朱憲磊，廖建忠

[華澳輪胎設(shè)備科技（蘇州）股份有限公司，江蘇 蘇州 215126]

輪胎的實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于活絡(luò)模模具分型面的存在導(dǎo)致成品輪胎胎側(cè)出現(xiàn)臺(tái)階（見圖1），輪胎兩側(cè)的臺(tái)階高度一般不相同，同側(cè)的臺(tái)階高度也不相同。輪胎兩側(cè)臺(tái)階之間的高度差會(huì)對(duì)輪胎的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能產(chǎn)生較大影響，同時(shí)也影響輪胎的外觀，因此要對(duì)臺(tái)階高度差進(jìn)行控制。輪胎兩側(cè)臺(tái)階高度差的最大值稱為斷差，一般要控制在1.0 mm以內(nèi)，同側(cè)斷差要控制在2.0 mm以內(nèi)。

圖1 輪胎外側(cè)臺(tái)階

本文以輪胎硫化機(jī)和活絡(luò)模模具作為研究對(duì)象，分析胎側(cè)斷差的成因和影響因素，并提出控制方法。

1 斷差成因分析

采用活絡(luò)模硫化工藝時(shí)的鎖模硫化狀態(tài)下上加壓式硫化機(jī)和模具組合結(jié)構(gòu)見圖2，上胎側(cè)部位的局部放大如圖3所示。

圖3中D的差異是斷差的主要來源，D由上模的軸向錯(cuò)位滑動(dòng)量產(chǎn)生。模具中上環(huán)頂壓著上模，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，鎖模硫化階段填充氮?dú)鈺r(shí)經(jīng)?？梢杂^察到上環(huán)位置位移傳感器的數(shù)字變化，表示上模發(fā)生了軸向錯(cuò)位滑動(dòng)。寬度為t1和t2的2個(gè)間隙是引起軸向錯(cuò)位滑動(dòng)的主要因素。

圖3 上胎側(cè)部位的局部放大

t1是T型塊與上壓板之間的間隙寬度，剖面見圖4。目前，t1在模具調(diào)整工作中沒有得到嚴(yán)格的控制，工廠中約有一半模具的t1大于1.0 mm，t1設(shè)置偏大是為了避免多個(gè)螺釘受力不均勻帶來的損壞。

圖4 T型塊與上壓板間隙剖面示意

t2是上加熱板與上壓板之間的間隙寬度。在生產(chǎn)過程中，冷模態(tài)的t2是要求控制的，各輪胎工廠在實(shí)踐基礎(chǔ)上都有統(tǒng)一的規(guī)范，但執(zhí)行中最可能存在的問題是4個(gè)方位t2的平均值合格，但各個(gè)方位t2的差別較大。經(jīng)過實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，加熱后的模具在不加壓鎖模的自由狀態(tài)下，t2會(huì)增大0.4～0.5 mm。若模具上壓板的厚度較小，在內(nèi)壓和高溫的作用下會(huì)產(chǎn)生永久的中間上拱變形，中間部分的t2會(huì)變小，甚至變?yōu)?（見圖5）[1-3]。

圖5 模具上壓板中間變形

為了減少模殼規(guī)格，一般工廠都是多種模具共用一種模殼，上模通過定位環(huán)與花紋塊定位，若定位環(huán)與弓形板的高度不同時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向?qū)挾葹閠3的間隙（如圖6所示）。當(dāng)螺釘未擰緊時(shí)，t3較大；當(dāng)螺釘完全擰緊時(shí)，上胎側(cè)出現(xiàn)臺(tái)階。

圖6 軸向間隙示意

2 斷差的影響因素

2.1 彈性變形量

不同的硫化機(jī)機(jī)型、模具尺寸和鎖模力會(huì)造成橫梁或托板的彎曲彈性變形，t2也會(huì)隨之變化。2 000 kN上加壓式和下加壓式半鋼硫化機(jī)的彈性變形線如圖7所示。下加壓式硫化機(jī)加載鎖模后上托板位置不動(dòng)，上托板和下托板變形線是下凹的，t2減小0.1～0.2 mm，有利于減小斷差[4-6]。上加壓式硫化機(jī)加載鎖模后底座不動(dòng)，橫梁與底座的變形線是上凸的，t2增大0.1～0.2 mm，不利于減小斷差。綜上所述，采用同一套模具時(shí)，不同的硫化機(jī)機(jī)型導(dǎo)致的斷差可能出現(xiàn)0.2～0.4 mm的差異。

圖7 半鋼硫化機(jī)的彈性變形示意

2.2 滑動(dòng)動(dòng)力

采用上加壓式硫化機(jī)硫化時(shí)發(fā)生滑動(dòng)的最大動(dòng)力是內(nèi)壓力，鎖模后內(nèi)壓力不斷增大，通過膠囊、上環(huán)向上作用于上模。內(nèi)壓力產(chǎn)生的上頂力（Fd）的計(jì)算公式為

式中，D1為上模/花紋塊分型面直徑，Pi為膠囊內(nèi)壓力，F(xiàn)TB為上環(huán)油缸背壓力。

根據(jù)式（1），以上加壓式硫化機(jī)生產(chǎn)265/45R21半鋼輪胎為例，D1為682 mm，不同階段的Fd差異較大：合模到活絡(luò)塊接觸下模的最后階段，膠囊內(nèi)有定型氮?dú)?，Pi沖擊值可達(dá)到0.12 MPa，F(xiàn)TB約為30 kN，F(xiàn)d約為74 kN；高壓蒸汽進(jìn)入膠囊階段，Pi約為1.5 MPa，F(xiàn)d約為548 kN；氮?dú)膺M(jìn)入膠囊階段，Pi提高到約2.1 MPa，F(xiàn)d約為767 kN。

2.3 滑動(dòng)阻力

2.3.1 抱緊力

以265/45R21半鋼輪胎為例，合模時(shí)，由于弓型板與模殼之間存在傾斜角度為15°的滑動(dòng)斜面，橫梁、上熱板通過模殼傳遞給花紋塊的鎖模力成倍增加，若不計(jì)滑動(dòng)面的摩擦，簡(jiǎn)化計(jì)算增力比可達(dá)3.7。在鎖模力作用下，花紋塊互相切向壓緊的同時(shí)還要徑向抱緊上、下模，從而產(chǎn)生軸向摩擦力，即抱緊力（Fb），這是阻止模具軸向錯(cuò)位滑動(dòng)的主要阻力（如圖8所示）。假設(shè)鎖模力為1 000 kN，產(chǎn)生的夾緊力中有20%用于花紋塊相互壓緊，70%用于抱緊上模，則Fb＝1 000×3.7×0.7＝2 590（kN）。

圖8 Fb示意

實(shí)際生產(chǎn)過程中Fb的值會(huì)小于理論值。第1個(gè)原因是模具的精度不夠，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在模具自重閉合狀態(tài)下，用塞尺檢查花紋塊與上模的分型面會(huì)發(fā)現(xiàn)局部間隙，間隙會(huì)導(dǎo)致切向能完全壓緊，沒有飛邊出現(xiàn)，而圓周不能均勻抱緊，局部或整周都出現(xiàn)飛邊。硫化結(jié)束后，分型面上會(huì)殘存膠料（見圖9），這也說明分型面上存在間隙。若整周都出現(xiàn)附著的膠料，說明花紋塊對(duì)上、下模沒有產(chǎn)生Fb。

圖9 分型面殘存膠料

第2個(gè)導(dǎo)致Fb不足的原因是內(nèi)壓力分解，由于花紋塊是多瓣結(jié)構(gòu)，內(nèi)壓力除了作用于上模，也會(huì)產(chǎn)生使花紋塊徑向張開的力（Fz）（如圖10所示），這會(huì)抵消部分Fb，內(nèi)壓越高，F(xiàn)b越小，F(xiàn)z的簡(jiǎn)化計(jì)算公式為

圖10 Fz示意

式中，w是輪胎寬度，di是輪胎內(nèi)直徑。

仍以265/45R21半鋼輪胎為例，w為265 mm，輪胎外直徑為747 mm，di為712 mm，Pi為2.1 MPa時(shí)，F(xiàn)b理論值為2 590 kN，由公式（2）計(jì)算可得，F(xiàn)z約為1 244 kN，此時(shí)剩余抱緊力Fb′＝Fb－Fz＝1 346 kN。

Fb′產(chǎn)生軸 向 的 摩 擦 力（M），鋁 質(zhì) 花 紋塊與上、下模之間的鋼-鋁摩擦因數(shù)為0.17，M＝1 346×0.17≈229（kN）。

再假設(shè)花紋塊對(duì)上模和下模的Fb相同，則花紋塊對(duì)上模的抱緊力為Fb的50%，與Fd差距很大。

2.3.2 活絡(luò)模驅(qū)動(dòng)油缸（氣缸）背壓的作用

活絡(luò)模缸上腔的油（氣）壓在合模階段以背壓力的形式保持，在進(jìn)入硫化階段后背壓還會(huì)保留幾分鐘。背壓力作用于上壓板，也會(huì)阻止上模發(fā)生軸向錯(cuò)位滑動(dòng)，壓力范圍一般為60～80 kN，在采用二級(jí)活絡(luò)模背壓的系統(tǒng)中，在合模末段壓力會(huì)再次降低約50%。

2.4 不同硫化階段滑動(dòng)動(dòng)力和阻力變化

（1）上模接觸上環(huán)后的合模階段。此時(shí)t1仍保持最大，花紋塊尚未抱緊上模，阻力只有活絡(luò)模驅(qū)動(dòng)油（氣）缸的背壓力，為防止回縮，背壓力不能設(shè)定得太低。由于氣體的可壓縮性大于油液，在合模速度較高時(shí)無法產(chǎn)生較大的沖擊背壓力，更加容易回縮，因此不主張采用氣缸作為活絡(luò)模驅(qū)動(dòng)。

（2）活絡(luò)塊接觸下模后的合模階段。此時(shí)活絡(luò)模油（氣）缸背壓力已經(jīng)轉(zhuǎn)換為較低的二級(jí)壓力，定型氮?dú)鈮毫€在提高。作用于上模的上頂力（Fd1）＝內(nèi)壓力＋上環(huán)背壓力＋生胎的變形抗力，此時(shí)Fd1小于活絡(luò)模油（氣）缸背壓力；下模作用于花紋塊的上頂力（Fd2）要大于Fd1，迅速減小t1，花紋塊推著上模，迫使活絡(luò)模油（氣）缸回縮；如果二級(jí)背壓力偏小，在Fd1的作用下，上模比花紋塊的移動(dòng)速度快，無法迅速減小t1，完全閉合后可能產(chǎn)生較大的臺(tái)階。

（3）鎖模硫化階段。在這一階段高壓蒸汽或氮?dú)膺M(jìn)入膠囊，F(xiàn)b與Fd相差較大，甚至不在一個(gè)量級(jí)，無法阻止上模發(fā)生向上的錯(cuò)位滑動(dòng)。此階段為避免間隙進(jìn)一步增大，需保證足夠的鎖模力。對(duì)于上加壓式硫化機(jī)，下模位置保持不動(dòng)，當(dāng)鎖模力不足時(shí)，在內(nèi)壓力的作用下，中間部分的上模產(chǎn)生較大的軸向臺(tái)階（D較大），花紋塊稍張開且向上滑動(dòng)，花紋塊與下模之間產(chǎn)生較小的軸向臺(tái)階（D′較?。鐖D11所示，同時(shí)鎖模系統(tǒng)的液壓壓力升高形成新的平衡，模具不再?gòu)堥_。這就是上加壓式硫化機(jī)下側(cè)臺(tái)階較小的原因。相反，下加壓式硫化機(jī)的上側(cè)臺(tái)階較小，且兩側(cè)臺(tái)階的尺寸較接近。

圖11 上、下模軸向錯(cuò)位示意

3 斷差的控制方法

3.1 控制滑動(dòng)空間

在既定工藝下無法改變動(dòng)力，但在合模階段動(dòng)力較小，可以利用合理的背壓力抵消內(nèi)壓力。在鎖模硫化階段動(dòng)力較大，抱緊力不足，只有控制軸向錯(cuò)位滑動(dòng)寬度（t1，t2和t3）來減小斷差，此方法在整個(gè)硫化過程中有效。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，t1較難改變，因此一般不針對(duì)t1采取措施?？梢酝ㄟ^在連接環(huán)與模殼之間和上壓板與上模之間增加或減少環(huán)形墊片（見圖12）來控制t2，如圖13所示，墊片的厚度一般為0.3～0.5 mm。

圖12 環(huán)形墊片

圖13 環(huán)形墊片放置位置示意

若t2太小，上壓板在鎖模的過程中頂住熱板，作用于四周的鎖模力減小，無法完全通過15°斜面作用于花紋塊，既無法保證花紋塊與上、下模徑向抱緊，也無法保證花紋塊之間切向壓緊，成品輪胎會(huì)產(chǎn)生徑向或軸向的飛邊。若在冷模狀態(tài)下將t2調(diào)整到0.6～0.8 mm，斷差就能控制在1 mm以內(nèi)，若要進(jìn)一步解決輪胎飛邊的問題則需提高模具的精度。間隙t3是一個(gè)非常容易被忽視的細(xì)節(jié)，由此造成的廢棄輪胎很多，在安裝上壓板時(shí)就要測(cè)量，若t3過大，可以在連接環(huán)與模殼之間增加環(huán)形墊片，使t2與t3之和保持在0.6～0.8 mm。

3.2 改進(jìn)測(cè)量手段

輪胎的外表較軟，且臺(tái)階高度較小，采用普通鋼直尺[見圖14（a）]測(cè)量時(shí)在1.0 mm附近容易產(chǎn)生測(cè)量誤差，誤差值為±0.2 mm。采用臺(tái)階長(zhǎng)度為0.5 mm的臺(tái)階尺[見圖14（b）]測(cè)量可以達(dá)到0.2 mm的精度，同時(shí)增加了定位長(zhǎng)度，保證了定位準(zhǔn)確性，可避免分歧和誤判。

圖14 臺(tái)階測(cè)量方法

4 結(jié)論

（1）輪胎出現(xiàn)斷差的主要原因是模具結(jié)構(gòu)內(nèi)部的3處間隙沒有得到很好的控制，可以通過放置環(huán)形墊片來控制間隙，從而減小斷差。

（2）在合模階段，保持合適的活絡(luò)模背壓，可避免胎側(cè)在模具還未閉合時(shí)產(chǎn)生臺(tái)階。

（3）測(cè)量臺(tái)階高度時(shí)采用臺(tái)階尺代替鋼直尺可有效減小誤差。