基于平板硫化機(jī)的摩托車胎活絡(luò)模具設(shè)計(jì)

武凱迪，胡海明

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

0 引 言

目前摩托車車胎多為斜交胎，通過模具硫化成型。隨著越來(lái)越多高端摩托車的出現(xiàn)，對(duì)摩托車車胎的性能要求也越來(lái)越高。而子午線輪胎具有行駛穩(wěn)定性好、噪音小、牽引力和剎車性能好等優(yōu)勢(shì)，配備子午線輪胎的摩托車胎操控性能好。以下設(shè)計(jì)的活絡(luò)模具可以避免開模時(shí)對(duì)輪胎簾線角度以及間距的破壞，保證輪胎的質(zhì)量性能。由于摩托車車胎具有斷面窄、硫化定型壓力小及所用的模具尺寸小等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的模具使用平板硫化機(jī)硫化成型。

1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 模具總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的摩托車車胎模具為順序開模，導(dǎo)向形式為圓錐面導(dǎo)向。模具結(jié)構(gòu)由楔緊塊、導(dǎo)向條、花紋塊、T形塊、上側(cè)板、上蓋、上蓋板、順序拉桿限位裝置、順序拉桿、底座、定距拉桿組成，其中上蓋與上側(cè)板由螺釘連接，楔緊塊為單塊結(jié)構(gòu)并嵌入到上蓋板中定位，楔緊塊數(shù)量與花紋塊相同，兩者通過導(dǎo)向條配合完成模具的開合模動(dòng)作。順序拉桿固定在底座上，順序拉桿限位裝置中的彈簧在順序拉桿的半圓槽中壓緊彈簧銷。定距拉桿穿過上蓋固定在上蓋板上，T形塊在上蓋的T形塊槽內(nèi)并通過螺釘連接安裝在花紋塊的上方。模具總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模具總體結(jié)構(gòu)

1.2 模具工作過程

硫化機(jī)的上加熱板與模具的上蓋板連接，下加熱板與模具的底座連接。開模時(shí)，硫化機(jī)下加熱板向下移動(dòng)，此時(shí)由于順序拉桿及順序拉桿限位裝置的作用，上蓋、上側(cè)板、花紋塊和底座均向下移動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到上蓋底面與定距拉桿的臺(tái)階面接觸位置時(shí)，由于定距拉桿固定在上蓋板上，定距拉桿對(duì)上蓋起限位作用。在上蓋、上側(cè)板、花紋塊和底座運(yùn)動(dòng)的過程中，花紋塊沿著導(dǎo)向條斜向移動(dòng)并產(chǎn)生徑向位移，使花紋塊脫離摩托車車胎，此時(shí)完成一次開模動(dòng)作。上述過程中，花紋塊的徑向位移、花紋塊在導(dǎo)向條上的斜向移動(dòng)距離及上蓋向下移動(dòng)的距離，三者之間呈三角函數(shù)關(guān)系。之后硫化機(jī)下熱板繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，順序拉桿強(qiáng)制順序拉桿限位裝置中的彈簧銷向外移動(dòng)并脫離順序拉桿，完成二次開模。

合模時(shí)，硫化機(jī)下加熱板帶動(dòng)底座向上移動(dòng)，當(dāng)?shù)鬃夏湍グ灞砻媾c花紋塊表面接觸時(shí)，推動(dòng)花紋塊向上移動(dòng)，此時(shí)在花紋塊與楔緊塊之間導(dǎo)向條的作用下，花紋塊、上蓋及上側(cè)板協(xié)同向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)花紋塊也向里收緊，當(dāng)上蓋的上表面接觸到上蓋板下表面時(shí)，順序拉桿限位裝置中的彈簧銷回到順序拉桿的半圓槽中，此時(shí)模具恢復(fù)到初始狀態(tài)。

1.3 模具徑向開模行程

模具徑向開模行程根據(jù)花紋塊的徑向開模行程確定，模具在開模時(shí)花紋塊首先徑向移動(dòng)，使花紋塊里的花紋筋完全抽出輪胎胎面并保持一定的距離，以保證輪胎脫模時(shí)花紋塊與輪胎不干涉。目前，輪胎模具徑向開模行程由經(jīng)驗(yàn)公式確定[1]，花紋塊徑向移動(dòng)行程如圖2所示。

圖2 花紋塊徑向移動(dòng)行程

模具徑向開模行程經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：r1——輪胎胎頂半徑，mm；r2——花紋塊與上側(cè)板接觸處半徑，mm；L——模具徑向開模行程，mm；D——花紋塊與上側(cè)板接觸處距離輪胎胎頂?shù)木嚯x；mm。

當(dāng)花紋塊里的花紋筋完全抽出輪胎胎面時(shí)，此距離為花紋塊恰好脫離摩托車胎的最小距離N。最小徑向開模行程如圖3所示。

圖3 模具最小徑向開模行程

經(jīng)計(jì)算可得模具最小徑向開模行程：

式中：n——花紋塊個(gè)數(shù)；N——模具最小徑向開模行程，mm。

設(shè)計(jì)的摩托車胎活絡(luò)模具花紋塊個(gè)數(shù)n=6，根據(jù)公式（2）計(jì)算，可得模具開模時(shí)的徑向移動(dòng)距離N=34.1 mm，設(shè)計(jì)時(shí)可取N=35 mm。

1.4 上蓋開模行程

在模具開模行程中，模具最小徑向開模行程、花紋塊在導(dǎo)向條上的斜向移動(dòng)距離、上蓋向下移動(dòng)的距離，三者之間呈三角函數(shù)關(guān)系，如圖4所示，其中，N為模具最小徑向開模行程，mm；M為上蓋開模行程，mm；Z為花紋塊在導(dǎo)向條上的斜向移動(dòng)距離，mm；θ為楔緊塊導(dǎo)向角度數(shù)，（°）。

圖4 三者關(guān)系

由公式（2）計(jì)算得到花紋塊最小徑向移動(dòng)距離N=35mm，楔緊塊導(dǎo)向角取15°，由正切函數(shù)可得上蓋開模行程M=127.3 mm，設(shè)計(jì)時(shí)可取M=128 mm。

2 楔緊塊設(shè)計(jì)

目前常用的子午線活絡(luò)模具按導(dǎo)向方式分為斜平面活絡(luò)模具和圓錐面活絡(luò)模具，此處采用圓錐面導(dǎo)向形式。楔緊塊內(nèi)錐面的角度一般為10°～30°，與其配合的花紋塊后背面的外錐面與楔緊塊內(nèi)錐面角度一致，能夠相互配合實(shí)現(xiàn)花紋塊的徑向移動(dòng)，完成模具的開模與合模。為使模具工作狀態(tài)保持成型輪胎的溫度要求，楔緊塊工作時(shí)需要通電，因此楔緊塊的背面應(yīng)設(shè)有電加熱通道。

在設(shè)計(jì)楔緊塊時(shí)，可將其設(shè)計(jì)成組合形式，如圖5所示，組合式的楔緊塊為單塊，一共分為6塊，每塊48°，其中外徑為φ1 054 mm，上端面厚為143 mm，下端面厚為95 mm，導(dǎo)向角為15°，通過螺釘與上蓋板連接。

圖5 楔緊塊模型

3 楔緊塊受力分析及計(jì)算

3.1 楔緊塊受力分析

輪胎硫化過程中楔緊塊主要承受硫化機(jī)經(jīng)上蓋板傳遞的合模力F合模力、楔緊塊內(nèi)表面所受的正壓力F1、楔緊塊與花紋塊接觸面的摩擦力Ff及上蓋對(duì)楔緊塊的約束力F2。楔緊塊受力模型如圖6所示。

圖6 楔緊塊受力模型

3.2 硫化機(jī)額定合模力計(jì)算

合模力是指在硫化時(shí)硫化機(jī)施加于模具上的最大夾緊力，在此力作用下，克服成型膠囊的壓力，使模具不被頂開，是一個(gè)重要參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)加工工況下，由于設(shè)備控制能力有限，在合模力加載的過程中不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，通常在模具工作開始就施加滿足成型的最大合模力[2]。合模力計(jì)算公式為[3]：

式中：Fn——硫化機(jī)合模力，kN；d——花紋塊內(nèi)表面最大直徑，mm；hd——花紋塊內(nèi)表面高度差，mm；p——膠囊內(nèi)部壓力，MPa。

由式（3）計(jì)算可得硫化機(jī)的合模力為342 kN，考慮硫化過程中要充分保證模具閉合，合模力Fn的取值應(yīng)大于理論計(jì)算數(shù)值，通常情況下，合模力Fn取1.05～1.15倍的理論計(jì)算數(shù)值，此處所取合模力Fn為1.15倍的理論計(jì)算數(shù)值，F(xiàn)n=393 kN，可取整為400 kN。

3.3 楔緊塊剛度計(jì)算

為保證模具的正常使用，模具中的每個(gè)部件都應(yīng)有足夠能力承受規(guī)定的載荷，模具在工作時(shí)，楔緊塊不允許出現(xiàn)超過極限限度的彈性變形，所以在設(shè)計(jì)時(shí)楔緊塊的剛度要滿足需求，楔緊塊剛度計(jì)算公式為[4]：

式中：c——楔緊塊受力中心點(diǎn)處的厚度，mm；p——楔緊塊內(nèi)表面正壓力，MPa；l——楔緊塊內(nèi)表面承受正壓力處高度，mm；E——彈性模量，MPa；B——楔緊塊寬度，mm；[δ]——楔緊塊彈性變形量，取0.02 mm。

由公式（4）計(jì)算可得，c≥85 mm，設(shè)計(jì)的楔緊塊中心點(diǎn)處的厚度為118 mm，滿足楔緊塊剛度計(jì)算公式。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了用于平板硫化機(jī)摩托車車胎的活絡(luò)模具，解決了當(dāng)前兩半模具在開模時(shí)對(duì)子午胎鋼絲簾線角度及間距破壞的問題，提高了車胎的使用性能，延長(zhǎng)了車胎的使用壽命，使配備子午線輪胎的摩托車使用性能更好。所設(shè)計(jì)的活絡(luò)模具與現(xiàn)有的平板硫化機(jī)開模順序相匹配，采用順序拉桿及順序拉桿限位裝置，使模具開合模動(dòng)作順暢、安全可靠，并且裝置彈簧更換方便。采用定距拉桿可以保證上蓋開合過程中的運(yùn)動(dòng)精度，避免花紋塊與楔緊塊之間產(chǎn)生卡死或運(yùn)動(dòng)不順暢的現(xiàn)象發(fā)生。