武凱迪,胡海明
(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266061)
目前摩托車車胎多為斜交胎,通過模具硫化成型。隨著越來越多高端摩托車的出現(xiàn),對(duì)摩托車車胎的性能要求也越來越高。而子午線輪胎具有行駛穩(wěn)定性好、噪音小、牽引力和剎車性能好等優(yōu)勢(shì),配備子午線輪胎的摩托車胎操控性能好。以下設(shè)計(jì)的活絡(luò)模具可以避免開模時(shí)對(duì)輪胎簾線角度以及間距的破壞,保證輪胎的質(zhì)量性能。由于摩托車車胎具有斷面窄、硫化定型壓力小及所用的模具尺寸小等特點(diǎn),設(shè)計(jì)的模具使用平板硫化機(jī)硫化成型。
設(shè)計(jì)的摩托車車胎模具為順序開模,導(dǎo)向形式為圓錐面導(dǎo)向。模具結(jié)構(gòu)由楔緊塊、導(dǎo)向條、花紋塊、T形塊、上側(cè)板、上蓋、上蓋板、順序拉桿限位裝置、順序拉桿、底座、定距拉桿組成,其中上蓋與上側(cè)板由螺釘連接,楔緊塊為單塊結(jié)構(gòu)并嵌入到上蓋板中定位,楔緊塊數(shù)量與花紋塊相同,兩者通過導(dǎo)向條配合完成模具的開合模動(dòng)作。順序拉桿固定在底座上,順序拉桿限位裝置中的彈簧在順序拉桿的半圓槽中壓緊彈簧銷。定距拉桿穿過上蓋固定在上蓋板上,T形塊在上蓋的T形塊槽內(nèi)并通過螺釘連接安裝在花紋塊的上方。模具總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 模具總體結(jié)構(gòu)
硫化機(jī)的上加熱板與模具的上蓋板連接,下加熱板與模具的底座連接。開模時(shí),硫化機(jī)下加熱板向下移動(dòng),此時(shí)由于順序拉桿及順序拉桿限位裝置的作用,上蓋、上側(cè)板、花紋塊和底座均向下移動(dòng),當(dāng)運(yùn)動(dòng)到上蓋底面與定距拉桿的臺(tái)階面接觸位置時(shí),由于定距拉桿固定在上蓋板上,定距拉桿對(duì)上蓋起限位作用。在上蓋、上側(cè)板、花紋塊和底座運(yùn)動(dòng)的過程中,花紋塊沿著導(dǎo)向條斜向移動(dòng)并產(chǎn)生徑向位移,使花紋塊脫離摩托車車胎,此時(shí)完成一次開模動(dòng)作。上述過程中,花紋塊的徑向位移、花紋塊在導(dǎo)向條上的斜向移動(dòng)距離及上蓋向下移動(dòng)的距離,三者之間呈三角函數(shù)關(guān)系。之后硫化機(jī)下熱板繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng),順序拉桿強(qiáng)制順序拉桿限位裝置中的彈簧銷向外移動(dòng)并脫離順序拉桿,完成二次開模。
合模時(shí),硫化機(jī)下加熱板帶動(dòng)底座向上移動(dòng),當(dāng)?shù)鬃夏湍グ灞砻媾c花紋塊表面接觸時(shí),推動(dòng)花紋塊向上移動(dòng),此時(shí)在花紋塊與楔緊塊之間導(dǎo)向條的作用下,花紋塊、上蓋及上側(cè)板協(xié)同向上運(yùn)動(dòng),同時(shí)花紋塊也向里收緊,當(dāng)上蓋的上表面接觸到上蓋板下表面時(shí),順序拉桿限位裝置中的彈簧銷回到順序拉桿的半圓槽中,此時(shí)模具恢復(fù)到初始狀態(tài)。
模具徑向開模行程根據(jù)花紋塊的徑向開模行程確定,模具在開模時(shí)花紋塊首先徑向移動(dòng),使花紋塊里的花紋筋完全抽出輪胎胎面并保持一定的距離,以保證輪胎脫模時(shí)花紋塊與輪胎不干涉。目前,輪胎模具徑向開模行程由經(jīng)驗(yàn)公式確定[1],花紋塊徑向移動(dòng)行程如圖2所示。
圖2 花紋塊徑向移動(dòng)行程
模具徑向開模行程經(jīng)驗(yàn)公式:
式中:r1——輪胎胎頂半徑,mm;r2——花紋塊與上側(cè)板接觸處半徑,mm;L——模具徑向開模行程,mm;D——花紋塊與上側(cè)板接觸處距離輪胎胎頂?shù)木嚯x;mm。
當(dāng)花紋塊里的花紋筋完全抽出輪胎胎面時(shí),此距離為花紋塊恰好脫離摩托車胎的最小距離N。最小徑向開模行程如圖3所示。
圖3 模具最小徑向開模行程
經(jīng)計(jì)算可得模具最小徑向開模行程:
式中:n——花紋塊個(gè)數(shù);N——模具最小徑向開模行程,mm。
設(shè)計(jì)的摩托車胎活絡(luò)模具花紋塊個(gè)數(shù)n=6,根據(jù)公式(2)計(jì)算,可得模具開模時(shí)的徑向移動(dòng)距離N=34.1 mm,設(shè)計(jì)時(shí)可取N=35 mm。
在模具開模行程中,模具最小徑向開模行程、花紋塊在導(dǎo)向條上的斜向移動(dòng)距離、上蓋向下移動(dòng)的距離,三者之間呈三角函數(shù)關(guān)系,如圖4所示,其中,N為模具最小徑向開模行程,mm;M為上蓋開模行程,mm;Z為花紋塊在導(dǎo)向條上的斜向移動(dòng)距離,mm;θ為楔緊塊導(dǎo)向角度數(shù),(°)。
圖4 三者關(guān)系
由公式(2)計(jì)算得到花紋塊最小徑向移動(dòng)距離N=35mm,楔緊塊導(dǎo)向角取15°,由正切函數(shù)可得上蓋開模行程M=127.3 mm,設(shè)計(jì)時(shí)可取M=128 mm。
目前常用的子午線活絡(luò)模具按導(dǎo)向方式分為斜平面活絡(luò)模具和圓錐面活絡(luò)模具,此處采用圓錐面導(dǎo)向形式。楔緊塊內(nèi)錐面的角度一般為10°~30°,與其配合的花紋塊后背面的外錐面與楔緊塊內(nèi)錐面角度一致,能夠相互配合實(shí)現(xiàn)花紋塊的徑向移動(dòng),完成模具的開模與合模。為使模具工作狀態(tài)保持成型輪胎的溫度要求,楔緊塊工作時(shí)需要通電,因此楔緊塊的背面應(yīng)設(shè)有電加熱通道。
在設(shè)計(jì)楔緊塊時(shí),可將其設(shè)計(jì)成組合形式,如圖5所示,組合式的楔緊塊為單塊,一共分為6塊,每塊48°,其中外徑為φ1 054 mm,上端面厚為143 mm,下端面厚為95 mm,導(dǎo)向角為15°,通過螺釘與上蓋板連接。
圖5 楔緊塊模型
輪胎硫化過程中楔緊塊主要承受硫化機(jī)經(jīng)上蓋板傳遞的合模力F合模力、楔緊塊內(nèi)表面所受的正壓力F1、楔緊塊與花紋塊接觸面的摩擦力Ff及上蓋對(duì)楔緊塊的約束力F2。楔緊塊受力模型如圖6所示。
圖6 楔緊塊受力模型
合模力是指在硫化時(shí)硫化機(jī)施加于模具上的最大夾緊力,在此力作用下,克服成型膠囊的壓力,使模具不被頂開,是一個(gè)重要參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)加工工況下,由于設(shè)備控制能力有限,在合模力加載的過程中不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,通常在模具工作開始就施加滿足成型的最大合模力[2]。合模力計(jì)算公式為[3]:
式中:Fn——硫化機(jī)合模力,kN;d——花紋塊內(nèi)表面最大直徑,mm;hd——花紋塊內(nèi)表面高度差,mm;p——膠囊內(nèi)部壓力,MPa。
由式(3)計(jì)算可得硫化機(jī)的合模力為342 kN,考慮硫化過程中要充分保證模具閉合,合模力Fn的取值應(yīng)大于理論計(jì)算數(shù)值,通常情況下,合模力Fn取1.05~1.15倍的理論計(jì)算數(shù)值,此處所取合模力Fn為1.15倍的理論計(jì)算數(shù)值,F(xiàn)n=393 kN,可取整為400 kN。
為保證模具的正常使用,模具中的每個(gè)部件都應(yīng)有足夠能力承受規(guī)定的載荷,模具在工作時(shí),楔緊塊不允許出現(xiàn)超過極限限度的彈性變形,所以在設(shè)計(jì)時(shí)楔緊塊的剛度要滿足需求,楔緊塊剛度計(jì)算公式為[4]:
式中:c——楔緊塊受力中心點(diǎn)處的厚度,mm;p——楔緊塊內(nèi)表面正壓力,MPa;l——楔緊塊內(nèi)表面承受正壓力處高度,mm;E——彈性模量,MPa;B——楔緊塊寬度,mm;[δ]——楔緊塊彈性變形量,取0.02 mm。
由公式(4)計(jì)算可得,c≥85 mm,設(shè)計(jì)的楔緊塊中心點(diǎn)處的厚度為118 mm,滿足楔緊塊剛度計(jì)算公式。
設(shè)計(jì)了用于平板硫化機(jī)摩托車車胎的活絡(luò)模具,解決了當(dāng)前兩半模具在開模時(shí)對(duì)子午胎鋼絲簾線角度及間距破壞的問題,提高了車胎的使用性能,延長(zhǎng)了車胎的使用壽命,使配備子午線輪胎的摩托車使用性能更好。所設(shè)計(jì)的活絡(luò)模具與現(xiàn)有的平板硫化機(jī)開模順序相匹配,采用順序拉桿及順序拉桿限位裝置,使模具開合模動(dòng)作順暢、安全可靠,并且裝置彈簧更換方便。采用定距拉桿可以保證上蓋開合過程中的運(yùn)動(dòng)精度,避免花紋塊與楔緊塊之間產(chǎn)生卡死或運(yùn)動(dòng)不順暢的現(xiàn)象發(fā)生。