斜平面輪胎模具中套滑板磨損分析及對輪胎膠邊的影響

胡海明，夏鵬健，毛渴新，王沙沙

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

斜平面輪胎模具中套滑板在模具閉模時起到鎖緊模具作用，中套滑板的磨損會導致模具預加載量減小或消失，直接導致花紋塊徑向尺寸向外增大，使花紋塊與上下側板周向間隙、各花紋塊立面間隙增大，輪胎產生膠邊。

本工作通過對特定滑板進行磨損分析，建立該滑板磨損模型，采用有限元技術模擬分析中套滑板磨損對輪胎膠邊的影響。

1 中套滑板

1.1 結構

中套滑板（由某專業廠家提供）結構形式如圖1所示，它是一種以鋼板（Q235）為基體的含固體潤滑劑的雙金屬自潤滑零件，表面摩擦層為燒結的優質青銅粉，其內均勻分布固體潤滑劑，硬度為50 HB，工作溫度一般為140～190 ℃。

1.2 磨損過程

中套滑板在模具工作過程中，背面磨損3次，正面（如圖1所示表面）磨損1次。其中正面磨損又分為兩個過程——閉模過程磨損和閉模瞬間磨損。中套滑板背面磨損對模具合模精度和輪胎膠邊的產生沒有影響，不予分析，只分析中套滑板正面磨損。摩擦副對磨件為弓形座零件，弓形座材料采用鑄鐵（QT450-10），與滑板的摩擦因數（μ）取0.15，弓形座相對于中套滑板的運動速率為9.1 mm s-1。

圖1 中套滑板

2 磨損分析

2.1 受力分析

2.1.1 模具閉模過程

模具閉模過程中，中套受硫化機上熱板帶動向下運動推動弓形座閉模。如圖2所示，以弓形座為對象進行受力分析，中套斜面角度為15°。

圖2 閉模過程中弓形座受力分析

F的計算公式為

式中，F既是中套滑板施加于弓形座的正壓力，也是弓形座給中套滑板的反作用力，為兩塊中套滑板所受的力，每塊中套滑板所受正壓力為F/2。

2.1.2 模具閉模瞬間

模具閉模瞬間，中套受硫化機的合模力作用。對雙模定型硫化機而言，其中一副模具所受的合模力為硫化機合模力的一半[1]。中套受力如圖3所示。

圖3 閉模瞬間中套受力分析

F1的計算公式為

式中，n為滑板數量。

目前輪胎企業常用的1 612.9 mm（63.5英寸）硫化機的合模力為4 220 kN。由上述分析可以看出，由于硫化機合模力的作用，F1遠大于F，因此模具閉模瞬間中套滑板的磨損為其主要磨損。

2.2 摩擦面積

在平穩磨損過程中，中套滑板與弓形座斜面的接觸面積隨著接觸時間變化而變化，經過時間t后，中套滑板與弓形座之間的接觸面積[M（t）]為

式中，L為弓形座與中套在閉模前的接觸長度，mm；S為滑板寬度，mm。

2.3 磨損有限元分析

參閱相關文獻[2-5]，結合本課題的磨損研究，得出此類輪胎模具滑板磨損模型[6]為：

式中，W為中套滑板磨損量，mm；K為磨損因數，取0.005；p為滑板接觸面壓應力，MPa；v為滑板滑動速率，mm s-1；H為滑板材料硬度，HB。

2.3.1 閉模過程磨損

目前輪胎企業常用的全鋼模具1188殼體硫化輪胎規格與模具中套滑板所受壓應力如表1所示。中套滑板所受的壓應力不同，磨損量也不同。

表1 模具中套滑板正壓力與壓應力

利用模擬軟件進行磨損模擬，模擬條件為：全鋼模具1188殼體結構，10.00R20輪胎模具。

根據磨損模型，經模擬分析得出，閉模過程中套滑板單次行程平均磨損量為8.94 10-8mm。由此可以推斷，1188殼體常用的其他規格輪胎模具中套滑板的磨損量也極小。

2.3.2 閉模瞬間磨損

模具閉模瞬間，硫化機合模力將模具上環高出上蓋的預加載量（預加載量各模具廠家設計不同，一般取0.5 mm）壓平，以保證模具受到足夠的鎖模力。

通過deform有限元模擬研究發現，磨損量與迭代運算步數相關，磨損總量與試驗數據相差很大。查閱相關文獻[7]并經本試驗驗證，采用磨損率進行磨損分析。

中套滑板閉模瞬間模擬云圖如圖4所示。由圖4可以看出，在閉模瞬間單程最大磨損率為1.28 10-3mm s-1，平均磨損速率為6.4 10-4

圖4 中套滑板閉模瞬間磨損模擬云圖

mm s-1。由于在硫化機工作過程中，預加載量隨著中套滑板的磨損而產生變化，取預加載量的平均值（0.25 mm）計算，則模具使用1188殼體的1 612.9 mm硫化機閉模瞬間（時間大約0.027 s）中套滑板單次行程平均磨損量為1.73 10-5mm。

3 中套滑析磨損量與輪胎膠邊的關系

中套滑析磨損量會引起模具預加載量（h）的變化，其關系如圖5所示。

圖5 W與h關系示意

W與h的關系式為

當模具設計的預加載量0.5 mm消失時，W為0.13 mm，即中套滑板的磨損量小于0.13 mm時，硫化機才能夠施加上鎖模力，輪胎不會出現膠邊。

當模具工作8 000次左右時，W達到0.14 mm，模具的預加載量消失，此時需調整模具預加載量，以防止輪胎膠邊的產生。

3.1 中套滑析磨損量與花紋塊側板間隙的關系

當弓形座（及花紋塊）產生徑向單邊增量（ΔD）時（見圖5），則W與ΔD的關系為

ΔD為0.02 mm時，輪胎胎側產生周向膠邊，此時所對應的W為0.019 5 mm。

3.2 中套滑析磨損量與花紋塊立面間隙的關系

設模具花紋塊個數為n1，閉合后花紋圈外徑周長增加量為2πΔD，花紋塊立面間隙則由0變為2πΔD/n1，W與花紋塊立面間隙（δ）之間的關系為：

當花紋塊（取數量為10塊）立面間隙δ達到0.02 mm時，輪胎就會產生立面膠邊，所對應的W為0.031 mm。

由以上分析可知，導致預加載量不足的中套滑板磨損量大于花紋塊立面和胎側周邊產生膠邊所需要的中套滑板磨損量，即在模具預加載量存在的前提下，模具加工精度符合設計要求，花紋塊立面和胎側周邊不會產生膠邊。

4 結論

（1）中套滑板的磨損主要發生在閉模瞬間，對于全鋼1188殼體結構，其單次行程平均磨損量為1.73 10-5mm。

（2）通過磨損模型及有限元模擬分析得到，對于全鋼1188殼體結構，當模具工作8 000次左右時，中套滑板的磨損量使模具預加載（0.5 mm）消失，應在此時間內及時更換中套滑板或調整模具預加載量，以防止輪胎膠邊的產生。