基于分區(qū)硫化工藝的輪胎活絡(luò)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

摘 "要：為實(shí)現(xiàn)花紋塊和側(cè)板分區(qū)控溫，進(jìn)而提升輪胎的硫化質(zhì)量，以輪胎活絡(luò)模具為研究對(duì)象，基于有限元仿真分析軟件，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)比分析了模具優(yōu)化前后花紋塊及側(cè)板在預(yù)熱完成后的溫度分布均勻性以及兩者的溫度差異情況。結(jié)果表明：優(yōu)化后模具預(yù)熱完成后花紋塊與側(cè)板溫差明顯提高，花紋塊型腔面溫差降低，花紋塊和側(cè)板實(shí)現(xiàn)了分區(qū)控溫且溫度分布更均勻。同時(shí)對(duì)優(yōu)化前后模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)溫，測(cè)試結(jié)果充分證明了優(yōu)化結(jié)構(gòu)在分區(qū)硫化控溫上效果顯著，因此該模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案可有效提高輪胎的硫化成型質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：輪胎活絡(luò)模具；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；分區(qū)硫化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.7 """""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Structure optimization of segmented tire mould based on zoning vulcanization process

YU Cuixiang1，2， YU Yong1，2， SUN Riwen1， LIU Zhilan1，2*

（1. Himile Mechanical Science and Technology （Shandong）

Co.， Ltd.， Gaomi 261500， Shandong， China）

（2. Key Laboratory of Tire Mould Key Technology in Shandong Province， Gaomi 261500， Shandong， China）

Abstract： "In order to achieve zone temperature control of pattern blocks and sidewall plates and improve the vulcanization quality of tires， the segmented tire mould was taken as the research object， and the mould structure was optimized based on finite element analysis software. After preheating， the difference in temperature between the pattern blocks and the sidewall plates and the uniformity of temperature distribution in mold cavity before and after optimization was compared and analyzed. The results showed that the temperature difference between the pattern blocks and the sidewall plates was increased obviously after optimized， the temperature difference of pattern blocks was decreased. Therefore， the temperature of pattern blocks and sidewall plates can zoned control， and the temperature distribution of pattern blocks and sidewall plates were more uniform. The actual temperature measurement of the mould structure before and after optimization was carried out， the test results fully proved that the optimized structure has a significant effect on partition vulcanization temperature control. Therefore， the mold structure optimization scheme can effectively improve the vulcanization quality of molded tires.

Key words： segmented tire mould; finite element analysis; structure optimization; zone vulcanization

0 "引 "言

輪胎模具是實(shí)現(xiàn)輪胎硫化成型的關(guān)鍵工裝，其傳熱性能的好壞、型腔溫度的均勻程度決定了成型輪胎的質(zhì)量［1］。隨著汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展及人們對(duì)于輪胎壽命、舒適性要求的提高，高質(zhì)量輪胎的需求不斷增加，成型輪胎所必須的輪胎模具結(jié)構(gòu)也在不斷優(yōu)化改進(jìn)。

輪胎硫化過(guò)程中，由于輪胎胎側(cè)和胎冠部位膠料厚度及種類(lèi)不同，所需最佳硫化溫度也不同，若兩處硫化溫度保持一致，往往會(huì)造成胎側(cè)過(guò)度硫化以及胎頂欠硫問(wèn)題。為使輪胎硫化后達(dá)到最佳使用性能，輪胎廠常采用熱板和模套分區(qū)控溫的方法進(jìn)行輪胎硫化［2］，但由于花紋塊與側(cè)板間存在熱量交換，并不能有效達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，因此，對(duì)花紋塊和側(cè)板分區(qū)控溫的研究是非常有必要的。

目前為了提高輪胎成型質(zhì)量，各專(zhuān)家學(xué)者對(duì)輪胎模具結(jié)構(gòu)及輪胎硫化成型工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究。崔龍等［3］對(duì)輪胎模具弓形座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了型腔內(nèi)部溫度均勻性。趙永瑞等［4］優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)，提高了模具傳熱效率。劉迎等［5］改進(jìn)了花紋塊與弓形座的接觸方式，提高了模具內(nèi)輪廓的均勻性與對(duì)稱(chēng)性。張建等［6］ 在硫化工藝方面對(duì)輪胎成型質(zhì)量進(jìn)行了改善，提出分布區(qū)塊法進(jìn)行硫化溫度設(shè)計(jì)的改善方案。魏利萍等［7］提出縮短輪胎硫化時(shí)間來(lái)減少過(guò)硫問(wèn)題的方法，但這些研究并沒(méi)有從花紋塊和側(cè)邊分區(qū)控溫的角度去改善輪胎成型質(zhì)量。本文基于有限元仿真分析軟件對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)花紋塊和側(cè)板分區(qū)控溫，有利于獲得高性能、長(zhǎng)壽命的輪胎。

1 "輪胎活絡(luò)模具結(jié)構(gòu)

采用圓錐面活絡(luò)模具進(jìn)行傳熱性能仿真分析，模具結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中上蓋、底座、安裝環(huán)材料為45鋼；模套、上側(cè)板、下側(cè)板材料為35鋼；滑塊、上滑塊、導(dǎo)向條材料為40Cr；花紋塊材料為鋁合金。

2 "輪胎活絡(luò)模具分區(qū)加熱模擬分析

2.1 "原始結(jié)構(gòu)模具傳熱分析

本文應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真分析軟件Workbench對(duì)模具升溫過(guò)程進(jìn)行模擬分析［8］，輪胎活絡(luò)模具呈圓周對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為提高計(jì)算效率，以模具的九分之一模型為有限元分析模型。輪胎活絡(luò)模具熱源主要由硫化機(jī)上下熱板和模套汽室提供，本次分析將上下熱板溫度和模套汽室溫度分別設(shè)置為165℃和175℃。為了準(zhǔn)確分析各型腔面的溫度分布規(guī)律，在上、下側(cè)板中心位置，花紋塊型腔面上、中、下位置分別取溫度監(jiān)控點(diǎn)，詳細(xì)溫度監(jiān)控點(diǎn)位置和標(biāo)號(hào)見(jiàn)圖3。

圖2是應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真分析軟件模擬計(jì)算所得模具預(yù)熱升溫曲線，由圖可得，預(yù)熱2h后模具溫度基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖3和表1分別為模具預(yù)熱4h后溫度分布云圖和P1～P5各溫度監(jiān)控點(diǎn)詳細(xì)溫度值。由圖3和表1可得，上、下側(cè)板型腔中心位置溫度穩(wěn)定后約為167℃，花紋塊型腔溫度約169℃，花紋塊和側(cè)板溫差僅2℃，該溫差與初始分區(qū)硫化設(shè)置溫差10℃差距較大，未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。其中，花紋塊型腔面中間部位溫度最高，下端溫度最低，型腔面最大溫差0.81℃，產(chǎn)生該溫度分布規(guī)律的原因?yàn)榈鬃迕娣e較大，硫化機(jī)下熱板低溫?zé)嵩磳?duì)花紋塊下端溫度影響較大，而中間位置距離模套汽室較近，受高溫?zé)嵩从绊戄^大。此外，上、下側(cè)板中心位置也存在一定溫差，表現(xiàn)為下側(cè)板溫度低約0.25℃。綜上，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前型腔面溫差較大，花紋塊與側(cè)板未能實(shí)現(xiàn)分區(qū)控溫，不利于獲得高性能、長(zhǎng)壽命輪胎。

2.2 "輪胎活絡(luò)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

阻斷花紋塊與側(cè)板間的熱量交換是實(shí)現(xiàn)輪胎胎側(cè)與胎冠部位分區(qū)控溫硫化的有效措施，輪胎模具中，花紋塊與側(cè)板間熱量交互路徑有3處，分別為花紋塊與側(cè)板口徑間傳熱，滑塊與底座滑板間傳熱以及滑塊與上蓋閉滑板間傳熱。

根據(jù)式（1）傅里葉定律，導(dǎo)熱系數(shù)越小，熱流量越低，因此在導(dǎo)熱路徑上增設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)低的隔熱板可有效阻隔相鄰物體間的熱量交換，理論上可實(shí)現(xiàn)花紋塊與側(cè)板分區(qū)控溫。

Ф= -λAdtdx，（1）

式中：Ф為熱流量，單位為W；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）；A為面積，單位為m2，dtdx為溫度梯度，單位為K·m-1。

隔熱板材料具有耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)低、隔熱、抗壓的特性，其抗壓強(qiáng)度在200℃下為430MPa，導(dǎo)熱系數(shù)0.21W/（m·K），密度為1900kg/m3，可滿(mǎn)足模具使用工況。因此，提出將上蓋閉滑板、底座滑板更換為隔熱材料，側(cè)板口徑處鑲嵌隔熱材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。表2為模具優(yōu)化具體實(shí)施方案，其中側(cè)板口徑鑲嵌隔熱板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，隔熱板厚8mm。為獲得優(yōu)化方案對(duì)模具預(yù)熱完成后型腔面溫度的影響程度，對(duì)表2中3種優(yōu)化方案進(jìn)行了傳熱性能對(duì)比分析。

2.3 "不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案仿真分析結(jié)果

2.3.1 "優(yōu)化結(jié)構(gòu)1

上蓋閉滑板和底座滑板均更換為隔熱板材料后，花紋塊型腔面平均溫度170.43℃，上、下側(cè)板型腔面溫度分別為167.72℃和167.68℃，花紋塊型腔面與側(cè)板型腔面溫差約2.7℃，與優(yōu)化前接近，因此該方案對(duì)于輪胎分區(qū)硫化控溫的改善效果不明顯。花紋塊型腔面溫度相比原始結(jié)構(gòu)提高1.38℃，呈上端溫度低、中間溫度高的分布規(guī)律，最大溫差0.86℃，上、下側(cè)板型腔面溫差0.04℃。相比初始結(jié)構(gòu)花紋塊最大溫差基本一致，上、下側(cè)板溫差明顯降低。

2.3.2 "優(yōu)化結(jié)構(gòu)2

側(cè)板口徑鑲嵌8mm厚度隔熱板材料后，穩(wěn)態(tài)時(shí)花紋塊型腔面平均溫度170.79℃，上側(cè)板型腔面溫度165.39℃，下側(cè)板165.28℃，花紋塊與側(cè)板溫差約5.5℃。相比原始結(jié)構(gòu)花紋塊型腔面溫度提高1.74℃，呈由下至上溫度升高的分布規(guī)律，最大溫差0.51℃，上、下側(cè)板溫差0.11℃?；y塊與側(cè)板間溫差明顯提高，花紋塊型腔面最大溫差、上下側(cè)板溫差均獲得一定程度降低，因此該方案可有效獲得分區(qū)硫化溫度，有利于提高輪胎成型質(zhì)量。

2.3.3 "優(yōu)化結(jié)構(gòu)3

上蓋閉滑板和底座滑板均更換為隔熱板材料，同時(shí)將側(cè)板口徑鑲嵌8mm厚度隔熱板材料后，花紋塊型腔面平均溫度173.46℃，上側(cè)板型腔面溫度165.21℃，下側(cè)板165.19℃，花紋塊與側(cè)板溫差保持在8℃左右，與初始設(shè)置的10℃熱源溫差差距較小。相比原始結(jié)構(gòu)花紋塊型腔面溫度提高4.4℃，呈上端溫度低、中間偏下位置溫度高的規(guī)律，最大溫差僅0.07℃，上側(cè)板與下側(cè)板溫差僅0.02℃。因此，該結(jié)構(gòu)花紋塊和側(cè)板可有效實(shí)現(xiàn)分區(qū)控溫，且自身溫度分布更均勻，有利于提高成型輪胎性能［9］，在輪胎分區(qū)硫化工藝中對(duì)輪胎成型質(zhì)量的改善效果明顯。

3 "不同模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化后模具的實(shí)際分區(qū)控溫效果，將優(yōu)化前、后模具進(jìn)行實(shí)物投產(chǎn)，通過(guò)測(cè)溫儀對(duì)優(yōu)化前、后模具預(yù)熱過(guò)程的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)比分析預(yù)熱結(jié)束后花紋塊與側(cè)板的溫度差異，得到優(yōu)化模具在分區(qū)控溫中的改善效果。

3.1 "模具測(cè)溫點(diǎn)分布

為收集花紋塊及側(cè)板溫度，在花紋塊及側(cè)板上分別加工測(cè)溫點(diǎn)，花紋塊測(cè)點(diǎn)分布在上、中、下位置，上、下側(cè)板測(cè)點(diǎn)位于側(cè)板內(nèi)圓及外圓位置，模具FRONT線左、右45°位置分別設(shè)置對(duì)稱(chēng)測(cè)點(diǎn)，具體測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖6。

3.2 "模具測(cè)試條件說(shuō)明

圖7為優(yōu)化前后模具照片，結(jié)構(gòu)優(yōu)化之處為上蓋閉滑板、底座滑板材料由鋼材調(diào)整為隔熱板材料，下側(cè)板口徑處鑲隔熱板材料。為了更好地對(duì)比側(cè)板口徑鑲嵌隔熱板的效果，僅下側(cè)板處添加隔熱板材料，上側(cè)板保留原結(jié)構(gòu)，主要測(cè)試工況條件說(shuō)明見(jiàn)表4。

采用硫化機(jī)對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，上、下熱板溫度設(shè)置為165℃，模套溫度設(shè)置為175℃，通過(guò)測(cè)溫儀采集模具預(yù)熱過(guò)程升溫曲線，圖8為模具測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)照片。

3.3 "模具測(cè)溫結(jié)果

圖9為不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案模具實(shí)測(cè)升溫曲線，由圖可得，在模具升溫速率方面，不同結(jié)構(gòu)模具差異較小，模具用時(shí)2.5h達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)模具溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，因硫化機(jī)熱板和模具模套溫度條件不同，花紋塊和側(cè)板存在一定溫差，詳細(xì)穩(wěn)態(tài)溫度數(shù)值見(jiàn)表5。

由表5可得，上蓋閉滑板和底座滑板更換為隔熱板材料后，模具溫度穩(wěn)定后，側(cè)板溫度提高1℃，花紋塊溫度提高1～2℃。上側(cè)板與花紋塊溫差與優(yōu)化前結(jié)構(gòu)基本一致，下側(cè)板與花紋塊溫差相比原結(jié)構(gòu)增大1.5℃，最終溫差5.6℃；下側(cè)板口徑鑲嵌隔熱板材料后，模具溫度穩(wěn)定后，下側(cè)板溫度降低1.8℃，花紋塊下端測(cè)點(diǎn)溫度提高1.1℃。上側(cè)板與花紋塊溫差4.3℃，與原結(jié)構(gòu)相比增大0.5℃，下側(cè)板與花紋塊溫差7℃，相比原結(jié)構(gòu)溫差增大2.9℃，因此側(cè)板鑲嵌隔熱板在側(cè)板與花紋塊分區(qū)控溫上效果明顯；上蓋閉滑板、底座滑板均更換為隔熱板材料，同時(shí)下側(cè)板口徑鑲嵌隔熱板材料后，模具溫度穩(wěn)定后，下側(cè)板溫度降低0.5℃，花紋塊下端測(cè)點(diǎn)溫度提高4.6℃。上側(cè)板與花紋塊溫差2.9℃，相比原結(jié)構(gòu)降低0.9℃，下側(cè)板與花紋塊溫差9.2℃，相比原結(jié)構(gòu)增大5.1℃，側(cè)板與花紋塊溫差明顯提高，該方案是三種優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的最優(yōu)方案。

綜上分析可得，上蓋閉滑板、底座滑板均更換為隔熱板材料，且側(cè)板口徑鑲嵌隔熱板材料后可有效達(dá)到側(cè)板與花紋塊分區(qū)控溫硫化的目的。

4 "結(jié) "論

基于有限元仿真分析方法和輪胎分區(qū)硫化目標(biāo)，對(duì)輪胎活絡(luò)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均表明：側(cè)板口徑鑲嵌隔熱板材料可有效阻隔花紋塊與側(cè)板間的熱交換，花紋塊與側(cè)板溫差較大，且花紋塊和側(cè)板自身溫度分布更均勻；上蓋閉滑板、底座滑板均為隔熱板，同時(shí)側(cè)板口徑鑲嵌隔熱板后側(cè)板和花紋塊分區(qū)控溫效果最佳，達(dá)到了分區(qū)硫化的目的，可有效解決輪胎胎側(cè)過(guò)度硫化以及胎頂欠硫問(wèn)題，有利于獲得高性能、長(zhǎng)壽命輪胎。

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作者簡(jiǎn)介：于翠香，工程師，主要從事輪胎模具研發(fā)方面的研究。

*通信作者：劉志蘭，高級(jí)工程師，主要從事輪胎模具研發(fā)方面的研究。

（1. 山東豪邁機(jī)械科技股份有限公司，山東 "高密 "261500

2. 山東省輪胎模具關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 "高密 "261500）