子午線輪胎模具應用技術的跨越

鄒濤

(廣州市華南橡膠輪胎有限公司，廣東 廣州 511400)

子午線輪胎模具應用技術的跨越

鄒濤

(廣州市華南橡膠輪胎有限公司，廣東 廣州 511400)

子午線輪胎結構設計、模具設計、模具應用技術分屬于三個不同的范疇，既相互緊密聯系，又各具屬性特點。本文從模具應用層面演繹，通過對傳統技術、工藝、設備、材料方面存在問題的研究與突破，開創出一整套適合企業自身特點的有關模具設計、加工、檢驗、裝配、清洗、維修以及信息化管理的企業標準及技術應用體系，對破解輪胎質量缺陷及換模效率較低的難題發揮了重要的作用。

輪胎模具；應用技術；信息化；跨越

隨著市場對子午線輪胎質量、功能性方面細分要求的日益提高，為應對國際貿易技術壁壘的阻礙，中國輪胎工業競爭激烈，并獲得迅猛發展。各輪胎企業為追求花紋設計的獨特性、完美性，以致產品結構日益個性化，一些花紋節距無規律、胎側浮雕式的設計，綠色、環保、安全等功能性技術，引領著產品開發的潮流。從而使得輪胎模具的設計、加工技術日新月異，正朝著更大型、更精密、更復雜及更經濟快速的方向發展，技術含量不斷提高，制造周期不斷縮短，模具生產逐步信息化、無圖化、精細化、自動化。一些先進的輪胎模具企業已開始全面探索技術集成化、設備精良化、產品品牌化、管理信息化、經營國際化。此外，各種高速切削加工技術、快速制模技術、低污染的綠色制造技術、CAD/CAM/CAE技術、先進檢測裝備和技術等將在輪胎模具行業逐步普及，并對質量、交貨期、新產品開發及模具應用技術的發展產生重要影響。

消化、吸收輪胎新產品開發以及模具制造在新技術、新工藝、新設備、新材料方面的優勢，針對原有產品結構及質量方面的主要缺陷、在用模具使用和管理技術方面存在的突出問題，集成創新，制定一體化的模具應用技術體系，按標準整合，以信息化引領輪胎模具精益管理并向國際先進行列跨越，是本文重點研究的方向。

1 輪胎模具標準化問題的突破

國內輪胎企業產品結構設計從模仿起步，其模具設計、加工幾乎都是依靠模具廠完成。前期因缺乏行業標準，各模具廠僅憑輪胎企業產品結構圖（未完全兼顧模具使用方面要求）而設計，并按自定的標準加工（行業標準頒布之前尤甚），又都不提供自主知識產權的相關模具規格設計圖紙，導致輪胎企業模殼與型腔適配特殊性多、互換性差、利用率低，一些設計、制造缺陷及功能性障礙得不到及時發現處理而流入生產過程且持續存在，對輪胎質量及換模效率造成嚴重影響，資源的閑置浪費也是空前的。

2008年11月28日，華南橡膠輪胎有限公司（后續簡稱華輪）在國家化工行業有關活絡模具標準的基礎上，結合企業產品定位與發展，自主編制《汽車子午線輪胎活絡模具設計加工精度要求與質量檢驗報告》之企業標準，并向國內實力雄厚的模具廠發布。從此，拉開了輪胎模具標準化管理的序幕。新產品開發，模具設計加工按標準執行；原用模具按標準進行整合，整合不了的限期淘汰并報廢。同時對貫標能力評審較差的模具企業逐步進行淘汰，通過模具戰略合作框架協議的簽訂，模具供應的質量與效率基本上處于一種受控的穩定狀態。

模具標準化管理是輪胎企業發展到一定階段的必然要求。經過6年來的持續改進，華輪模具的標準化水平發生蛻變。主要優勢體現在以下三個維度：

1.1 輪胎結構設計方面

（1）根據公司產品定位、市場變化及發展趨勢，考慮模具制造與應用技術的現狀與前景，前瞻性地對產品結構進行規劃與調整。

（2）梳理產品結構設計圖紙，規范模具加工技術組織，建立模具驗收與產品驗證的標準化體系，確保產品技術變更與模具改制的一致性，以規避產品質量風險。

（3）應用PLM優勢，集成EMS、模具信息化管理等多個系統功能，促進產品結構設計水平向國際化方向邁進。

1.2 模具設計加工方面

（1）根據模具設計標準，結合產品結構設計方面要求，從模具應用角度，將40多種規格類型的模套優化成常用的18種，且均建立電子版圖庫。

（2）建立型腔模具設計標準模塊，鋼圈自主設計，側板、花紋塊委托模具廠按標準設計，模具廠設計完成，相關圖紙發回華輪審核確認，方可安排加工。

（3）模具改制項目委托模具廠設計的，相關圖紙一律發回華輪審核確認并分類歸檔，按體系要求確保產品開發及相對應的模具技術資料的完整性。

（4）隨著產品結構設計的高效化，多個系統集成的優勢必將整合模具設計路徑，將向著國際自主化的門檻跨越。

1.3 模具應用方面

（1）開發模具信息管理系統，通過標準流程來規范模具管理，促使模具與產品研發、銷售計劃、生產換模、產品質量、產品追溯、采購外修等多個環節實現緊密聯系，信息快捷共享，并以此來引領輪胎模具的精益生產。

（2）引進標準套、模擬硫化機、三坐標等高精度檢測設備，建立了一體化的模具驗收體系。

（3）模具裝配工藝通過應用技術的突破而持續優化，同時又推動產品設計與模具設計的持續改進。

（4）引進加工中心、刻字機等數控設備，促進模具維修、改制水平日益升級并實現快捷化，以應對產品市場變化與規格計劃性排產調整的需要。

（5）硫化機合模力的標準化調整技術，對預防機臺模具變形、磨損等缺陷，解決產品錯位、膠邊等質量問題效果顯著。

（6）模具清洗、模具潤滑維護的效果將直接影響模具使用壽命與輪胎外觀質量。

a. 通過對降低模具型腔表面摩擦系數的研究與試驗，基本鎖定納米滲層技術方向。傳統的模具清洗工藝將逐步改進或者淘汰，激光技術、超聲波技術正在引領模具清洗的潮流一定會獲得快速發展。

b. 模具高溫潤滑技術的應用，對穩定模具使用精度發揮重要作用，并能有效解決輪胎相關部位發生膠邊的問題。

c. 模具型腔常溫潤滑與機臺模具預熱前的潤滑技術，對保護模具表面與穩定產品外觀質量作用顯著。隨著模具潤滑技術的持續改進，從資源節約方面考慮，新型的無油潤滑技術將獲得廣泛應用。

d. 模具存放技術持續改進，正向立體儲存方向突破。通過信息化管理導入、除濕系統的控制、型腔表面納米滲層技術與無油潤滑技術的普遍應用，模具保養水平將邁入國際先進行列。

2 模具信息管理系統的開發

模具信息管理系統是一套多部門協同參與的多功能操作平臺（如圖1），它建立了集產品技術參數、模具臺賬、模具庫位臺賬、硫化機臺賬、模具備件臺賬等數據臺賬，并具有機臺狀態監控、模具出入庫管理、計劃換模管理、調撥管理、清洗維修管理、采購驗收管理、換模首檢、產品質量反饋、數據統計查詢等功能，通過和EAS 系統、胎號系統、OA系統進行接口，對所有模具業務實行全方位的管理，以實現數據即時采集、發布、共享，業務集中辦理和監控，資源優化配置，通過系統平臺規范各部門的業務流程和管理方式。

3 花紋塊斷面符合率分析

模具斷面的符合率對輪胎的動平衡與均勻性指標有一定的影響。為此可利用三坐標激光掃描，對花紋塊斷面符合率情況開展分析，結合產品動平衡與均勻性檢測情況對模具精度等級進行判定。用以指導模具戰略采購方向。

3.1 花紋塊三坐標檢測

由圖2檢測結果分析：花塊上分型面直徑超差0.049 mm，下分型面直徑合格，胎頂直徑合格，胎頂圓跳動合格。

3.2 花紋塊三坐標掃描

圖1 模具信息系統架構圖

圖2 三坐標檢測

花紋塊三坐標掃描如圖3、圖4所示。

3.3 數模對比

具體參數詳見表1、表2、圖5、圖6。

圖3 三坐標激光掃描

圖4 花紋塊掃描點云

表1 對比原數據

3.4 掃描結果

掃描結果見表3。

表2 百分比偏差

圖5 斷面符合率色塊示意

圖6 正態分布

表3 數模符合率

3.5 輪胎的動平衡檢測

動平衡檢測結果見圖7。

3.6 輪胎的均勻性檢測

輪胎均勻性檢測結果見圖8。

3.7 對比結論

該套模具三坐標檢測胎頂圓跳動合格，斷面符合率77.16%，動平衡與均勻性檢驗均為優級，模具質量較好。但花塊上與側板分型配合面直徑超差0.049 mm，須退回模具廠進行處理。

3.8 意見反饋

（1）模具廠應嚴格控制花紋塊胎頂與胎肩圓跳動精度。

圖7 半鋼子午線輪胎動平衡檢測報告

圖8 半鋼子午線輪胎均勻性檢測報告

（2）加強加工過程檢查與調整，強化模具終檢驗收，對模具花紋塊等的關鍵尺寸，優先采用三坐標儀檢測。

（3）增加設備精度檢測頻次，加大設備大修及維護保養工作，確保模具各加工尺寸能夠滿足精度要求。

4 模具裝配質量的精確檢驗

4.1 活絡模組裝過程主要配合尺寸的檢測

（1）側板與花紋塊配合分型線的錯位量檢測。

a. 先前沿用模具廠推薦的橡膠泥拓印比較的方法（如圖9）。因膠泥回彈、模具空載并受視差及個人經驗判斷的影響，其結果不太準確，裝上機臺后需拆模重新調整的幾率較大。

圖9 橡膠泥拓印

b. 后來設計制作檢測樣板（如圖10），并用塞尺輔助檢測，其結果較橡膠泥拓印的準確性高，但不同的型腔規格所對應的樣板不同，使用與保管繁瑣，所以操作沒有橡膠泥拓印簡便。

圖10 樣板檢測

（2）花紋塊立面間隙的檢測。

a.根據總間隙大小，計算均分值再用薄紙片墊放在花紋塊的接縫面調整，但操作比較繁瑣。

b.根據總間隙大小，計算均分值用塞尺檢測花塊立面間隙并反復墩模調整。

（3）預加載的檢測。

模具組裝完后，空載條件下計算預加載值，上機臺后采用壓鉛的辦法，檢測預加載量，再確定調整墊片的厚度，操作復雜，一次合格的幾率因人而已，不是太高。

4.2 活絡模組裝質量的模擬檢驗

（1）模具組裝后用簡易加壓平臺檢驗,如圖11。

a. 測量人員從專用平臺下面進入模具內，用塞尺測量花紋塊與花紋塊之間的間隙值，花紋塊與側板之間的間隙，用樣板與塞尺檢驗側板與花紋塊配合分型線的錯位量。

圖11 簡易加壓平臺

b. 在平臺模具上邊用深度尺測量預加載量。但因其壓緊裝置難以保證作用于中套上各點的合模力一致，所以其檢測結果與實際情況還是存在一定誤差。且操作繁瑣，也就沒有獲得持續的應用。

（2）用四柱專用壓力機（如圖12），模擬硫化機合模狀況， 對活絡模組裝質量進行驗收。

圖12 專用壓力機

a.測量人員從壓力機地下面孔洞進入模具內，用塞尺測量花紋塊與花紋塊之間的間隙值，花紋塊與側板之間的間隙，用樣板與塞尺檢驗側板與花紋塊配合分型線的錯位量。

b.上蓋板中心油缸加壓，消除弓形座與耐磨板之間的間隙。中套模擬硫化機加壓，各對稱點受力均勻，可一次性計算出預加載值。

c.不同材質、規格的型腔，模擬壓力不同，預加載值根據實際經驗設定也不同。

d.模擬硫化狀況壓力機應用于模具組裝質量的驗收，能夠有效控制組裝不合格模具流入生產過程，綜合效益顯著，必將獲得行業青睞而普遍應用。

5 模具認證標識等活字塊結構的改進

產品認證標識前期直接刻在側板上，因其數量較多且受歐盟技術壁壘的影響而升級并頻繁變化，后來一般做成背面固定的活字塊形式，也有從正面做成薄片開槽過盈固定或螺釘固定的形式。特別是年周號標識每周都要在機臺更換，從正面做成薄片開槽過盈固定的方式，操作過程很難規范，導致產品標識問題太多；另外受市場影響，一部分規格出口歐洲不能有M+S標識，而出口美國不能有E標，這兩個標識大都做成背面固定的活字塊形式，不能在機臺切換，必須下模更換，影響硫化效率。

5.1 模具側板年周號結構改進

（1）原兩頭半圓平形槽口結構（如圖13），用薄鋁片倒角過盈固定，隨著更換次數的增多就會導致產品標識部位出現亂象（如圖14），嚴重影響產品銷售。

（2）側板上槽口斷面改成“燕尾”形，采用弧拱形薄鋁片結構，其表面刻字后，再裝入側板槽口敲平展開，其邊界斷面變成燕尾型而撐住側板槽口（如圖15），熱態之后因兩種材質的膨脹系數不同，會結合的更加緊密。以達到表面無刮痕字體美觀且周邊無毛刺的效果。

5.2 模具側板M+S 標識結構改進

為解決歐盟與美國標準不能兼容，M+S活塊與空白活塊在機臺切換的問題，將M+S活塊改制成年周號弧拱形薄鋁片結構安裝形式（如圖16），在機臺可以正面拆裝，能夠顯著節省切換時間，減少停機率。

圖13 兩頭半圓平形槽口結構

圖14 產品標識部位出現亂象

圖15 燕尾型

圖16 弧拱形薄鋁片結構

5.3 產品標識改進效果及方向

輪胎年周號、M+S標識效果見圖17、圖18。模具側板年周號槽口、M+S活塊結構改進并配裝弧拱形結構薄鋁片的方式，標志著華輪產品標識水平邁入國際先進行列。該項技術應用于模具認證標識并全面推廣，對出口型企業提高產品外觀品質，具有非常重要的意義。同時能夠減少模具側板活字塊的加工投入，機臺拆裝切換簡單方便規范，綜合效益顯著。

6 降低模具型腔表面摩擦系數的途徑

降低模具型腔表面摩擦系數的主要目的，就是要改善金屬表面磨損性能，降低脫模阻力，以提高其抗橡膠及雜質黏附的性能。

圖17 年周號標識效果圖

圖18 M+S標識效果圖

6.1 橡膠模具表面快速改性技術

國產材料總體質量比較差，為提高模具的使用壽命和機械性能，可以通過以下途徑獲得良好的金屬表面性能：

（1）金屬表面形變強化；

（2）表面熱處理；

（3）表面化學熱處理；

（4）離子表面處理；

（5）激光表面處理等。

以上途徑一定程度上能夠改善金屬表面磨損性能，然而硫化過程中橡膠及雜質的分子還是比較容易黏附在型腔表面，從而影響產品外觀色相與質感的持續性。

6.2 橡膠模具易脫模的表面技術

（1）鍍鉻（亞光）——主要用于全鋼模具。據統計日本有35%左右的企業使用這種技術，國內使用的企業不多。主要考慮到電鍍質量與成本、側板頻繁改制鍍層易損壞、節省干冰清洗頻次不明顯等情況，沒有獲得大規模的應用。

（2）噴特氟龍（亞光）——主要用于全鋼模具。據統計日本有19%左右的企業使用這種技術，國內也有部分企業使用。主要因為特氟龍具有脫模阻力小、不黏膠、不需干冰清洗、不需潤滑并能夠顯著提升輪胎外觀品質等優點，而獲得比較大的應用。但其涂層損壞之后，不能在機臺處理，再一個一次噴涂的壽命有限，需重新再噴，所以也制約了它的發展。

（3）表面納米滲層（亞光）——可用于全鋼、半鋼模具。該項技術是將零維納米金屬材料在特定工藝條件下滲入到模具的表層縫隙中，把這些縫隙填充滿并形成0.03~0.05 mm厚的致密層（如圖19）。這樣就切斷了胎坯中混煉膠較大直徑分子在模具表層著床的通道。模具表面耐磨損和耐腐蝕性能顯著提升，摩擦系數下降，硫化時膠料流動阻力小，不易黏附在模具表面，脫模阻力相應下降，能夠基本解決產品外觀色相與質感隨硫化時間而持續劣化的難題。模具硫化在線反復清洗的周期相應延長，致使機臺規格模具的出力率顯著提高。該技術被青島元通模具廠率先突破，已用于新模具制造及舊模具翻新兩個方面。因其表面突出的保護性能，模具的使用壽命大幅度延長，對企業提質降耗產生重要作用，綜合效益不可估量。隨著市場對輪胎外觀品質要求的日益提高，納米滲層技術必將被輪胎行業用于模具型腔表面保護而逐步普及。

圖19 顯微鏡下剖面組織結構示意圖

7 模具清洗方式的選用

7.1 模具傳統清洗方式

輪胎硫化過程中的膠垢，黏附在模具表面，隨著時間的延長，越來越厚，甚至將排氣孔堵塞，以致影響產品外觀品質，所以一定周期之后，必須下模進行清洗。傳統的清洗方式有如下幾種：

（1）不銹鋼丸噴洗——適宜于線下鋼質模具型腔表面自動清洗。

（2）玻璃珠+聚酯噴洗——適宜于線下鋁質模具型腔表面自動清洗。

（3）干冰清洗——適宜于模具在線型腔表面清洗。

7.2 模具新清洗方式

（1）激光清洗——適宜于模具在線型腔表面清洗，也可用于線下模具組裝前的清洗。該方式盡管有很多優勢，然而因進口價格高企，并未能獲得廣泛應用。

（2）超聲波清洗——用于線下模具組裝前的清洗。因其良好的性價比，從保護模具精度，穩定產品外觀品質的角度考慮，該項技術將在輪胎行業模具清洗方面逐步推廣應用。

7.3 各種清洗方式的優缺點比較

各種清洗方式的優缺點見表4。

8 模具潤滑技術的發展

輪胎模具銹蝕的主要原因應該是潤滑保養不當造成。不同的材質，模具所處的環境及使用狀況不同，采取的潤滑方式及油品很不一樣。建立科學的模具潤滑標準，對穩定模具使用精度，提高產品外觀品質，延長模具使用壽命，具有非常重要的作用。

表4 各種清洗方式對比表

8.1 模套的高溫潤滑技術

（1）減模板的高溫潤滑。

a. 活絡模的使用精度全靠減模板來支撐，而減模板的自潤滑作用在高溫狀況下不能有效維持模具使用精度，因磨損而逐步下降。

b. 選用杜邦氟素滑滑脂或加力索高溫潤滑脂，能夠有效改善減模板與各滑動部位潤滑狀況，保持活絡模較長時期的運行精度。起到減少輪胎外觀缺陷的作用。

（2）模套與型腔或機臺連接螺栓的高溫潤滑。

a.模套與型腔或機臺連接螺栓常常出現高溫咬死的現象。

b. 采用高溫絲扣潤滑脂，可有效地防止高溫燒結和各類腐蝕性介質滲入，確保拆卸方便。

8.2 型腔模的潤滑技術

（1）型腔模各部件常溫下的潤滑。

a.側板、鋼圈表面，下鋼圈與側板配合面，鋼花紋塊表面，在模具出廠或運輸途中，要求噴涂綠色薄膜保護。

b.型腔模清洗后，一般都涂防銹油PR-120保養存儲。

（2）型腔模機臺合模預熱中的潤滑。

a.組裝過程中，檢查側板、鋼花紋塊并用PA-1000清洗劑清洗干凈型腔表面原有PR-120或S-103W油品與雜質，用氣管吹凈排氣孔內防銹油。

b.將S-350W防銹劑均勻噴涂到型腔表面。

c.模具裝上機臺合模預熱4 h，噴涂在型腔表面的S-350W防銹劑揮發，起到既保護型腔表面不銹蝕，又不污染產品的作用。

（3）型腔機臺冷模（較長時間停止硫化）后的潤滑。

a.機臺冷模，開模狀況下模具型腔各部件溫度低于60°，才可開始噴涂。

b.將綠色薄膜均勻噴涂到模具型腔各部件表面。

c.嚴禁60°以上噴涂，避免防銹劑揮發而達不到長時期防銹效果。

8.3 型腔模潤滑新技術

隨著模具納米滲層技術及超聲波清洗技術的發展，模具型腔表面的潤滑將越來越簡單、經濟、有效。

（1）模具清洗完后，把模具放入裝有鈍化封閉劑的槽中，使其表面鈍化，封閉劑在其表面形成一層水溶性薄膜，使其在下一次上硫化機使用之前處于與空氣隔絕的狀態，南方的輪胎廠可增配除濕裝置，能夠有效避免模具存儲過程中的表面氧化。

（2）組裝過程中，型腔表面水溶性薄膜不需清洗，在機臺合模預熱過程中變為水蒸氣而揮發。

9 輪胎膠邊封槽問題的解決方向

輪胎膠邊封槽是指胎面花紋縱向溝槽在與模具花紋塊主筋對接處位置產生的不同程度封住溝槽的膠邊（見圖20）。該缺陷的存在，對輪胎行駛的噪聲、濕滑性等有一定影響，各汽車主機廠配套都有嚴格要求。

圖20 輪胎溝槽膠邊

胎面膠邊封槽出現的位置、數量、厚薄、深淺均具有不確定性，與產品結構設計、膠料配方，模具設計、加工精度、材質及表面性能，模具裝配、使用、潤滑、保養，硫化機精度等有一定的關系，比較復雜。要解決這個問題，需要從系統層面建立一體化的標準并持續改善。

9.1 產品設計方面

（1）通過模擬仿真，盡可能將胎胚重量計算精準。

（2） 花紋縱向溝槽連接位置做抑制膠邊成長的結構改進。

（3）根據花紋阻力分布，優化膠料配方。

9.2 模具設計加工方面

（1）活絡模側板與花紋塊分型直徑盡可能取下偏差。

（2）所有尺寸按標準加工驗收。

（3）模具材質及表面處理按標準執行。

9.3 模具使用方面

（1）模具組裝按標準執行。

（2）模擬硫化機壓力檢測，組裝精度達不到要求，重新調整直到合格。同時精準檢測計算預加載量。

（3）活絡模高溫潤滑。

（4）硫化機相關精度檢測、調整。

（5）合模力按標準精確調整。

（6）硫化過程中型腔各分型配合面膠垢的清理。

（7）硫化過程中型腔表面的干冰清洗。

（8）下模清洗、維護保養、精度檢測按標準執行，避免不合格模具流入組裝過程。

10 結束語

輪胎模具應用技術的突破、集成創新之成果，為實現模具標準化管理提供強力支撐。模具一體化應用技術體系的建立，對持續破解輪胎質量缺陷及換模效率較低的難題發揮了重要的作用。這也得益于產品結構設計及模具設計與制造技術的發展。而模具應用技術的跨越又促進輪胎企業產品標準化的建立與完善，并推動模具廠活絡模設計、加工技術的針對性創新。只有充分整合這三方面的技術優勢，中國輪胎名族品牌的品質，才有可能躋身國際先進行列。

Span of radial tire mold application technology

Span of radial tire mold application technology

Zou Tao

(Guangzhou Huanan Rubber & Tyre Co., Ltd., Guangzhou 511400, Guangdong, China)

Structure design, mold design, mold application of radial tire belong to three different categories, all closely interrelated, and each has property characteristics. This article gives interpretation on the mold application level. Based on the research and breakthroughs in traditional technology, process, equipment and material, the article create a set of enterprise standard and technical application system for their own characteristics on mold design, processing, testing, assembling, cleaning, maintenance and information management, which play an important role to solve the tire quality defects and low mold change eff ciency problem.

tire mold; application technology; information; span

TQ330.41

1009-797X(2015)21-0039-09

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.21.006

(R-03)

鄒濤（1963-），男，主任工程師，現主要從事輪胎模具工作，對輪胎模具應有技術有比較深入的研究，已發表多篇論文。

2014-08-12