胎硫化机(轮胎模具结构研究现状及分析)

Posted 2023-12-11

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胎硫化机(轮胎模具结构研究现状及分析)

随着汽车工业的快速发展，对轮胎的要求趋向于扁平化、高速化及环保化，对轮胎配套的模具要求也相应的提高。轮胎的外观和性能很大程度上决定于轮胎的硫化工艺，轮胎模具是轮胎硫化过程中必不可少的工具，模具结构是否合理对轮胎的质量至关重要，以下从模具结构为切入点进行研究分析。

模具结构分类及工作机理

根据轮胎模具的结构分为轮胎两半模具和活络模具。轮胎两半模具结构较简单，主要有上、下侧板和上、下钢圈，上、下侧板的分型面在轮胎花纹的中心线上，模具工作时上、下模打开。活络模具的结构较复杂，主要分为型腔板和模壳两部分，型腔板为直接与轮胎胎坯接触的零件，主要有花纹块，上、下侧板，上、下钢圈；模壳是模具的导向机构，用来控制模具的开合运动，主要有中模套、弓形座、上盖、底座、耐磨板、导向条、安装环、提升块等，模具动作时，弓形座和花纹块做径向开合运动。2种模具结构分别如图1、图2所示。

图1 活络模具

1.安装环 2.中模套 3.弓形座 4.下耐磨板 5.底座 6.花纹块 7.下侧板 8.上侧板 9.上盖 10.上耐磨板

图2 两半模具

1.上侧板 2.上钢圈 3.下侧板 4.下钢圈

活络模具导向机构的导向面为斜平面的称为斜平面式轮胎活络模具。斜平面式模具在开合过程中，中模套和弓形座是平面接触。模具弓形座的数量一般为8~10块，在弓形座上和与其配合的中模套上需加工出8~10个斜平面。为了保证成品轮胎不出现胶边和错花外观质量问题，斜平面模具的合模精度要求很高，模具上斜平面加工要求8~10个平面圆周等分且平面都向心，斜平面的向心角度应保持一致。普通的加工机床不能满足这样高的精度要求，需专用的数控机床加工，模具零件磨损后花纹块内部会出现直径误差，降低硫化轮胎的圆度且易出现轮胎胶边问题，但是斜平面式模具对硫化机上下热板的平面度要求较低且适应性好。

活络模具导向机构的导向面为圆锥面的称为圆锥面式活络模具，与斜平面相比，圆锥面有良好的可加工性，普通的机床可满足精度要求。圆锥面式模具的装配精度要求较低，模具零件磨损后，周向偏差能够自动补偿，对硫化轮胎圆度影响小，对轮胎的胶边和错花问题影响也不明显。但是模具开合过程中，弓形座和中模套上的耐磨板由线接触逐渐过渡到圆锥面接触，造成耐磨板不均匀磨损、模具动作不平稳以及对硫化机的适应性低。

模具的温模过程与轮胎硫化

目前轮胎硫化过程中的加热方式有蒸锅式和热板式。蒸锅式加热是将模具放入密封的硫化罐中加热；热板式加热是模具上有2个加热源：一是硫化机的上下热板，温度约为150℃，用来硫化轮胎的胎侧；二是模具的中模套气室通入约为160℃水蒸气，热能向里通过弓形座传递到花纹块上来硫化胎面花纹部分。蒸锅式和热板式模具结构上的不同是蒸锅式的中模套上不加工气室，热板式中模套上加工气室通入过热水蒸气作为模具热源。

胎坯装入硫化机前模具需要预热一段时间，使模具达到轮胎硫化时需要的温度。硫化机带动安装环与中模套向上运动，同时弓形座带动花纹块径向运动，实现模具开模。随后机械手抓取胎坯放置于硫化机中心机构的硫化胶囊上，定位完成后，在硫化机作用下模具上盖和上侧板向下运动，弓形座与花纹块在中模套施加力的作用下径向合模成为整圆。胎坯在一定的温度和压力下加热一段时间，胎坯硫化为成品轮胎。

有限元分析

以有限元分析软件ANSYS为例说明模具结构分析过程。ANSYS可以对需模拟的模具进行结构分析、热分析、电磁分析和多物理场耦合分析。分析过程包括前处理、求解过程与后处理。以63.5号硫化机使用的1188型号模具为例说明分析过程。

前处理过程包括模具模型的建立、模具材料属性的设定等，有限元模型有2种建立方式：一是在分析过程中直接在有限元分析软件中建立模具模型；二是在CAD软件中建立模具模型后，通过与有限元分析软件的接口导入模型，该方法可以发挥CAD软件强大的建模优势，避免直接在有限元分析过程中建立复杂的模型。材料属性中的弹性模量和泊松比的数值根据模具材料来确定，有限元模型如图3所示。

图3 有限元分析模型

求解过程包括网格划分、载荷及边界条件的设置，模具零件的网格划分一般采用六面体网格，结构复杂的模具网格划分一般为自由网格划分，AN⁃SYS中的接触设置一般在网格化分后模拟模具装配情况。边界条件的设置主要是对零件自由度的限制，模具内轮廓曲线部分设置为固定，中模套径向固定。模具载荷主要是由模具上盖受到的合模力和硫化胶囊施加的过热水压力，合模力加在上盖和安装环上，过热水压力加载模具的内轮廓曲线上。

将设定好的分析模型提交分析，在后处理模块中查看模具受力分析的结果，包括应力应变云图、位移云图。根据云图颜色和数据可以查看模具零件各部分的变形情况，如最大变形区域及变形数值，以分析结果为依据进行模具结构优化。

模具结构优化

以减小模具型腔温差、减轻模具质量和缩短模具的温模时间为目标改进模具结构，根据对模具结构的有限元分析结果进行改进取得了一定的成果。从现场经验看，为解决轮胎胶毛、胶边和错花的外观质量问题来改进模具结构取得了一定的进展。

从减轻模具质量和缩小模具体积方面考虑，模具结构改进方案有：①模具花纹块与弓形座加工为一体，可以减轻模具质量，模具体积也相应缩小，有利于提高模具动作时的径向行程；②弓形座的张角由常用的33°变为25°，在不影响其温模时间和型腔温差的情况下可以减轻模具质量；③对于有特殊内轮廓曲线的模具或生产规格和花纹相对固定的轮胎时，为了缩小模具的体积将从模具的上盖与上侧板、底座与下侧板、弓形座与花纹块分别加工成一体结构，此时模具的体积缩小和质量会减轻，但是该结构的模具对于同一规格不同花纹轮胎生产时不具有型腔结构的可替换性。

图4 弓形座与花纹块接触方式

从改进模具型腔温度分布均匀性的角度考虑，减小模具底座耐磨板的面积，如耐磨板的形状由梯形变为矩形，使得花纹块的整体温度升高且型腔的温度均匀性也更好；减小中模套耐磨板的宽度，此时模具型腔整体温度有所降低，模具型腔中花纹块温度的均匀性得到改善。花纹块与弓形座的接触方式对模具型腔温度分布的均匀性存在影响，如图4所示，若弓形座与花纹块的接触面为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，这种接触方式降低了下热板的低热源影响，从而降低了花纹块上下部分的温差，提高了模具型腔温度均匀性。花纹块与弓形座的接触方式改为Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ面接触，此时弓形座与花纹块接触面积增加，模具温模时间减小，但花纹块温度分布均匀性有所降低。

避免轮胎表面产生胶毛问题，可从2个方面考虑：一是改进模具气孔套结构；二是改变模具排气的方式。气孔套结构由普通气孔套换成弹簧气孔套，其工作原理为在弹簧的作用下，型腔内的气体从轴芯与轴套之间的间隙排出，空气排出后胶料顶在轴芯上并给轴芯施加压力，从而避免胶料溢出，2种气孔套结构如图5所示。

图5 普通气孔套与弹簧气孔套

改变模具的排气方式是将气孔排气改为气线排气。改变花纹块结构：一是将花纹块改为层片式，层片之间的分割线按花纹节距来划分，胶料与模具之间的气体通过层片之间的小缝隙排出，由于缝隙的尺寸较小轮胎表面不会产生明显的胶边，从而取代了气孔排气；二是在花纹块主体上加工出花筋基座，花筋主体单独加工好后，通过螺钉镶嵌固定在花筋基座上，气体通过花筋与基座之间的缝隙排出，避免采用气孔排气，解决了硫化轮胎的胶毛问题。

从改善轮胎外观胶边和错花方面，随着模具零件的变形和磨损，在两花纹块立面间会产生溢胶现象，在轮胎上出现胶边。将花纹块分型面由等分改为一大一小相间组合的方式，大小花纹块之间的角度差有6°和6.5°2种，使得模具在大小花纹块分型处的受力变形小，改善轮胎的胶边和错花问题。模具结构优化后一般要对优化后的结构进行应力应变校核，查看变形和应力是否满足使用要求，不满足则继续改进结构，满足后还要考虑模具结构是否易加工，现有的加工条件是否能满足精度要求，最终要通过现场使用来检验结构改进的效果。总之，结构优化是一项综合任务，涉及的步骤较多，各个工序应密切配合。

▍原文作者：刘迎 1，赵永瑞1，潘川 2

▍作者单位：1.中国石油大学（华东）机电工程学院；2.青岛金科模具有限公司