潘濟(jì)堂

(南京集萃激光智能制造有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

模具是輪胎制造過程中的關(guān)鍵裝備，如何高效、快捷、有效且低成本地清潔模具一直是輪胎企業(yè)苦惱的問題。尤其面對(duì)彈簧氣孔套式模具和PVD鍍層模具，傳統(tǒng)的噴砂、噴干冰、超聲波清洗方式無能為力。噴砂清洗會(huì)損傷模具，存在后續(xù)繁重的氣孔通孔作業(yè)，而且噴砂無法清洗彈簧氣孔套式模具。干冰清洗耗材昂貴，噪音大，無法有效徹底地清潔模具?；瘜W(xué)藥液超聲波清洗模具耗時(shí)長，還面臨廢液處理排放的問題。

輪胎模具激光清洗技術(shù)，是用高能高頻納秒超短脈沖激光轟擊模具表面，使其表面的污染層瞬間蒸發(fā)或爆破剝離，從而達(dá)到清潔的工藝過程。相對(duì)傳統(tǒng)清洗方法，激光清洗模具有很多優(yōu)勢：

（1）清洗無需耗材輔料。

（2）運(yùn)行成本低。

（3）能量密度可精準(zhǔn)調(diào)整。

（4）不會(huì)損傷模具。

（5）不會(huì)出現(xiàn)堵塞排氣孔現(xiàn)象。

（6）清除的固體粉末易于收集，對(duì)環(huán)境無污染。

激光清洗質(zhì)量的好壞和清洗效率的高低取決于激光清洗過程中對(duì)激光能量的有效控制。采用全自動(dòng)激光清洗系統(tǒng)可精確控制模具表面獲得的激光能量密度，在保證不損傷模具的前提下最大可能的提高效率，保證清洗的一致性。由于手持激光清洗機(jī)采用手持清洗作業(yè)方式，無法保證模具表面激光能量密度的一致性，從而導(dǎo)致清洗不均勻，存在“花斑”現(xiàn)象，影響輪胎外觀及產(chǎn)品品質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損傷模具。采用全自動(dòng)激光清洗系統(tǒng)是必然趨勢，全自動(dòng)激光清洗系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）能量密度可精確控制，在不損傷模具的基礎(chǔ)上高效清潔。

（2）可精確控制脈沖重疊率，充分利用激光能量，確保效率。

（3）清洗無“花斑”，一致性好。

（4）可長時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定工作，無耗材，運(yùn)行成本低。

（5）設(shè)有清洗參數(shù)工藝庫。

1 全自動(dòng)激光清洗系統(tǒng)在輪胎模具清洗中的應(yīng)用

全自動(dòng)激光清洗系統(tǒng)在輪胎模具清洗中的應(yīng)用逐年增多。尤其對(duì)于彈簧氣孔套式輪胎模具的清洗，激光清洗是最佳的清洗方式。前幾年德國制造的激光清洗系統(tǒng)開始進(jìn)入國內(nèi)的一些輪胎企業(yè)。但由于售價(jià)高、維護(hù)費(fèi)用高、服務(wù)不及時(shí)、光路調(diào)整復(fù)雜、故障率高等原因，阻礙了其進(jìn)一步的推廣。

這幾年隨著適合激光清洗的穩(wěn)定可靠激光光源的出現(xiàn)，國內(nèi)很多企業(yè)加大了激光清洗技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的研發(fā)投入，做了不同方向的嘗試工作。大部分企業(yè)由于技術(shù)及資金的原因，其產(chǎn)品開發(fā)僅止步于中、小功率手持清洗機(jī)。中、小功率激光光源的激光聚焦后，焦斑能量分布不均勻，中心位置能量密度最高，朝著焦斑邊緣方向，能量密度逐漸降低。用這種光源進(jìn)行清洗，極易損傷模具。同時(shí)，手持清洗機(jī)手持操作存在激光輻射安全隱患，影響使用操作人員的職業(yè)健康。在全自動(dòng)激光清洗系統(tǒng)產(chǎn)品方面，國內(nèi)只有極少數(shù)企業(yè)做了長時(shí)間的開發(fā)工作。其中南京集萃激光公司開發(fā)的全自動(dòng)輪胎模具激光清洗系統(tǒng)目前已成功應(yīng)用于國內(nèi)多家輪胎企業(yè)。其產(chǎn)品采用全密封防護(hù)結(jié)構(gòu)，激光清洗作業(yè)時(shí)無激光輻射危害風(fēng)險(xiǎn)，安全可靠。南京集萃激光公司的全自動(dòng)激光清洗系統(tǒng)與德國同類激光清洗設(shè)備相比，有如下不同：

（1）光源免維護(hù)。

（2）光路無需調(diào)整。

（3）采用方形光斑，效率更高。

（4）運(yùn)動(dòng)部件采用穩(wěn)定可靠的機(jī)器人。

（5）工藝庫參數(shù)錄入簡單易學(xué)，看圖測量幾個(gè)參數(shù)即可。

（6）操作簡單易學(xué)，培訓(xùn)1 h即可單獨(dú)操作。

（7）采用模具分體式清洗，清洗更為靈活。

（8）模具花紋塊可采用多角度清洗，且角度可調(diào)。

本文所有數(shù)據(jù)均通過南京集萃激光公司的全自動(dòng)輪胎模具激光清洗系統(tǒng)實(shí)際使用過程得出。該系統(tǒng)采用了IPG公司功率500 W的納秒脈沖激光器，激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦后焦斑為2 mm邊長的方形平頂光，高速振鏡掃描的清洗帶寬為50 mm。激光束與模具表面法線夾角最大為45°時(shí)，可保證打在模具表面上的激光掃描線條均在激光束焦深范圍之內(nèi)，從而最大限度地保證清洗質(zhì)量的一致性。

2 輪胎模具的激光損傷閾值

激光清洗系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中是否會(huì)損傷模具，在激光平均功率確定的條件下需要從兩個(gè)方面綜合考慮：

（1）單脈沖激光束的能量密度（j/cm2）。

（2）激光束的脈沖寬度。

（3）假設(shè)激光垂直入射于潔凈的模具表面，觀察模具表面發(fā)生氧化變色（開始產(chǎn)生損傷現(xiàn)象）的情況，通過測量、計(jì)算開始發(fā)生氧化變色時(shí)的能量密度及脈寬，確定激光對(duì)于模具的損傷閾值。據(jù)文獻(xiàn)[1]可知金屬材料的吸收率:

n為材料針對(duì)某一波長的激光的折射系數(shù)，k是材料針對(duì)某一波長激光的吸收系數(shù)。

據(jù)文獻(xiàn)[2]可知輪胎模具常用材料的光學(xué)特性參數(shù)：

將表1的參數(shù)帶入（1）式中可得到AL的1 064 nm吸收率為：8.8%，F(xiàn)e的1 064 nm吸收率為：35.6%。

表1 各材料1 064 nm激光的光學(xué)特性

輪胎模具通常用模具鋼或鋁合金制成。由于鋁的激光吸收率遠(yuǎn)低于鐵，可知鋁的激光損傷閾值遠(yuǎn)高于模具鋼，本文只研究模具鋼表面氧化變色所需的能量密度和脈寬。模具鋼的熔點(diǎn)在1 495 ℃左右。據(jù)文獻(xiàn)[3]可知，基材表面熱作用深度與激光脈寬有關(guān)：

其中α為熱擴(kuò)散率，t為脈沖寬度，當(dāng)激光脈沖寬度為40 ns時(shí)，激光脈沖能量作用于基材深度為1.5 um.當(dāng)激光脈沖寬度為60 ns時(shí)，作用深度為1.76 um，100 ns時(shí)作用深度為2.3 um。激光焦斑是2×2 mm的一個(gè)方形光斑，這樣可以通過M=ρV計(jì)算出受單脈沖激光束作用的物質(zhì)質(zhì)量分別為 4.51×10-5g、5.53×10-5g、7.14×10-5g。根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知納秒級(jí)激光脈沖轟擊物件后表面的瞬時(shí)溫升：

其中Q為吸收能量，單位為J；C為基材的比熱容，單位為J/(g·℃)；M為物質(zhì)質(zhì)量，單位為g。根據(jù)上式可計(jì)算出在不同能量脈寬的激光脈沖下基材溫升數(shù)據(jù)。

按上表計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)合45號(hào)鋼的熔點(diǎn)，可知單脈沖能量在100 mj時(shí)，脈寬在40 ns和60 ns時(shí)，模具基材會(huì)損傷，脈沖能量在80 mj時(shí)，脈寬在40 ns時(shí)模具基材會(huì)被損傷。按上表所示數(shù)據(jù)在一塊潔凈的45號(hào)鋼工件上進(jìn)行了測試，基本符合，激光單脈沖40 ns/100 mj時(shí)，工件表面有嚴(yán)重的熔化氧化變色現(xiàn)象（如圖1所示），在激光脈沖40 ns/80 mj和60 ns/100 mj兩種情況下，工件表面有輕微氧化變色現(xiàn)象（如圖2所示）。在實(shí)際應(yīng)用中要避免清洗設(shè)備的激光參數(shù)設(shè)定在損傷模具基材的范圍。

3 輪胎模具激光清洗最佳參數(shù)

淡色的橡膠對(duì)1 064 nm的激光吸收率非常低，輪胎模具表面黑色殘留物可以用1 064 nm的脈沖激光清洗。因?yàn)檩喬ゲ牧现泻刑亢?，根?jù)文獻(xiàn)[5]可知，添加炭黑后的橡膠對(duì)激光的吸收率高達(dá)80%，其吸收率遠(yuǎn)大于模具基材對(duì)激光的吸收率。這也能解釋為何其單純的除油能力比較弱，去除油漬主要依靠基材表面的瞬時(shí)溫升氣化油膜，油膜較多的區(qū)域被瞬時(shí)氣化的油氣吹到周圍。只能去除基材表面一層薄薄的油膜，之后模具深層的油又會(huì)慢慢滲出到表面。

激光清洗最佳參數(shù)與輪胎模具污染層的厚度相關(guān)。生產(chǎn)1 000條和生產(chǎn)3 000條輪胎后的模具，由于污染層厚度不同，其最佳清洗參數(shù)也有區(qū)別。

剛從硫化機(jī)上拆下的模具由于其基材溫度較高，且模具表面的污染物還處于浸潤狀態(tài)，此時(shí)的附著力最小，最易清洗。

為了高效的利用好每一個(gè)脈沖，找到高效的最佳清洗參數(shù)，需要考慮五個(gè)最基本的參數(shù)：

（1）功率大小P/w

光源功率的百分比，一般設(shè)定值≥90%，甚至滿功率運(yùn)行。

（2）脈沖寬度T/ns

由表2中計(jì)算結(jié)果可以看出，單脈沖能量一定的情況下，脈寬越小，越利于清洗，但是要關(guān)注損傷閾值的范圍。實(shí)際清洗中，發(fā)現(xiàn)基材表面有變色現(xiàn)象發(fā)生意味著很可能已經(jīng)接近損傷臨界值?？紤]到污染層的清洗效果，40 ns時(shí)能量密度不能過大，實(shí)際應(yīng)用中一般用60 ns或者100 ns。這個(gè)參數(shù)由激光器設(shè)定，設(shè)定好以后不得隨意改動(dòng)。

表2 不同脈沖時(shí)模具鋼的溫升

（3）能量密度Δ/(J.cm-2)

由于光源采用的脈寬為納秒級(jí)別的脈沖激光器，清洗參數(shù)考慮能量密度更為合適，由表2可以看出60 ns時(shí)，Δ=2.5j/cm2時(shí)，45號(hào)模具鋼就處于基材損傷的臨界值。所以實(shí)際應(yīng)用中，建議不要超過這個(gè)能量密度。

（4）脈沖重疊率α1=b/l×100%

為了提高效率，利用好每個(gè)脈沖的能量，必須讓脈沖有序的按照某一規(guī)律排列，首先考慮到單個(gè)脈沖的重疊率，此時(shí)就直觀的體現(xiàn)出了方形平頂光斑的優(yōu)勢。

（5）行重疊率α2=c/l ×100%

下圖所示的平行線式出光的行重疊率是比較理想的情況，實(shí)際的重疊率更為復(fù)雜，這要根據(jù)清洗頭掃描出光的方式來具體分析確定。平行線出光方式的出光時(shí)間利用率為40%左右，像南京集萃激光公司的全自動(dòng)激光清洗設(shè)備采用了類似Z形的出光方式，其出光時(shí)間利用率達(dá)到90%，對(duì)激光能量的利用效率更高。

還有一種利用轉(zhuǎn)鏡提高效率的出光方式，由于轉(zhuǎn)鏡的體積過大，控制方式繁瑣，最主要的是轉(zhuǎn)鏡表面平均反射率不到80%，有將近20%以上的激光能量被損失，所以采用此方式的系統(tǒng)很少。

根據(jù)清洗效果確定這5個(gè)基本參數(shù)后，其它運(yùn)行參數(shù)均可計(jì)算得出。

τ（kHz）激光器的運(yùn)行頻率的計(jì)算公式：

其中P（W）為實(shí)際給定功率，Δ（j/cm2）為設(shè)定的能量密度，l（mm）為焦斑邊長。

振鏡掃描速度f（M/S）的計(jì)算公式：

其中τ（kHz）為激光器頻率，l（mm）為焦斑邊長，α1為脈沖重疊率，百分?jǐn)?shù)。

清洗頭相對(duì)工件的清洗速度F（M/min）的計(jì)算公式：

其中l(wèi)（mm）為焦斑邊長，為行重疊率，50（mm）為掃描線長，f（M/S）為上式計(jì)算結(jié)果，t（s）為振鏡的空走系數(shù)，振鏡的空走系數(shù)是實(shí)測出振鏡一個(gè)循環(huán)中不出光空走的時(shí)間。

根據(jù)以上所確定的損傷閾值范圍，及各參數(shù)的詳細(xì)分析，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定其最佳清洗參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，清洗一個(gè)12.00 R20規(guī)格模具側(cè)板用時(shí)5 min左右，清洗模具效果見圖5。從四個(gè)角度照射模具，全方位無死角清洗一個(gè)同規(guī)格全鋼花紋塊用時(shí)4.5 min，清洗效果見圖6。南京集萃激光公司的全自動(dòng)激光清洗系統(tǒng)配有雙工作臺(tái)，一個(gè)工作臺(tái)進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)，另一個(gè)工作臺(tái)可進(jìn)行模具的上下料。整體清洗一副12.00R20的全鋼模具，總耗時(shí)1 w左右。

4 結(jié)論

綜上所述，全自動(dòng)激光清洗系統(tǒng)相較于手持激光清洗機(jī)，在輪胎模具清洗中有著諸多技術(shù)、質(zhì)量和安全優(yōu)勢。合理控制激光清洗參數(shù)對(duì)于高效高質(zhì)無損清洗模具至關(guān)重要。在國內(nèi)減碳降排、綠色制造、智能制造政策的指引下，在企業(yè)節(jié)能降耗，減少生產(chǎn)成本，提升經(jīng)濟(jì)效益的追求下，國產(chǎn)全自動(dòng)激光清洗系統(tǒng)必將發(fā)揮自身技術(shù)、成本、服務(wù)優(yōu)勢，更好地服務(wù)于輪胎制造企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營，應(yīng)用前景廣闊。