轮胎模具的设计制造和表面处理

轮胎模具的加工工艺 电火花加工轮胎模具技术 CAD/CAM 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 TQ330.41
文献标识码 B
制 但是很难达到百之百杜绝) 2.3 电火花加工机床加工轮胎模具
国内外已经推出了许多用途各异 功率和加工 精度各不相同的电火花加工机床 目前轮胎模具行
再经过表面抛光处理才能达到模具要求的表面粗 糙度(这也是机床生产厂和模具厂认真研究的课 题) 对于变周节花纹的轿车轮胎模具 要每一种 周节做一个电极 制造成本增加很多
式中 P 一个模型上的锁模力 N
D1 受压平面的外直径 mm D 轮胎外直径 mm h 受压斜面高度 mm
1 受压斜面角度 [ ] 材料许用应力 一般可取 100MPa
1.2 胶囊模具设计
1.2.1 胶囊模具结构设计
斜交轮胎定型硫化机使用的胶囊按几何形状
划分 主要有 A 型 B 型 AB 型三种 工艺性能
活字块制作
抛光
模锻花块
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 尺寸的大小不同可控制在 0.20mm 以内) 光洁度 好(一般可控制在 Ra1.6 m) 可缩短加工周期 提 高生产率 减轻工人劳动强度 花形一致 有互换 性 轮胎产品的均匀性也得到显著提高 缺点 使 用一段时间后 在复杂的交变应力作用下 有可能 引起疲劳破坏 造成有花块脱落现象(如果焊接 镶嵌花块处理得当 这种现象基本上能够得到控
手动铣花机粗铣
图 ３ 传统手工刻花工艺制造外胎硫化模工艺流程图
研子口
抛光
钻气孔
胎冠喷砂
铲削刮研
模圈毛坯
回火
车型腔
划线
焊花块
活字块装配
精密铸造花块 模锻花块
成品
研子口
抛光
图 ４ 焊花制造模具工艺流程图
抛光
钻气孔
胎冠喷砂
活字块制作 铲削刮研
模圈毛坯
回火
车型腔
划线
铣镶花沟槽
镶花块
活字块装配
精密铸造花块
收稿日期 2000-02-16
1.1.1 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 10%-15% 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
β = l ×100% H
式中 β 电极长度损耗比(%) １ 电极长度损耗(mm) H 工件加工深度(mm)
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
CAD/CAM 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 刀具数据 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 CAD/CAM 具体流程如下
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橡 塑技术与装备
2001 年第 27 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 A3 材料焊接 活字 块一般使用 1Cr13 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]
1.1.3
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 45 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 15 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
及芯模均可导入蒸汽对胶体进行加热硫化 A 型胶
图 ２ Ａ 型胶囊模具结构简图
1 上模 2 上芯模 3 冷风管 4 蒸汽管 5 单向阀
6
下芯模
7
下模
8
调整垫
2 模具制造
2.1 传统手工刻花
传统手工刻花工艺制造外胎硫化模的工艺如
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
和较好的表面质量 目前也有一些模具厂用手动铣 部件并对各部件进行分析 包括必要的工程计算
花机进行粗加工后 再用电火花机床来做精加工
力学动态性能分析 确定几何 物理参数
2.3.3 电极损耗
(2)设计校核
电极损耗通常以电极长度损耗 体积损耗和重
校核各部件尺寸 强度 刚度 加工精度 公
量损耗表示 长度损耗可表示为
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 1.5~2.0MPa 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源自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
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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的研究项目
人工钻孔
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
活字块制作
成品 研子口
铸件毛坯 回火 划线
手工刻花 活字块装配 钻气孔 胎冠喷砂 抛光
成品
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[1] 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 通钢板焊接组合制造
(1)输入模具技术信息
差 利用 CAD/CAM 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 (5)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 80 100
铸件毛坯 回火 车型腔
手动铣花机粗
图 ６ 电火花腐蚀加工轮胎模具工艺流程图
2.3.2 电规准的使用
首先在计算机房通过 CAD/CAM 集成系统
脉冲电源的脉冲宽度 峰值电流和脉冲间隔是 根据用户所提供花纹总图和硫化机规格 型号等参
电规准的三要素 首先采用粗规准即大脉宽 大电 数建立三维模型 由计算机接口读入轮胎花纹参数
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
2.2~2.5MPa 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
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 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
图 １ 直接加热结构两半轮胎模具简图
1 上模 2 上钢圈 3 下钢圈 4 下模
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
σ (MPa)按下式计算[2]
[ ] σ = π 4
p
(D1 + 2htgα1 )2 − D 2
≤ [σ ]
(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 ZB95002-87 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 ZB95002-87 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 ZB95002-87 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 490MPa 毛坯必须 作退火处理 其硬度要小于 HRC23 目的是消除
具 工作效率也非常高 电火花腐蚀加工轮胎模具 的优点 分度定位精确 花纹深度控制误差较小 有利于提高轮胎动平衡性能 理论上加工的轮胎模 具可不经抛光直接使用(目前只有个别厂家能达 到) 对操作工人技术水平要求不高 质量稳定性 较好 劳动强度不大 缺点 要多台配合使用(粗 加工和精加工分组在不同的机台上进行)才能提高 生产效率 表面粗糙度的统一性不理想 一般还要
流和相对小的脉冲间隔对模具进行粗加工 它具有 和模具相关参数 利用 CAD/CAM 应用系统通过
较高的生产率 但加工精度和表面质量较差 二次 计算机与人对话 构思方案的总体设计 建立 完
加工时选用精规准即小脉宽 小电流和相对大的脉 善三维模具模型 将计算机设计模具几何模型 包
冲间隔进行二次精加工 从而获得较高的加工精度 括完整几何外形 尺寸 加工要求等分解成几个子
文章编号 1009–797X(2001)09–0035–06
科学技术是第一生产力 技术创新是决胜市 场的法宝 已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 WTO 以后 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
业大多使用水平旋转式工作台 具有光栅数显精确 定位 微电脑控制自动分度 自动控制加工深度功 能的电火花加工机床 国内已经引进了大型双头数
2.3.1 电火花腐蚀加工轮胎模具工艺 电火花腐蚀加工轮胎模具工艺流程图见图 6
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橡 塑技术与装备
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活字块制作
成品 研子口
电火花腐蚀加 活字块装配 钻气孔 胎冠喷砂 抛光
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苏超等﹒轮胎模具的设计制造和表面处理
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轮胎模具的设计制造和表面处理
苏超 1 刘尊品 1 顾骏庭 1 郭中奎 2
(1.江苏轮胎厂 221005 2.河南省环球模具有限公司 471001))
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