激光清洗轮胎模具新工艺

激光清洗轮胎模具新工艺

周桂莲,赵海霞

(青岛科技大学机电工程学院,山东青岛　266042)

摘　要:激光清洗轮胎模具的原理是利用模具基体物质与表面附着的污垢对某一频率的激光能量吸收系数的差别,使激光能量充分被表面附着的污垢所吸收,从而受热膨胀直至气化,所形成的气体被吸收利用而不损伤甚至强化模具基体,以达到绿色清洗的目的。本文从激光的特性、激光器简介、激光清洗原理以及激光清洗应用分析等方面对激光加工技术新应用进行了探讨。关键词:激光;清洗;轮胎模具

中图分类号:T Q33014 文献标识码:A 文章编号:1005-4030(2003)05-0039-03

收稿日期:2003-05-14

基金项目:青岛市工业攻关重点资助项目(02-1-kj -gg -5)作者简介:周桂莲(1949-),女,山东青岛人,副教授,长期从事橡

机、化机制造工艺及科研工作,多次获国家、省、市级奖项。

1　激光的特性

激光,含义是受激辐射产生光放大。

激光同电子束和离子束统称为高能束,共同特点是束流携带着很高的能量在空间传输,通过聚焦,在焦点附近可得到104～1015W/cm 2功率密度的辐射,是强度最高的热源。激光的特点是单色性好,方向性好,亮度高,且相干性好。30余年来国际范围内科研、医疗、工业、农业、国防建设方面激光技术得到快速发展和应用,各种激光加工高新技术也不断被采用,新工艺不断出现。尤其80年代大功率激光器批量生产后,激光加工在激光技术应用领域中占1/3左右。2　激光加工及激光器的选择

激光加工即激光束高亮度(高功率)、高方向

性特性的技术应用,就是把足够功率的激光束聚集,然后照射到材料的适当部位,使其在10-11s 内将光能转变为热能。各不相同的光照参量使材料局部发生溶化、气化、金相组织变化及产生相当大的热应力,从而达到材料去除、连接、改性和分离等加工目的[1]。

下面为计算材料表面达某一温度T 时所需激光辐射功率密度q :

q =

0.885TK

at

　(W/cm 2)

式中:T 为温度,℃;

K 为材料的导热系数,W/(cm ・℃

);a 为材料的传温系数,cm 2/s ;t 为激光作用时间,s 。上式说明,对同一种加工材料,要达到的表面强度越高,所需激光辐射功率密度越大;而激光作用时间越长,所需功率密度越小。

产生激光的器件称激光器,1960年美国工程师Mamain 研制出世界第一台激光器,用于加工的激光器须具有一定的功率、较好的光束质量、稳定的输出。激光器由工作物质、激励源和光学减震腔三大部分组成。常用的激光器种类,按激光工作物质的形态可分为固体、气体、离子和准分子激光器等;按激光的振荡输出方式又可分为连续、重复脉冲和脉冲激光器。

选用激光器,即选择激光器的种类、功率和工作方式等,取决于加工形式、加工尺寸以及材料的种类。常用激光器选择如表1所示。3　激光技术用于模具清洗领域的重要性

在轮胎或模制品生产过程中,模具是一种必

不可少的机械设备。模具的好坏直接影响到轮胎或制品的质量。轮胎或制品的模具中都有花纹和标志图案,这些均为雕刻工艺,比较细腻。模具是在高压、高温的条件下反复使用的,模具型腔中的花纹、沟槽等处很容易积存橡胶和残留物,当积累到一定程度,就会影响轮胎或制品的表面形状,从

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　特种橡胶制品

　V ol.24　N o.52003年10月

S pecial Purpose Rubber Products

October 2003

表1　加工用激光器种类及主要性能

类　别名　称波长,μm发散角,rad工作方式典型功率,W主要用途

固体Nd∶Y AG 1.065×10-3连续最大103打孔、精密切割、缝焊及表面处理气体CO210.610-3～10-2连续达104量级切割、焊接、表面处理

而使产品成为次品或废品,所以模具表面必须经常清洗。

自从有了模具,模具的清洗一直是人们关心的问题。经过长期的探索,积累了许多清洗模具的方法。最初是使用高温碱水进行浸泡,这种方法效率很低,只适用于清洗小型模具,对于大型模具无能为力。后来人们发明了喷砂法,这也是目前常用的方法。尽管喷砂采用的介质不同,如砂子、玻璃珠或塑料珠,但所有的喷砂清模技术都极为相似,都存在工作繁重(如清理、装卸等),损伤模具表面,缩短模具的使用寿命等问题,从而增加成本。近几年来,行业中还有化学清洗剂清洗法、干冰法和高压水清洗法等,这些方法都不能从根本上达到清洗模具的目的,而且还存在着一定程度的污染。所以,目前轮胎和制品行业迫切需要一种高效、低成本,对环境无污染的清洗技术。

4　激光清洗轮胎模具的原理及优越性

激光清洗轮胎模具技术是指采用高能激光来照射轮胎模具表面,使表面的胶粒、锈迹和涂层等发生瞬间蒸发与剥离。

激光清洗机理大致可分为两大类[2]:一是基体与污染物对某一特定波长的激光吸收系数差别很大,或者两者溶、沸点程序有一定差距,污物吸收激光能量后,或气化挥发、或瞬间受热膨胀并被蒸气带离基体表面;二是基体材料与附着其上的污物性能差别不大,在高能量密度、高频率的脉冲激光作用下,污物层内产生分裂应力,而与基体脱离。

用激光技术清洗轮胎模具完全能达到行业发展的要求,它是一种高效、低成本、无污染的光电技术,比喷射法可提高效率10倍以上,且对模具无损,极大地降低成本,并对操作者有安全保证,无污染,属绿色清洗。德国J ET激光系统清洗模具表面的方法使用起来很方便,与移动系统结合在一起比喷射法清洗速度快的多,价格更便宜,对环保更有利。这种新型的激光清洗模具的原理如下[3]:

将功率近1亿W的极其短促的激光脉冲对准轮胎模具表面,突然施加到要洗掉的那一层硫化残余物上的能量不会散发掉,从而可把硫化残余物冲洗掉。当被清洗下来的部分物体产生挥发时,余下之物体,则以尘粒形式被抽吸出去并汇集于过滤系统而很容易得到回收。不断重复此过程直至硫化残余物全部清除掉为止。因为清洗轮胎模具金属表面的激光光束的能量或功率不足以对金属模具表面产生任何使其表面结构破坏的机械、热和化学作用,所以用激光清洗轮胎模具可保证模具表面完好如初。系统若满负荷运行,以轮胎生产厂一年清洗1500次模具计,可节省生产时间6000h,轮胎产量可增加约3万套,经济效益相当可观。

5　常用激光清洗的方法及应用前景

以上介绍的是德国J ET激光系统公司发明的新型激光清洗方法,归纳起来,常用激光清洗方法共有4种[4]:a)激光干洗法,即采用脉冲激光直接去污;b)激光+液膜方法,即首先沉积一层液膜于基体表面,然后用激光辐射去污;c)激光+惰性气体的方法,即在激光辐射的同时,用惰性气体吹向基体表面,当污物从表面剥离后会立即被气体吹离表面,以避免表面再次污染和氧化;d)运用激光使污垢松散后,再利用非腐蚀性化学方法清洗。目前前3种应用及试验较多,第4种仅见于石制文物的清洗中[5]。

激光清洗技术在德国推广应用至今已数年了,而我国才刚刚起步,主要是激光设备的投资昂贵,普遍应用还有一定难度。激光清洗技术与传统清洗技术相比较,有无法比拟的优点。目前轮胎模具高效率低成本的清洗方法急需推广。据统计,我国轮胎年产量已达1亿套以上,那么模具数量将是非常可观的,且一套模具使用3周左右就需清洗一次。可见推广应用激光技术清洗轮胎模具的意义重大。相信在此技术不断完善的基础上,随着设备的批量化生产,激光清洗技术将在轮胎模具清洗或其他的清洗业中发挥重要的作用。

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