汽車輪胎定型膠囊注射成型及其模具技術(shù)的探討

鄭伍昌

（巨輪股份有限公司，廣東揭陽 515500）

早在20世紀(jì)40年代中期人們就提出采用注射方法生產(chǎn)橡膠制品的新思路，到20世紀(jì)70年代初期，橡膠注射工藝開始在工業(yè)中得到一定程度上的應(yīng)用。由于橡膠注射工藝能使橡膠原料在注射機(jī)料筒中得到高溫快速硫化，而且膠料在進(jìn)入模具型腔前經(jīng)過預(yù)熱和塑化，使橡膠制品在密閉、高壓的型腔內(nèi)硫化成型，制品的質(zhì)量均勻、穩(wěn)定，尺寸精度高，并且橡膠注射法自動化程度較高，與傳統(tǒng)的模壓法相比，其生產(chǎn)效率高很多，因此采用注射工藝生產(chǎn)橡膠制品的技術(shù)日益得到廣泛的應(yīng)用。

相對橡膠壓制工藝來說，橡膠的注射工藝雖然起步慢，模具和設(shè)備制造成本高，模具精度要求也高，而且目前在國內(nèi)應(yīng)用范圍也不是那么廣泛，但是橡膠注射成型工藝具有效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、自動化程度高、操作簡便、節(jié)省原材料、簡化生產(chǎn)工藝流程等很多優(yōu)點(diǎn)，因此，在橡膠制品生產(chǎn)力日益增長的當(dāng)今市場上，橡膠注射工藝逐漸被廣大用戶所采用。在國外，采用橡膠注射法來制造橡膠制品的現(xiàn)象已經(jīng)相當(dāng)普遍，目前國外采用快速省力的立式或臥式的注射機(jī)以及注射模具占其橡膠制品生產(chǎn)總量相當(dāng)大比重。而在國內(nèi)，雖然傳統(tǒng)應(yīng)用的橡膠壓制工藝目前仍然在被廣泛應(yīng)用，但是采用橡膠模壓工藝成型的橡膠制品因?yàn)橘|(zhì)量相對較低、生產(chǎn)效率相對低下、操作者勞動強(qiáng)度相對較高、橡膠原材料在制品硫化過程中浪費(fèi)嚴(yán)重等缺點(diǎn)而將逐漸被橡膠注射工藝所代替，特別是在橡膠原材料價格日益昂貴的今天體現(xiàn)更加明顯。

目前，國內(nèi)絕大多數(shù)的汽車輪胎定型膠囊的硫化方式都是通過平板硫化機(jī)來壓制成型的，只有少數(shù)廠家采用了注射式成型。汽車輪胎定型膠囊注射成型與壓制成型相比較，起步比較慢。國外從20世紀(jì)60年代就開始應(yīng)用這種技術(shù)了，而國內(nèi)真正應(yīng)用是在20世紀(jì)80年代才開始的。

汽車輪胎定型膠囊注射成型有很多優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備自動化程度高，生產(chǎn)率高，廢品率低，材料消耗低，但由于模具結(jié)構(gòu)比平板式硫化模具復(fù)雜得多，所以制造成本相應(yīng)比較高，但是在大批量生產(chǎn)時可發(fā)揮出其優(yōu)點(diǎn)。

1 汽車輪胎定型膠囊注射成型的現(xiàn)狀

目前使用的注射機(jī)種類很多，其中立式和臥式應(yīng)用較廣。立式注射機(jī)采用螺桿對橡膠進(jìn)行塑化，并用柱塞推進(jìn)膠料注射。臥式注射機(jī)則采用螺桿對膠料既進(jìn)行塑化又完成推進(jìn)注射。在注射成形過程中，硫化時間比用平板硫化機(jī)成形的硫化時間短。但在短時間內(nèi)剪切發(fā)熱會引起橡膠溫度上升，溫度過高會引起膠料燒焦。為了促進(jìn)硫化，一般采用的方法是強(qiáng)制加熱模具的澆口部位。重點(diǎn)是如何準(zhǔn)確地設(shè)定加熱溫度滯留時間與橡膠發(fā)生燒焦的條件。為了對橡膠進(jìn)行均勻加熱，防止倒流，確保橡膠流量的穩(wěn)定性，一般采用閉合式澆口，從根本上防止倒流，使噴嘴的頂端與模具接觸部位無漏料現(xiàn)象。在連續(xù)長時間作業(yè)時，為了防止噴嘴殘留燒焦的橡膠，可以把注射噴嘴和模具直接連接起來，閉合式澆口的優(yōu)點(diǎn)是：打開澆口注射，閉合澆口后成形硫化，防止橡膠的倒流，可得到穩(wěn)定的壓力。

從噴嘴頂端、螺桿中間和模具部分抽真空，能去掉成形時被帶進(jìn)去的空氣及硫化時產(chǎn)生的氣體。模具抽真空的方法很多，如采取分型面用密封材料進(jìn)行密封、同時用真空泵抽氣的方法。由于在模具流道與型腔之間設(shè)立隔熱層，模具變得復(fù)雜，造價高。熱板的平行度，合模力的大小、溫度的分布、穩(wěn)定性、合模速度等對汽車輪胎定型膠囊產(chǎn)品的質(zhì)量有很大影響。

2 汽車輪胎定型膠囊模具技術(shù)[1]

在汽車輪胎定型膠囊注射成形過程中，模具是關(guān)鍵技術(shù)，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞對產(chǎn)品質(zhì)量有直接影響。設(shè)計注射式模具時應(yīng)考慮模具的密封性、加熱功能、導(dǎo)熱性等有關(guān)方面的因素，同時注意提高產(chǎn)品質(zhì)量和減少事故措施和模具的清洗等問題。

目前國內(nèi)常用的配平板硫化機(jī)的汽車輪胎定型膠囊模具結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由上模、下模、上芯模、下芯模等共四大件組成，如圖1所示。其工作原理是：模具處于打開狀態(tài)，上、下模汽室內(nèi)充循環(huán)蒸汽，在下模存膠臺處置入定量的橡膠條，硫化機(jī)工作臺上升到最高點(diǎn)后整套模具進(jìn)行合模加熱硫化，硫化完后工作臺下降，帶動下模、下芯模下移，下芯模在硫化機(jī)下法蘭盤拉緊情況下強(qiáng)制帶動制品脫出上芯模及上模（上芯模被硫化機(jī)上法蘭盤拉住，并在上法蘭盤行程終點(diǎn)就停止下移），當(dāng)開模行程到了終點(diǎn)時，工作臺停下來，硫化機(jī)下法蘭盤上頂，將制品脫出下模，最后由人工強(qiáng)制脫出下芯模。這種結(jié)構(gòu)的膠囊模具其結(jié)構(gòu)簡單，動作也簡單，但工人操作勞動強(qiáng)度大，易損壞制品。

2.1 平板式硫化機(jī)用汽車輪胎定型膠囊模具

與平板硫化機(jī)膠囊模具相比較，注射式膠囊模具其結(jié)構(gòu)要復(fù)雜些，但因其機(jī)械自動化程度較高，既減輕工人的勞動強(qiáng)度，又提高了生產(chǎn)率，而且硫化出來的膠囊制品內(nèi)部質(zhì)量好，所以在國外已經(jīng)得到了很廣泛的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平板式硫化機(jī)用汽車輪胎定型膠囊模具

2.2 汽車輪胎定型膠囊注射式模具

其工作原理是：在模具的熱油循環(huán)流道內(nèi)注入循環(huán)流動的加熱到一定溫度的柴油進(jìn)行模具加熱，模具合攏后由注射機(jī)螺桿將橡膠條卷入塑化，并由模具上部的澆口推進(jìn)模腔，同時在模具下面進(jìn)行抽真空，當(dāng)軟化的膠料充滿型腔時停止進(jìn)料，保壓硫化；開模時膠囊制品受上下模芯一起壓緊而從上模脫出，留在下模里，然后控制系統(tǒng)自動從進(jìn)風(fēng)口處往模腔里面吹加壓風(fēng)，使膠囊制品從下模及模芯上強(qiáng)制脫出。由于采用了吹風(fēng)方式脫模，膠囊制品內(nèi)部受力比平板式硫化膠囊的手工強(qiáng)制脫模要均勻得多，所以膠囊人為拉裂的機(jī)率低，降低了廢品率，而且脫模的自動化降低了工人的勞動強(qiáng)度，縮短了脫模周期。注射式膠囊模如圖2所示。

圖2 汽車輪胎定型膠囊注射式模具

到目前為止，對注射式橡膠模具技術(shù)體系的研究還不充分，因此為保證制品的硫化質(zhì)量，必須了解橡膠硫化時的壓力上升特性，澆口處的壓力損失，粘度與溫度依存關(guān)系等對模具的具體要求。對流動特性、壓力損失與混煉、配方的關(guān)系已做部分研究。門尼粘度越小、越易流動、越接近塑料流動性的橡膠，壓力損失越小，所以可以根據(jù)壓力損失與剪切速度的依存關(guān)系來判斷橡膠成形的好壞[2]。

模具清洗技術(shù)也是注射模的重要課題。目前模具清洗使用的方法很多，如化學(xué)清洗法、噴砂清洗法、高壓水噴射法、干冰清洗法、激光清洗法。這些方法在國內(nèi)外的模具行業(yè)中都得到了應(yīng)用。也可通過選擇適當(dāng)?shù)拿撃?，正確的模具鍍層和材料，加強(qiáng)維修頻率的方法達(dá)到減少粘污的目的。

3 防止制品缺陷的措施

注射成形中膠囊制品經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷有氣泡、疏松、收縮、裂紋等，還有在模具分型面出現(xiàn)背線縫、模具內(nèi)腔發(fā)生結(jié)合縫和缺膠等。這些問題是膠囊成形硫化的常見問題。在生產(chǎn)中要從材料方面、設(shè)備和模具方面、成形工藝方面綜合考慮。例如：背線縫空心問題，背線空心是P/L面在制品表面發(fā)生象裂紋一樣的條紋狀收縮，這是快速硫化厚料制品時經(jīng)常發(fā)生的，原因是最外層硫化的制品表面受內(nèi)層未硫化層的擠壓，使表層形成破裂。解決的辦法可以從配方方面改變硫化體系，但是硫化速度要慢。目前，通過計算機(jī)CAD/CAE/CAM自動化控制及對成形中的參數(shù)如壓力、溫度、澆口位置、冷動時間等進(jìn)行仿真模擬，可預(yù)先降低了廢品率，提高模具的質(zhì)量。

通常地，輪胎膠囊定型過程會出現(xiàn)一些直接影響輪胎膠囊質(zhì)量的問題，表1給出了一些常見問題及其對策。

表1 常見問題及對策

4 結(jié)束語

輪胎定型膠囊模具結(jié)構(gòu)的選擇決定了輪胎膠囊的質(zhì)量及其使用壽命，也影響了輪胎膠囊的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率。正確選擇輪胎定型膠囊注射式模具，既可以提高輪胎定型膠囊的生產(chǎn)自動化，也可以降低工人的勞動強(qiáng)度，同時還能節(jié)約橡膠原材料，生產(chǎn)的制品質(zhì)量好，越來越受到各個輪胎廠及輪胎膠囊制造商的歡迎，是橡膠輪胎制造行業(yè)發(fā)展的一個大趨勢。

［1］唐國政.輪胎硫化膠囊和膠囊注射法生產(chǎn)［A］.“大橡塑”杯全國橡塑技術(shù)與市場研討會論文集［C］.2007：208-235.

［2］劉洪.橡膠注射成型技術(shù)［J］.塑料工業(yè)，2011（4）：104-108.