z B 9 5 0 0 2-8 7 的表2;B型硫化机用外模的外形几何尺寸可以参考国家专业标准Z B 9 5 0 0 2-8 7 的表3.1.1.2 两半钢质轮胎模具部件材料 模具的上模、下模、上钢圈和下钢圈均采用铸钢材质，其抗拉强度不能低于4 9 0 M P a。毛坯

6、必须作退火处理，其硬度要小于 H R C 2 3。目的是消除橡塑技术与装备2 0 0 1 年第2 7 卷铸件内应力防止几何变形以 及方便刻花操作。其余附件(如定位块、吊 环等)可用A 3材料焊接，活字块一般使用 1 C r 1 3材质。要注意到铸件不得有裂纹、砂眼、气孔和疏松等铸造缺陷。囊的脱模靠通过冷风管(3)和单向阀(5)进入的压缩空 气 顶 出 芯 模 3 0 图t 直接加热结构两半轮胎模具简图 1 一 上模;2 一 上钢圈;3 一 下钢圈;4 一下模1.1.3 两半钢质轮胎模具分型面压应力计算 在设计模具时，通常是以上壁厚度及冠部模型分型面受压宽度为基础。模型分型面受压应力6(M P

7、a)按下式计算2 图2 A 型胶囊模具结构简图1 一上模:2 一上芯模;3 一冷风管;4-蒸汽管;5 一单向阀;6 一下芯模:7 一下模:8 一调整垫_P，r _ 1口=.尸 介 二-一 一一 一一一 甲一 一 一 一 又)i U 兀I t*,.，I _ _ _ _.2 *,2 1 万 W l 十 rl 心以1)一口 4 一式中 P 一个 模型上的锁模力，N;D,受压平面的外直径，M m;D.一.铸仑 胎外直径，M M;h 一 一 受压斜面高度，m m;Q I 一 畏压斜面角度;。一井才 料许用应力，一般可取1 0 0 M P a o1.2 胶囊模具设计，.2.，胶囊模具结构设计 斜交轮胎定型

8、硫化机使用的胶囊按几何形状划分，主要有A型、B型、A B型三种。工艺性能方面各有利弊。但是胶囊模具的结构只有一种，即热包式胶囊模具。设计胶囊模具与设计轮胎模具略有不同，它既要按照胶囊图纸设计型腔的几何形状和参数，还要考虑到胶囊与硫化机连接部位的收缩率，确保良 好的密封性能(硫化过程中胶囊要承受2.2-2.5 MP a 压力的过热水压力)。如果处理不好会出 现过热水泄漏，造成废品轮胎。图2为A型胶囊模具结构简图。模具分上模(1)、下模(7)和芯模三部分，芯模又分上芯模(2)及下芯模(6)。上下模及芯模均可导入蒸汽对胶体进行加热硫化。A型胶2 模具制造2.，传统手工刻花 传统手工刻花工艺制造外胎硫

9、化模的工艺如图3 所示。对于带蒸汽热包的硫化模具，粗加工后焊接，焊完必须作二次退火处理。夹套式外模、胶囊模，粗加工后和成品最终检验时，都必须进行水压试验(一般用1.5-2.O M P a 压力，保压8 小时)。这种工艺只适合于小型模具加工企业。优点是加工设备简单，有几个有技术的刻花工就可以形成小批量生产。缺点:加工精度低，很难保证模具的尺寸精度、几何形状精度、相互位置精度，由于整个模具的型腔是在对每个小区域进行钳工修整后获得的，各个局部区域的曲面不可能完全一样，因而造成整个模具型腔不是圆环曲面而是多面体组合，型腔的圆度一般都达不到精度标准且劳动强度大、对刻花工技术水平要求高、生产周期长。2.2

10、 焊花、镶花工艺制造模具 焊花工艺适合于制造巨型工程轮胎和大型农用水田 胎模具。镶花工艺适合于制造一般规格的载重胎、乘用胎、农用胎和摩托车轮胎。这两种工艺都属于花块组合拼接法制造模具范畴。只是在与模圈的连接方式上一个采取焊接法，一个采用镶嵌法。焊花工艺所用的精密铸造或模锻的钢质花块底部坡口角度取 4 5 0，焊脚尺寸 K 为花块宽度的1/4-3/8。镶花工艺所用的 精密铸造或模锻的 钢质花块底部镶下去部分要有 巧“镶嵌角。顺便说一第 9 期苏超等.轮胎模具的设计制造和表面处理下，到目 前为止还未发现能经受长期使用考验的粘接剂来直接把花块粘到模圈上。对于粘接剂制造厂来说该产品应当是一个有市场潜力

11、的研究项目。图4 为焊花制造模具工艺流程图，图5 为镶花制造模具工艺流程图。图3 传统手工刻花工艺制造外胎硫化模工艺流程图图4 焊花制造模具工艺流程图 图5 镶花制造模具工艺流程图 以 上两种工艺的优点:外胎模型的胎肩和胎冠控电火花机床，这种机床可以同时加工两付轮胎模处由车加工成型，尺寸精度高(一般根据轮胎外径具，工作效率也非常高。电火花腐蚀加工轮胎模具尺寸的大小不同可控制在士 0.2 0 m m以内)，光洁度的优点:分度定位精确、花纹深度控制误差较小，好(一般可控制在R a 1.6 u m)，可缩短加工周期，提有利于提高轮胎动平衡性能。理论上加工的 轮胎模高生产率，减轻工人劳动强度，花形一致

12、，有互换具可不经抛光直接使用(目 前只有个别厂家能达性，轮胎产品的均匀性也得到显著提高。缺点:使到)，对操作工人技术水平要求不高，质量稳定性用一段时间后，在复杂的交变应力作用下，有可能较好，劳动强度不大。缺点:要多台配合使用(粗引 起疲劳破坏，造成有花块脱落现象(如果焊接、加工和精加工分组在不同的 机台上进行)才能提高镶嵌花块处理得当，这种现象基本上能够得到控生产效率、表面粗糙度的统一性不理想，一般还要制，但是很难达到百之百杜绝)。再经过表面抛光处理才能达到模具要求的表面粗2.3 电 火花加工机床加工轮胎模具糙度(这也是机床生产厂和模具厂认真研究的课 国内 外已 经推出了 许多用途各异、功率和

13、加工题)，对于变周节花纹的轿车轮胎模具，要每一种精 度各不相同的电火花加工机床。目 前轮胎模具行周节做一个电极，制造成本增加很多。业大多使用水平旋转式工作台，具有光栅数显精确2.3.1 电火花腐蚀加工轮胎模具工艺定 位，微电 脑控制自 动分度、自 动控制加工深度功电火花腐蚀加工轮胎模具工艺流程图见图6 0能的电火花加工机床。国内己经引进了大型双头数橡塑技术与装备2 0 0 1 年第2 7 卷图62.3.2 电规准的使用电火花腐蚀加工轮胎模具工艺流程图 首先在计算机房通过 C A D/C A M 集成系统，脉冲电源的脉冲宽度、峰值电流和脉冲间隔是电规准的三要素。首先采用粗规准即大脉宽、大电流和相

14、对小的脉冲间隔对模具进行粗加工，它具有较高的生产率，但加工精度和表面质量较差。二次加工时选用精规准即小脉宽、小电流和相对大的脉冲间隔进行二次精加工。从而获得较高的加工精度和较好的表面质量。目 前也有一些模具厂用手动铣花机进行粗加工后，再用电火花机床来做精加工。2.3.3 电极损耗 电极损耗通常以电极长度损耗、体积损耗和重量损耗表示，长度损耗可表示为:l_ _ _ _=-x1 UU/o式中 p 一 七 极 长 度损 耗比(%):1-七 极长度损耗(m m);H-一 一 工 件加工深度(m m)o 电极的损耗表现在各个部位都不相同，角损耗大于边损耗，边损耗大于端面损耗。科学合理地调整电规准，可使电

15、极损耗比控制在较小的范围内。2.4 计算机辅助设计和辅助制造轮胎模具 C A D/C A M 把计算机引入到轮胎模具设计和制造中来。轮胎厂只需要提供花纹总图和硫化机规格、型号等参数，模具制造厂根据这些参数和数据库连接，将信息通过计算机应用软件系统完成模具参数化设计。计算机直接将模具设计数据存入工艺数据库，通过工艺规程生成所需的各种机械加工信息。这些信息包括:模具三维模型几何信息和模具加工机床参数、力具数据、量具数据、夹具参数、加工余量参数、标准公差、切削用量、工时定额等。其中，切削参数和工时定额是在对企业现有数据进行调查、分析、计算后获取的。C A D/C A M具体流程如下:(1)输入模具技

16、术信息根据用户所提供花纹总图 和硫化机规格、型号等参数建立三维模型。由 计算机接口读入轮胎花纹参数和模具相关参数。利用 C A D/C A M 应用系统通过计算机与人对话，构思方案的总体设计，建立、完善三维模具模型。将计算机设计模具几何模型，包括完整几何外形、尺寸、加工要求等分解成几个子部件并对各部件进行分析。包括必要的工程计算、力学动态性能分析，确定几何、物理参数。(2)设计校核 校核各部件尺寸、强度、刚度、加工精度、公差。利用C A D/C A M集成系统观察设计，用分层、分块和剖面技术深入校核设计内部构造，并计算在工作环境下的变形和应力分析，确定是否有需要改进的地方。这样，模具产品直接在

17、计算机上进行性能模拟仿真。(3)计算机自 动绘图，生成生产所需的图档。(4)辅助工艺人员和管理人员编制工艺规程，制定生产计划和作业调度计划。(S)将计算数据输入数控加工机床人员将有关数据输入数控加工中心、五轴联动数控铣床、双工位五轴联动数控刻花机、数控线切割机床、双头数控电 腐蚀机以 及四轴联动数控刻字机等加工设备。该系统会按程序自 动把模具加工出来。优点:适应于高精度轮胎模具加工的多品种、小批量和高效率特殊生产方式。可大幅度缩短工艺流程时间，提高加工精度和产品质量。缺点:设备价值过高，对技术人员要求较高，生产成本也高。2.5 轮胎模具的胎冠喷砂工艺 近年来轮胎厂都要求对模具胎冠部位进行喷砂处

18、理。这种模具加工出来的轮胎胎冠花纹区域可获得亚光色泽的感观。可用负压虹吸喷枪分两次对胎冠部位喷砂。操作时注意到第一遍用8 0-1 0 0#第 9期苏超等.轮胎模具的设计制造和表面处理粒度砂粗喷，第二遍用 1 5 0 2 8 0#粒度砂细喷。接近防擦线的环形区域要按照一个方向喷射。喷砂的名称、牌号和粒度见附表。附表胎冠部位喷砂牌号和粒度一览表用-研研研研作一粗精粗精系列名称牌号颜色强度和硬度粒度GzooTH开氧化铝系列碳化物系列普通棕刚玉 铬刚玉黑色碳化硅 碳化硼灰褐、暗褐、粉红、暗红 浅紫色 黑色半透明 灰色至黑色硬度和韧性较高，能承受很大压力 韧性较好 比刚玉硬，性脆而锋利 硬度仅低于金刚石

19、8 0-1 0 0#1 5 0 2 8 0#8 0-1 0 0#1 5 0-2 8 0#2.6 轮胎模具镀硬铬工艺 轮胎模具广泛采用镀硬铬工艺进行型腔表面处理，使硫化出来的轮胎表面极富光泽。可以在一定程度上延缓模具的结垢时间，减小模具对污垢的附着力，方便模具的清理。镀硬铬工艺很简单:系在含有铬酸离子和硫酸根离子的电解液内以铅或铅合金为阳极，钢模具为阴极。并通以直流电，在优选镀液配方、温度、电流密度等工艺条件下进行。随时间的延续，模具型腔将获得均匀细致光亮、高硬度、高耐磨的硬铬层。优点:硬铬层的化学稳定，对模具型腔起良 好的保护作用，可延长模具的使用寿命。经镀铬后的轮胎模具硫化出的轮胎产品表面呈

20、 现出乌黑光亮的色泽。在硫化过程中还有利于胶料的流动和充满型腔，脱模力也会减小很多。缺点:有时会出现局部铬层片状脱落，影响轮胎外观质量。处理方法:一般可以退镀后再重镀硬铬层。很多优势，很有发展前景。这里着重介绍这种新方法。工艺原理:当固态二氧化碳喷射到模具表面时，在零下 7 8 低温固 态 C O:颗粒冲击力的作用下，固态C O:在模具表面瞬间蒸发变成气态C 0 2，此时污垢和模具(模温约 1 5 0 0C)之间产生巨大的热蒸发温差，使模具表面的污垢冷冻至脆化及爆裂，当固态C O:颗粒钻进污垢的裂缝后，随即气化，其体积瞬间膨胀近8 0 0 倍，从而把污垢带离模具表面达到迅速、彻底清除模具的目的

21、。在轮胎生产厂使用固态C O:颗粒清洗法清洗轮胎模具有以 下几个优点:(1)可在硫化机上直接清洗刚用过的热轮胎模具，不需要冷却，不需取下模具，可以就地清洗;(2)不损伤模具，不留下任何残留 物;(3)可以 清洗细小的排气孔(这是任何其它方法无法达到的);(4)对操作人员无毒、无刺激，不污染环境。3 结垢模具表面处理 为了保证轮胎的外观质量和模具表面粗糙度及其工艺性能，必须对模腔进行定期清洗。目 前较常用的模具清洗方法主要有:用砂布和钢丝刷物理清洗法、干式喷砂法、水力喷砂法、化学法、超声波法和最近引进的固 态二氧化碳喷射法等4 1。从使用效果上看，这些工艺方法都是有效的，但是都存在一定的缺点和不

22、足。砂布和钢丝刷清洗法和喷砂法对模具腔体的棱角损伤较大，能够缩短模具使用寿命，同时非常容易堵塞模具的排气孔。一般模具的 排气孔数量在数百到数千个之多，喷砂前堵排气孔或喷砂后疏通排气孔的工作量是很大的。化学法对模具有腐蚀作用或污染环境对操作者的身体有负面影响，可影响模具使用寿命。超声波法适应范围 局限 性较大，使用不方便，优势不明显。固态二氧化 碳喷射清洗法在我国刚进入使用阶段，设备价格相对较高，干冰粒的来源和贮运也有诸多的不便。但是从除垢效果上来看固态二氧化碳喷射法具有4 轮胎模具设计制造的发展趋势 随着我国加入WT O以及知识经济和网络经济时代的到来，国内市场国际化，全球市场一体化的格局正在

23、逐步形成。国际轮胎制造业和轮胎模具制造业的产品大量涌入我国市场已是历史发展的必然。要在国际化、全球化市场的大潮中站稳脚跟，参与竞争，模具厂的技术发展战略可以分两步走:第一阶段加大技术改造力度，有一定实力的企业要不失时机地上 C A D/C A M 集成系统。第二阶段将逐步建立C I MS 系统。要千方百计缩短与发达国家模具企业的距离，尽快形成与国际市场接轨的商务氛围。高档次轮胎模具是轮胎行业的主流产品己 成定局。作坊式的轮胎厂和模具厂在大浪淘沙后，被淘汰出局也是历史的必然。第一阶段为 C A D/C A M 系统的集成阶段。在这个阶段要把必要的数控机床和工作中心填平补齐。对现有设备加以改造，如

24、:有些企业目 前正在使用的光电跟踪铣花机稍加改造就可以转变成数橡塑技术与装备2 0 0 1 年第2 7 卷控铣床。光电 跟踪线切割亦然。对 C A D,C A E,C A P P,C A M,P D C,P P C和C A Q等各种功能不同的软件系统通过统一的友好用户界面，在标准网络支持下集成起来。将产品设计、工艺设计、生产计划、调度和车间制造以及质量保证等过程连成一体，形成一个闭环系统。用统一的执行程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，以 便系统内信息畅通，协调各个系统有效地运行。数控机床程序可通过接口直接传送到各种数控模具加工机床。通过集成系统将产品设计与生产控制和质量管理集成起来，

25、通过生产数据采集形成了一个闭环系统。第二阶段为 C I MS技术对轮胎模具设计制造进行进一步全面改造，逐步形成一个从市场研究、生产决策、产品设计、工艺设计、加工制造到销售经营的闭环控制系统。这个阶段将大幅度提高技术经济效益和市场竞争能力。该系统可由下面几个部分构成:(1)加I系统 包括能够实现自 动加工的生产设备，如通用的和专用的数控加工中心、数控机床、五轴联动数控铣床、双工位五轴联动数控刻花机、数控线切割机床、双头数控电腐蚀机、四轴联动数控刻字机等加工设备和质量检测站等。这些生产设备能直接接受计算机控制系统的指令，完成所分配的生产任务，并能反馈有关信息给控制系统5 (2)物料的运输系统 包括

26、物料在机床间的传送、零部件在机床或试验台上的安装和定位。C I MS中的物料运输系统是由 计算机控制的，能够做到根据工艺路线的不同，自 动改变运输路线，即允许物料从一个工作点运到另外任何一个工作点，以实现生产过程的柔性和混流加工。实现物料的运输通常采用自 动导向 运输车。(3)计算机控制系统 C I MS 中的计算机控制系统通常由多台计算机组成三级网络:工厂级、部门级和操作级，分别完成生产计划与控制、生产过程控制、机器控制、物料输送控制、刀具控制和系统运行监控等功能。从系统工程的角度来看，C I MS 组成了由物料流、控制流和信息流的集成系统，其中信息流是系统集成的核心，控制流是集成的手段，物

27、料流是集成的对象。5 结语 目 前轮胎模具行业的竞争非常激烈，有些企业己经被淘汰出局，有些企业步履维艰，只有极少数企业占竞争优势。虽然通过技术进步可以逐步降低成本，有利于市场开创。但是企业要想有可持续发展的竞争优势还必须明白:竞争的核心是创新，是广义的创新，绝对不能只停留在单纯的技术方面创新。这种创新应当包括观念创新、组织创新、技术创新和市场创新。要在市场经济的浪潮中创出自己的特色，塑造出品牌，生产出打得出去、立得住脚、坚持下去的产品。还要通过4 P的均衡组合，提高产品的知名度、偏爱度、尝试率和忠诚度。这样企业才能逐步做强做大!参考文献:1 马占兴等.橡胶机械设计(下册)M .北京:化学工业出

28、版 社 1 9 8 4.3 6 8-3 6 9.杨顺根等.橡胶工业手册第九分册(上册)M 北京:化学工业出版社，1 9 9 4,8 7 6.杨顺根等。橡胶工业手册第 九分册(上册)M l.北京:化学工业出 版社.1 9 9 4.1 0 0 5-1 0 0 9.梁守 智等。橡 胶工业 手 册 第四 分册 M .北京:化 学工业出 版社，1 9 8 9,8 0 2.徐4等。机械设计手册(第5 卷)M L 北京:机械工业出 版社，1 9 9 2,4 1-3 6 7-4 7-3 1 5.2345 D e s i g n F a b r i c a t i o n a n d S u r f a c e

29、 T r e a t me n t o f T i r e Mo l d S U C h a o,L I U Z u n p i n,G U J u n-t i n g,G U O Z h o n g-k u i (J i a n g s u F a c t o ry X u z h o u 2 2 1 0 0 5;H e n a n G l o b a l m o l d C o.,L t d.L u o y a n g 4 7 1 0 0 1，C h i n a)A b s t r a c t:P r e s e n t s t h e b a s i c d e s i g n a n

30、d m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y f o r t w o h a l f s t e e l m o l d s a n d b l a d d e rm o l d o f t i r e.H e r e m a k e f u r t h e r a n a l y s i s a n d c o m p a r i s o n w i t h t h e t r a d i t i o n a l p r o c e s s i n g w e l d i n g s p a r k m o s a i cs u r f a

31、c e e l e c t r i c s p a r k i n g,C A D/C A M i n t e r g n e a t e d t e c h n i q u e s u s e d i n t h e f a b r i c a t i o n o f t w o h a l t m o l d a n di n t r o d u c e d t e c h n i q u e s o f c h r o m i n u m p l a t i n g,s a n d b l a s t a n d s p r a y i n g d ry i c e f o r s u r f a c e t r e a t i n g t h e d e v e l o p i n gt r e n d o f t i r e m o l d p r o s p e c t e d.K e y w o r d s:m o l d;b l a d d e r;w e l d i n g s p a r k;m o s a i c c a v i t y s u r f a c e;s a n d b l a s t;s p r a y i n g 勿 i c e;s o l i d c a r b o n d i o x i d e