子午线轮胎模具应用技术的跨越

邹涛

(广州市华南橡胶轮胎有限公司，广东 广州 511400)

子午线轮胎模具应用技术的跨越

邹涛

(广州市华南橡胶轮胎有限公司，广东 广州 511400)

子午线轮胎结构设计、模具设计、模具应用技术分属于三个不同的范畴，既相互紧密联系，又各具属性特点。本文从模具应用层面演绎，通过对传统技术、工艺、设备、材料方面存在问题的研究与突破，开创出一整套适合企业自身特点的有关模具设计、加工、检验、装配、清洗、维修以及信息化管理的企业标准及技术应用体系，对破解轮胎质量缺陷及换模效率较低的难题发挥了重要的作用。

轮胎模具；应用技术；信息化；跨越

随着市场对子午线轮胎质量、功能性方面细分要求的日益提高，为应对国际贸易技术壁垒的阻碍，中国轮胎工业竞争激烈，并获得迅猛发展。各轮胎企业为追求花纹设计的独特性、完美性，以致产品结构日益个性化，一些花纹节距无规律、胎侧浮雕式的设计，绿色、环保、安全等功能性技术，引领着产品开发的潮流。从而使得轮胎模具的设计、加工技术日新月异，正朝着更大型、更精密、更复杂及更经济快速的方向发展，技术含量不断提高，制造周期不断缩短，模具生产逐步信息化、无图化、精细化、自动化。一些先进的轮胎模具企业已开始全面探索技术集成化、设备精良化、产品品牌化、管理信息化、经营国际化。此外，各种高速切削加工技术、快速制模技术、低污染的绿色制造技术、CAD/CAM/CAE技术、先进检测装备和技术等将在轮胎模具行业逐步普及，并对质量、交货期、新产品开发及模具应用技术的发展产生重要影响。

消化、吸收轮胎新产品开发以及模具制造在新技术、新工艺、新设备、新材料方面的优势，针对原有产品结构及质量方面的主要缺陷、在用模具使用和管理技术方面存在的突出问题，集成创新，制定一体化的模具应用技术体系，按标准整合，以信息化引领轮胎模具精益管理并向国际先进行列跨越，是本文重点研究的方向。

1 轮胎模具标准化问题的突破

国内轮胎企业产品结构设计从模仿起步，其模具设计、加工几乎都是依靠模具厂完成。前期因缺乏行业标准，各模具厂仅凭轮胎企业产品结构图（未完全兼顾模具使用方面要求）而设计，并按自定的标准加工（行业标准颁布之前尤甚），又都不提供自主知识产权的相关模具规格设计图纸，导致轮胎企业模壳与型腔适配特殊性多、互换性差、利用率低，一些设计、制造缺陷及功能性障碍得不到及时发现处理而流入生产过程且持续存在，对轮胎质量及换模效率造成严重影响，资源的闲置浪费也是空前的。

2008年11月28日，华南橡胶轮胎有限公司（后续简称华轮）在国家化工行业有关活络模具标准的基础上，结合企业产品定位与发展，自主编制《汽车子午线轮胎活络模具设计加工精度要求与质量检验报告》之企业标准，并向国内实力雄厚的模具厂发布。从此，拉开了轮胎模具标准化管理的序幕。新产品开发，模具设计加工按标准执行；原用模具按标准进行整合，整合不了的限期淘汰并报废。同时对贯标能力评审较差的模具企业逐步进行淘汰，通过模具战略合作框架协议的签订，模具供应的质量与效率基本上处于一种受控的稳定状态。

模具标准化管理是轮胎企业发展到一定阶段的必然要求。经过6年来的持续改进，华轮模具的标准化水平发生蜕变。主要优势体现在以下三个维度：

1.1 轮胎结构设计方面

（1）根据公司产品定位、市场变化及发展趋势，考虑模具制造与应用技术的现状与前景，前瞻性地对产品结构进行规划与调整。

（2）梳理产品结构设计图纸，规范模具加工技术组织，建立模具验收与产品验证的标准化体系，确保产品技术变更与模具改制的一致性，以规避产品质量风险。

（3）应用PLM优势，集成EMS、模具信息化管理等多个系统功能，促进产品结构设计水平向国际化方向迈进。

1.2 模具设计加工方面

（1）根据模具设计标准，结合产品结构设计方面要求，从模具应用角度，将40多种规格类型的模套优化成常用的18种，且均建立电子版图库。

（2）建立型腔模具设计标准模块，钢圈自主设计，侧板、花纹块委托模具厂按标准设计，模具厂设计完成，相关图纸发回华轮审核确认，方可安排加工。

（3）模具改制项目委托模具厂设计的，相关图纸一律发回华轮审核确认并分类归档，按体系要求确保产品开发及相对应的模具技术资料的完整性。

（4）随着产品结构设计的高效化，多个系统集成的优势必将整合模具设计路径，将向着国际自主化的门槛跨越。

1.3 模具应用方面

（1）开发模具信息管理系统，通过标准流程来规范模具管理，促使模具与产品研发、销售计划、生产换模、产品质量、产品追溯、采购外修等多个环节实现紧密联系，信息快捷共享，并以此来引领轮胎模具的精益生产。

（2）引进标准套、模拟硫化机、三坐标等高精度检测设备，建立了一体化的模具验收体系。

（3）模具装配工艺通过应用技术的突破而持续优化，同时又推动产品设计与模具设计的持续改进。

（4）引进加工中心、刻字机等数控设备，促进模具维修、改制水平日益升级并实现快捷化，以应对产品市场变化与规格计划性排产调整的需要。

（5）硫化机合模力的标准化调整技术，对预防机台模具变形、磨损等缺陷，解决产品错位、胶边等质量问题效果显著。

（6）模具清洗、模具润滑维护的效果将直接影响模具使用寿命与轮胎外观质量。

a. 通过对降低模具型腔表面摩擦系数的研究与试验，基本锁定纳米渗层技术方向。传统的模具清洗工艺将逐步改进或者淘汰，激光技术、超声波技术正在引领模具清洗的潮流一定会获得快速发展。

b. 模具高温润滑技术的应用，对稳定模具使用精度发挥重要作用，并能有效解决轮胎相关部位发生胶边的问题。

c. 模具型腔常温润滑与机台模具预热前的润滑技术，对保护模具表面与稳定产品外观质量作用显著。随着模具润滑技术的持续改进，从资源节约方面考虑，新型的无油润滑技术将获得广泛应用。

d. 模具存放技术持续改进，正向立体储存方向突破。通过信息化管理导入、除湿系统的控制、型腔表面纳米渗层技术与无油润滑技术的普遍应用，模具保养水平将迈入国际先进行列。

2 模具信息管理系统的开发

模具信息管理系统是一套多部门协同参与的多功能操作平台（如图1），它建立了集产品技术参数、模具台账、模具库位台账、硫化机台账、模具备件台账等数据台账，并具有机台状态监控、模具出入库管理、计划换模管理、调拨管理、清洗维修管理、采购验收管理、换模首检、产品质量反馈、数据统计查询等功能，通过和EAS 系统、胎号系统、OA系统进行接口，对所有模具业务实行全方位的管理，以实现数据即时采集、发布、共享，业务集中办理和监控，资源优化配置，通过系统平台规范各部门的业务流程和管理方式。

3 花纹块断面符合率分析

模具断面的符合率对轮胎的动平衡与均匀性指标有一定的影响。为此可利用三坐标激光扫描，对花纹块断面符合率情况开展分析，结合产品动平衡与均匀性检测情况对模具精度等级进行判定。用以指导模具战略采购方向。

3.1 花纹块三坐标检测

由图2检测结果分析：花块上分型面直径超差0.049 mm，下分型面直径合格，胎顶直径合格，胎顶圆跳动合格。

3.2 花纹块三坐标扫描

图1 模具信息系统架构图

图2 三坐标检测

花纹块三坐标扫描如图3、图4所示。

3.3 数模对比

具体参数详见表1、表2、图5、图6。

图3 三坐标激光扫描

图4 花纹块扫描点云

表1 对比原数据

3.4 扫描结果

扫描结果见表3。

表2 百分比偏差

图5 断面符合率色块示意

图6 正态分布

表3 数模符合率

3.5 轮胎的动平衡检测

动平衡检测结果见图7。

3.6 轮胎的均匀性检测

轮胎均匀性检测结果见图8。

3.7 对比结论

该套模具三坐标检测胎顶圆跳动合格，断面符合率77.16%，动平衡与均匀性检验均为优级，模具质量较好。但花块上与侧板分型配合面直径超差0.049 mm，须退回模具厂进行处理。

3.8 意见反馈

（1）模具厂应严格控制花纹块胎顶与胎肩圆跳动精度。

图7 半钢子午线轮胎动平衡检测报告

图8 半钢子午线轮胎均匀性检测报告

（2）加强加工过程检查与调整，强化模具终检验收，对模具花纹块等的关键尺寸，优先采用三坐标仪检测。

（3）增加设备精度检测频次，加大设备大修及维护保养工作，确保模具各加工尺寸能够满足精度要求。

4 模具装配质量的精确检验

4.1 活络模组装过程主要配合尺寸的检测

（1）侧板与花纹块配合分型线的错位量检测。

a. 先前沿用模具厂推荐的橡胶泥拓印比较的方法（如图9）。因胶泥回弹、模具空载并受视差及个人经验判断的影响，其结果不太准确，装上机台后需拆模重新调整的几率较大。

图9 橡胶泥拓印

b. 后来设计制作检测样板（如图10），并用塞尺辅助检测，其结果较橡胶泥拓印的准确性高，但不同的型腔规格所对应的样板不同，使用与保管繁琐，所以操作没有橡胶泥拓印简便。

图10 样板检测

（2）花纹块立面间隙的检测。

a.根据总间隙大小，计算均分值再用薄纸片垫放在花纹块的接缝面调整，但操作比较繁琐。

b.根据总间隙大小，计算均分值用塞尺检测花块立面间隙并反复墩模调整。

（3）预加载的检测。

模具组装完后，空载条件下计算预加载值，上机台后采用压铅的办法，检测预加载量，再确定调整垫片的厚度，操作复杂，一次合格的几率因人而已，不是太高。

4.2 活络模组装质量的模拟检验

（1）模具组装后用简易加压平台检验,如图11。

a. 测量人员从专用平台下面进入模具内，用塞尺测量花纹块与花纹块之间的间隙值，花纹块与侧板之间的间隙，用样板与塞尺检验侧板与花纹块配合分型线的错位量。

图11 简易加压平台

b. 在平台模具上边用深度尺测量预加载量。但因其压紧装置难以保证作用于中套上各点的合模力一致，所以其检测结果与实际情况还是存在一定误差。且操作繁琐，也就没有获得持续的应用。

（2）用四柱专用压力机（如图12），模拟硫化机合模状况， 对活络模组装质量进行验收。

图12 专用压力机

a.测量人员从压力机地下面孔洞进入模具内，用塞尺测量花纹块与花纹块之间的间隙值，花纹块与侧板之间的间隙，用样板与塞尺检验侧板与花纹块配合分型线的错位量。

b.上盖板中心油缸加压，消除弓形座与耐磨板之间的间隙。中套模拟硫化机加压，各对称点受力均匀，可一次性计算出预加载值。

c.不同材质、规格的型腔，模拟压力不同，预加载值根据实际经验设定也不同。

d.模拟硫化状况压力机应用于模具组装质量的验收，能够有效控制组装不合格模具流入生产过程，综合效益显著，必将获得行业青睐而普遍应用。

5 模具认证标识等活字块结构的改进

产品认证标识前期直接刻在侧板上，因其数量较多且受欧盟技术壁垒的影响而升级并频繁变化，后来一般做成背面固定的活字块形式，也有从正面做成薄片开槽过盈固定或螺钉固定的形式。特别是年周号标识每周都要在机台更换，从正面做成薄片开槽过盈固定的方式，操作过程很难规范，导致产品标识问题太多；另外受市场影响，一部分规格出口欧洲不能有M+S标识，而出口美国不能有E标，这两个标识大都做成背面固定的活字块形式，不能在机台切换，必须下模更换，影响硫化效率。

5.1 模具侧板年周号结构改进

（1）原两头半圆平形槽口结构（如图13），用薄铝片倒角过盈固定，随着更换次数的增多就会导致产品标识部位出现乱象（如图14），严重影响产品销售。

（2）侧板上槽口断面改成“燕尾”形，采用弧拱形薄铝片结构，其表面刻字后，再装入侧板槽口敲平展开，其边界断面变成燕尾型而撑住侧板槽口（如图15），热态之后因两种材质的膨胀系数不同，会结合的更加紧密。以达到表面无刮痕字体美观且周边无毛刺的效果。

5.2 模具侧板M+S 标识结构改进

为解决欧盟与美国标准不能兼容，M+S活块与空白活块在机台切换的问题，将M+S活块改制成年周号弧拱形薄铝片结构安装形式（如图16），在机台可以正面拆装，能够显著节省切换时间，减少停机率。

图13 两头半圆平形槽口结构

图14 产品标识部位出现乱象

图15 燕尾型

图16 弧拱形薄铝片结构

5.3 产品标识改进效果及方向

轮胎年周号、M+S标识效果见图17、图18。模具侧板年周号槽口、M+S活块结构改进并配装弧拱形结构薄铝片的方式，标志着华轮产品标识水平迈入国际先进行列。该项技术应用于模具认证标识并全面推广，对出口型企业提高产品外观品质，具有非常重要的意义。同时能够减少模具侧板活字块的加工投入，机台拆装切换简单方便规范，综合效益显著。

6 降低模具型腔表面摩擦系数的途径

降低模具型腔表面摩擦系数的主要目的，就是要改善金属表面磨损性能，降低脱模阻力，以提高其抗橡胶及杂质黏附的性能。

图17 年周号标识效果图

图18 M+S标识效果图

6.1 橡胶模具表面快速改性技术

国产材料总体质量比较差，为提高模具的使用寿命和机械性能，可以通过以下途径获得良好的金属表面性能：

（1）金属表面形变强化；

（2）表面热处理；

（3）表面化学热处理；

（4）离子表面处理；

（5）激光表面处理等。

以上途径一定程度上能够改善金属表面磨损性能，然而硫化过程中橡胶及杂质的分子还是比较容易黏附在型腔表面，从而影响产品外观色相与质感的持续性。

6.2 橡胶模具易脱模的表面技术

（1）镀铬（亚光）——主要用于全钢模具。据统计日本有35%左右的企业使用这种技术，国内使用的企业不多。主要考虑到电镀质量与成本、侧板频繁改制镀层易损坏、节省干冰清洗频次不明显等情况，没有获得大规模的应用。

（2）喷特氟龙（亚光）——主要用于全钢模具。据统计日本有19%左右的企业使用这种技术，国内也有部分企业使用。主要因为特氟龙具有脱模阻力小、不黏胶、不需干冰清洗、不需润滑并能够显著提升轮胎外观品质等优点，而获得比较大的应用。但其涂层损坏之后，不能在机台处理，再一个一次喷涂的寿命有限，需重新再喷，所以也制约了它的发展。

（3）表面纳米渗层（亚光）——可用于全钢、半钢模具。该项技术是将零维纳米金属材料在特定工艺条件下渗入到模具的表层缝隙中，把这些缝隙填充满并形成0.03~0.05 mm厚的致密层（如图19）。这样就切断了胎坯中混炼胶较大直径分子在模具表层着床的通道。模具表面耐磨损和耐腐蚀性能显著提升，摩擦系数下降，硫化时胶料流动阻力小，不易黏附在模具表面，脱模阻力相应下降，能够基本解决产品外观色相与质感随硫化时间而持续劣化的难题。模具硫化在线反复清洗的周期相应延长，致使机台规格模具的出力率显著提高。该技术被青岛元通模具厂率先突破，已用于新模具制造及旧模具翻新两个方面。因其表面突出的保护性能，模具的使用寿命大幅度延长，对企业提质降耗产生重要作用，综合效益不可估量。随着市场对轮胎外观品质要求的日益提高，纳米渗层技术必将被轮胎行业用于模具型腔表面保护而逐步普及。

图19 显微镜下剖面组织结构示意图

7 模具清洗方式的选用

7.1 模具传统清洗方式

轮胎硫化过程中的胶垢，黏附在模具表面，随着时间的延长，越来越厚，甚至将排气孔堵塞，以致影响产品外观品质，所以一定周期之后，必须下模进行清洗。传统的清洗方式有如下几种：

（1）不锈钢丸喷洗——适宜于线下钢质模具型腔表面自动清洗。

（2）玻璃珠+聚酯喷洗——适宜于线下铝质模具型腔表面自动清洗。

（3）干冰清洗——适宜于模具在线型腔表面清洗。

7.2 模具新清洗方式

（1）激光清洗——适宜于模具在线型腔表面清洗，也可用于线下模具组装前的清洗。该方式尽管有很多优势，然而因进口价格高企，并未能获得广泛应用。

（2）超声波清洗——用于线下模具组装前的清洗。因其良好的性价比，从保护模具精度，稳定产品外观品质的角度考虑，该项技术将在轮胎行业模具清洗方面逐步推广应用。

7.3 各种清洗方式的优缺点比较

各种清洗方式的优缺点见表4。

8 模具润滑技术的发展

轮胎模具锈蚀的主要原因应该是润滑保养不当造成。不同的材质，模具所处的环境及使用状况不同，采取的润滑方式及油品很不一样。建立科学的模具润滑标准，对稳定模具使用精度，提高产品外观品质，延长模具使用寿命，具有非常重要的作用。

表4 各种清洗方式对比表

8.1 模套的高温润滑技术

（1）减模板的高温润滑。

a. 活络模的使用精度全靠减模板来支撑，而减模板的自润滑作用在高温状况下不能有效维持模具使用精度，因磨损而逐步下降。

b. 选用杜邦氟素滑滑脂或加力索高温润滑脂，能够有效改善减模板与各滑动部位润滑状况，保持活络模较长时期的运行精度。起到减少轮胎外观缺陷的作用。

（2）模套与型腔或机台连接螺栓的高温润滑。

a.模套与型腔或机台连接螺栓常常出现高温咬死的现象。

b. 采用高温丝扣润滑脂，可有效地防止高温烧结和各类腐蚀性介质渗入，确保拆卸方便。

8.2 型腔模的润滑技术

（1）型腔模各部件常温下的润滑。

a.侧板、钢圈表面，下钢圈与侧板配合面，钢花纹块表面，在模具出厂或运输途中，要求喷涂绿色薄膜保护。

b.型腔模清洗后，一般都涂防锈油PR-120保养存储。

（2）型腔模机台合模预热中的润滑。

a.组装过程中，检查侧板、钢花纹块并用PA-1000清洗剂清洗干净型腔表面原有PR-120或S-103W油品与杂质，用气管吹净排气孔内防锈油。

b.将S-350W防锈剂均匀喷涂到型腔表面。

c.模具装上机台合模预热4 h，喷涂在型腔表面的S-350W防锈剂挥发，起到既保护型腔表面不锈蚀，又不污染产品的作用。

（3）型腔机台冷模（较长时间停止硫化）后的润滑。

a.机台冷模，开模状况下模具型腔各部件温度低于60°，才可开始喷涂。

b.将绿色薄膜均匀喷涂到模具型腔各部件表面。

c.严禁60°以上喷涂，避免防锈剂挥发而达不到长时期防锈效果。

8.3 型腔模润滑新技术

随着模具纳米渗层技术及超声波清洗技术的发展，模具型腔表面的润滑将越来越简单、经济、有效。

（1）模具清洗完后，把模具放入装有钝化封闭剂的槽中，使其表面钝化，封闭剂在其表面形成一层水溶性薄膜，使其在下一次上硫化机使用之前处于与空气隔绝的状态，南方的轮胎厂可增配除湿装置，能够有效避免模具存储过程中的表面氧化。

（2）组装过程中，型腔表面水溶性薄膜不需清洗，在机台合模预热过程中变为水蒸气而挥发。

9 轮胎胶边封槽问题的解决方向

轮胎胶边封槽是指胎面花纹纵向沟槽在与模具花纹块主筋对接处位置产生的不同程度封住沟槽的胶边（见图20）。该缺陷的存在，对轮胎行驶的噪声、湿滑性等有一定影响，各汽车主机厂配套都有严格要求。

图20 轮胎沟槽胶边

胎面胶边封槽出现的位置、数量、厚薄、深浅均具有不确定性，与产品结构设计、胶料配方，模具设计、加工精度、材质及表面性能，模具装配、使用、润滑、保养，硫化机精度等有一定的关系，比较复杂。要解决这个问题，需要从系统层面建立一体化的标准并持续改善。

9.1 产品设计方面

（1）通过模拟仿真，尽可能将胎胚重量计算精准。

（2） 花纹纵向沟槽连接位置做抑制胶边成长的结构改进。

（3）根据花纹阻力分布，优化胶料配方。

9.2 模具设计加工方面

（1）活络模侧板与花纹块分型直径尽可能取下偏差。

（2）所有尺寸按标准加工验收。

（3）模具材质及表面处理按标准执行。

9.3 模具使用方面

（1）模具组装按标准执行。

（2）模拟硫化机压力检测，组装精度达不到要求，重新调整直到合格。同时精准检测计算预加载量。

（3）活络模高温润滑。

（4）硫化机相关精度检测、调整。

（5）合模力按标准精确调整。

（6）硫化过程中型腔各分型配合面胶垢的清理。

（7）硫化过程中型腔表面的干冰清洗。

（8）下模清洗、维护保养、精度检测按标准执行，避免不合格模具流入组装过程。

10 结束语

轮胎模具应用技术的突破、集成创新之成果，为实现模具标准化管理提供强力支撑。模具一体化应用技术体系的建立，对持续破解轮胎质量缺陷及换模效率较低的难题发挥了重要的作用。这也得益于产品结构设计及模具设计与制造技术的发展。而模具应用技术的跨越又促进轮胎企业产品标准化的建立与完善，并推动模具厂活络模设计、加工技术的针对性创新。只有充分整合这三方面的技术优势，中国轮胎名族品牌的品质，才有可能跻身国际先进行列。

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)

邹涛（1963-），男，主任工程师，现主要从事轮胎模具工作，对轮胎模具应有技术有比较深入的研究，已发表多篇论文。

2014-08-12