林莉，陳慶湘

(巨輪智能裝備股份有限公司，廣東 揭陽 515500)

輪胎按照構(gòu)造分類，可分為斜交輪胎和子午線輪胎兩大類。而子午胎相對(duì)于斜交胎有較多的優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)省原材料、減振性能好、耐磨性能好、抓地力好，運(yùn)動(dòng)升溫低、使用壽命長(zhǎng)等等，子午線輪胎取代斜交胎是輪胎行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。活絡(luò)模具是子午線輪胎最終成型的重要工裝，子午線輪胎模具的設(shè)計(jì)和制造工藝水平及產(chǎn)出直接影響到子午線輪胎的質(zhì)量水平和性能。子午線輪胎的內(nèi)在質(zhì)量和橡膠材料、配方、硫化工藝等密切相關(guān)，但汽車對(duì)輪胎的一些性能要求，是要通過子午線輪胎的胎面花紋來完成的。子午線輪胎花紋來源于輪胎模具，特別是子午線輪胎活絡(luò)模具，子午線輪胎的胎面花紋和設(shè)計(jì)的一致性與否也取決于子午線輪胎花紋成型部分。

1 活絡(luò)模具簡(jiǎn)介

輪胎活絡(luò)模具是子午線輪胎生產(chǎn)中最后硫化成型用的專用模具（見圖1）。活絡(luò)模主要是由殼體和型腔兩大部分組成，殼體又稱為向心機(jī)構(gòu)，是輪胎模具的外部工裝，起到連接硫化機(jī)與內(nèi)部型腔的作用。型腔是模具的內(nèi)部核心部分，與輪胎胎坯接觸，中間的夾盤與硫化機(jī)的中心機(jī)構(gòu)相連，型腔在高溫硫化和內(nèi)、外壓作用下使輪胎胎坯變?yōu)檩喬?。向心機(jī)構(gòu)主要由中模套、滑塊、上蓋、底座、導(dǎo)向條、提升塊、減磨板等等組成；型腔主要包括花紋塊、上、下胎側(cè)板、上下鋼圈和夾盤等組成。輪胎表面質(zhì)量的好壞主要取決于型腔的加工質(zhì)量。

2 型腔

花紋塊和胎側(cè)板是組成型腔的兩大重要部分，這兩部分加工的表面質(zhì)量直接反映在輪胎的表面上。花紋塊（圖2）是成型輪胎花紋部分的重要部件，輪胎花紋的多樣性是通過花紋塊的多樣性來實(shí)現(xiàn)的，花紋塊的質(zhì)量直接影響到輪胎圓度、動(dòng)平衡及表面的美觀；胎側(cè)板的質(zhì)量直接影響輪胎的外觀。側(cè)板上的各種字體，各種認(rèn)證號(hào)及標(biāo)識(shí)都是該輪胎的身份證明，缺一不可。側(cè)板板面加工目前主要采用四軸或五軸機(jī)床數(shù)控雕刻的方式完成。

圖1 整套活絡(luò)模

圖2 單塊花紋塊

下面我們重點(diǎn)來論述花紋塊的加工方式?；y塊按模具材質(zhì)分可分為鋼質(zhì)花紋塊和鋁質(zhì)花紋塊，目前行業(yè)比較流行的做法是TBR輪胎模具采用鋼質(zhì)花紋塊，花紋相對(duì)簡(jiǎn)單，花紋筋強(qiáng)度好，使用壽命長(zhǎng)；PCR輪胎模具采用鋁質(zhì)花紋塊，花紋相對(duì)復(fù)雜，模具花紋更新?lián)Q代比較快。

花紋塊的主要加工方式有以下幾種：鑲花、EDM（電火花腐蝕加工）、精密鑄造、數(shù)控雕刻、3D打印等。

2.1 鑲花工藝

鑲花工藝是在設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)時(shí)將花紋筋和模具主體分開設(shè)計(jì)，分開加工，在模具的主體上沿著胎頂曲面的方向加工一些溝槽，在后期采用鑲嵌、螺絲鎖緊和電焊的方式，使花紋筋與模具主體結(jié)合在一起的一種工藝。這種工藝技術(shù)加工周期短、耗材少，適用于一些花紋較為簡(jiǎn)單的工程胎花紋。由于花筋是鑲嵌在模具主體中，若花紋條邊緣與主體的配合間隙處理不好，在后期的硫化過程中容易產(chǎn)生膠邊，從而影響輪胎的外觀。此鑲嵌結(jié)構(gòu)只適用于簡(jiǎn)單的條形花紋，也不適合于壁厚較薄的模具，在加工中有較多的局限性，因此并不廣為模具廠所采用。

2.2 電火花加工工藝

電火花加工工藝，輪胎模具加工常用的方式。電火花加工就是利用石墨電極浸在工作液中通過兩極的脈沖放電來蝕除花紋圈中多余的材料（見圖3）。由于輪胎胎面是由多段曲線組成，而胎面上的花紋又是多種寬度、深度和角度，所有花紋都是徑向的（朝向中心），導(dǎo)致花紋在空間上各處尺寸都不相同，形狀各異，使用電火花加工可以成形所有的花筋，但最終還要經(jīng)過鉗工拋光，較多的人為因素影響模具質(zhì)量。在加工輪胎花紋過程中，電火花工藝存在以下的問題：

圖3 電火花腐蝕加工花紋圈

（1）輪胎模具花紋復(fù)雜多變，結(jié)構(gòu)奇特，很多結(jié)構(gòu)是不能由電火花一次性加工出來的，電極的分割需要有很好的技巧，否則將會(huì)因花紋結(jié)構(gòu)倒扣而過切，直接影響輪胎花紋的形狀和精度。

（2）電火花加工后表面比較粗糙，需要人工研磨拋光，效率低，表面粗糙度也難以達(dá)到均勻一致，滿足不了精度要求，質(zhì)量不穩(wěn)定，影響輪胎表面質(zhì)量。

（3）花紋整圈電火花加工后再上線切割機(jī)床切割成塊，因切割所產(chǎn)生的切割縫將直接影響輪胎模具內(nèi)腔的圓跳動(dòng)精度。由于一個(gè)花紋圈從粗加工到精加工再到線切割都是一個(gè)整體，在機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，轉(zhuǎn)序速度慢，加工周期相對(duì)較長(zhǎng)。

（4）電火花加工工藝適用范圍比較廣，但由于半鋼花紋較為復(fù)雜，節(jié)距種類多，使用電火花工藝來加工，電極加工的成本較大。對(duì)于冬季輪胎來說，模具中鋼片較多，特別是胎面有滾花的，電火花加工速度相當(dāng)慢，且精度不足。

綜上所述，電火花加工工藝主要適用于全鋼模具，在半鋼模具加工中有較多的有局限性。

2.3 精密鑄造工藝

精密鑄造工藝在輪胎模具制造中是最重要的制造技術(shù)之一。半鋼鋁花紋塊的鑄造首先要在五軸數(shù)控機(jī)床上加工基礎(chǔ)模（基礎(chǔ)模的材料是合成樹酯），其形狀與輪胎相同，然后用其去仿成硅膠模，再通過硅膠仿石膏，石膏模烘干后，將按順序?qū)⑹鄩K拼成一條輪胎的形狀放置到事先準(zhǔn)備好的砂箱中，便可以澆鑄鋁合金了。等待鋁合金凝固冷卻后，去除內(nèi)部的砂芯和石膏，將花紋圈清理干凈，割去澆口和冒口，便是一個(gè)完整的花紋圈，最后再用線切割工藝將花紋圈分割成多塊花紋塊即可。這種工藝適合于輪胎模具的批量生產(chǎn)，適用于結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜的零件，特別是雪地胎模具，鋼片特別多，鑄造時(shí)將鋼片直接澆鑄入鋁花紋塊中，在后期的硫化過程不會(huì)出現(xiàn)鋼片脫落的現(xiàn)象。但精密鑄造工藝裝備較多，工藝復(fù)雜，加工周期長(zhǎng)，單件生產(chǎn)成本較高，只適用于批量生產(chǎn)。目前在模具行業(yè)里，精密鑄造技術(shù)通常用于生產(chǎn)半鋼輪胎模具，全球至少有90%以上的半鋼子午線輪胎的生產(chǎn)采用精密鑄造鋁合金模具。由此可知，精密鑄造技術(shù)在半鋼子午線輪胎的生產(chǎn)中占有絕對(duì)主導(dǎo)的地位。

2.4 五軸數(shù)控雕刻工藝

五軸數(shù)控雕刻工藝是一種采用五軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控雕刻機(jī)床來加工輪胎模具花紋的工藝（見圖4），屬于高速加工范疇。高速切削技術(shù)在輪胎模具加工中的應(yīng)用，對(duì)輪胎模具花紋的加工產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，特別是高精密的輪胎模具對(duì)于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的輪胎尤為重要。高速加工技術(shù)用于制造輪胎模具，具有切削效率高、加工精度高和表面質(zhì)量好等顯著優(yōu)勢(shì)，可以減少人工修整的工作量，還可以保證模具制造的高度一致性，模具精度高；多塊花紋塊同時(shí)加工，縮短加工周期，從而提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)高效加工。隨著輪胎技術(shù)性能要求的提升，汽車輪胎胎面的花紋圖案變得愈加復(fù)雜和精致，技術(shù)要求越來越嚴(yán)格（比如圓跳動(dòng)要求），原有的鑲花和電火花工藝已無法加工高精度復(fù)雜花紋的輪胎模具，取而代之的便是采用高速切削加工技術(shù)制造的高速直接雕刻模具。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，高速加工的優(yōu)勢(shì)和作用將越來越明顯。五軸高速加工是采用五軸數(shù)控機(jī)床直接雕刻，用計(jì)算機(jī)做3D造型和數(shù)控編程，從粗加工到精加工采用同一個(gè)定位工裝，在同一臺(tái)機(jī)床上完成，減少了人為的操作誤差，提高了模具的加工精度和一致性，表面質(zhì)量好，花紋形狀尺寸的一致性更好，加工的效率大大提升。針對(duì)輪胎模具行業(yè)單件小批量的生產(chǎn)時(shí)，高速加工工藝路線相對(duì)簡(jiǎn)單，可以采用單件并列化生產(chǎn)，在機(jī)器人的配合下可以實(shí)現(xiàn)24 h無人化生產(chǎn)，有著非常巨大的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展空間。 高速雕刻技術(shù)需要配備精度高的多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床及高強(qiáng)度高韌性的刀具，這些設(shè)備和刀具的成本高昂，一般企業(yè)難以承受，還需要配備一些高技能的技術(shù)人才。另外，對(duì)于花紋鋼片比較多的、胎面有滾花的雪地胎模具也不適合，在加工方面也有一定的局限性，由于鋼片是后期鑲嵌入模具主體中的，若是間隙處理不當(dāng)，在后期硫化過程中會(huì)有鋼片脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 五軸加工中心直接雕刻花紋塊

2.5 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是一種新興技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。目前3D打印技術(shù)已在輪胎模具花紋塊領(lǐng)域有一定的應(yīng)用，主要是打印普通加工工藝難以完成的復(fù)雜鋼片和輪胎模具花紋塊直接打印成型，見圖5、6所示。

圖5 3D打印的鋼片

圖6 3D打印的花紋塊

從巨輪公司目前采用3D打印技術(shù)打印出來的花紋塊來看，3D打印花紋塊優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）輪胎花紋塊能通過3D打印成型，大大縮短新開發(fā)輪胎產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間，便于新產(chǎn)品開發(fā)；

（2）能夠加工復(fù)雜的模具花紋；

（3）縮短模具加工時(shí)間。和精密鑄造對(duì)比，可以節(jié)省基模編程、基模加工、硅膠制作、石膏制作等工序 ，加工工序明顯簡(jiǎn)單化。

但此項(xiàng)技術(shù)目前也存在不少尚待解決的問題，具體如下：

（1）無法將不銹鋼片和鋁合金有機(jī)結(jié)合起來，單純的鋁合金鋼片不耐用、容易崩裂，帶鋁質(zhì)的鋼片不能采用噴砂和干冰清洗，只適合于激光清洗，只有后期鑲嵌不銹鋼片才能保證其強(qiáng)度；同時(shí)排氣孔排氣套也必須后期鑲嵌，單純打印出來的氣孔，其內(nèi)部粗糙度很不夠，輪胎容易斷須，且不利于脫模。

（2）花紋塊的打印成本高，故需要設(shè)計(jì)花紋背面的基座使之形成整塊的花紋塊（打印厚度一般不會(huì)超過20 mm，否則耗材也耗時(shí)，直接提高制造成本），以目前的打印耗材來測(cè)算，打印一塊普通花紋塊的加工費(fèi)用約為2萬元，整付型腔花紋塊合計(jì)加工費(fèi)約為16萬，遠(yuǎn)高于其他幾種加工方法的加工成本。

（3）打印出來的花紋塊光潔度目前比不上數(shù)控雕刻和精密鑄造。

3 結(jié)束語

以上4種加工方式，每一種加工方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合比較后目前在行業(yè)PCR模具多數(shù)采用精密鑄造或五軸五聯(lián)動(dòng)機(jī)床直接雕刻工藝來加工花紋塊，新產(chǎn)品開發(fā)可以采用五軸五聯(lián)動(dòng)機(jī)床直接雕刻工藝或3D打印來加工花紋塊；TBR模具多數(shù)采用電火花加工或高速銑削+電火花的加工方式來加工花紋塊。模具工廠可以根據(jù)所要加工的模具的特點(diǎn)并結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)條件合理選擇，以實(shí)現(xiàn)更好、更快、更省的加工。但隨著智能制造的推進(jìn)，很多制造企業(yè)已經(jīng)開始運(yùn)用各種智能技術(shù)，在未來五軸五聯(lián)動(dòng)機(jī)床直接雕刻工藝、3D打印可能會(huì)成為智能制造企業(yè)輪胎花紋塊的主要加工方式。