硕士论文-子午线轮胎活络模具的工艺与花纹块的数控加工过程研究.doc

单位代码：10433学 号：YFZ06001064分类号：密 级：山东理工大学硕士学位论文子午线轮胎活络模具的工艺与花纹块的数控加工过程研究Segmented Radial Tire Mold Technological Process and Pattern Block NC Processing Technology研究生： 指导教师： 协助指导教师： 申请学位门类级别： 工 学 硕 士 学科专业名称： 机械电子工程 研究方向： 数控技术 论文完成日期： 2010年4月1日 独 创 性 声 明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名： 时间：2010 年4月1日关于论文使用授权的说明本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名： 时间：2010年4 月1日导师签名： 时间： 年 月 日山东理工大学硕士学位论文 摘要摘 要模具是制造业的重要工艺基础。随着汽车工业的快速发展，轮胎企业对模具的质量、精度、寿命、价格等各方面的要求越来越高，模具企业之间的竞争也在加剧。目前国内子午线轮胎活络模具的生产能力严重不足、且技术跟不上，与国外仍有很大差距；轮胎模具表面上的花纹精度和质量直接影响轮胎的质量和性能，因此在轮胎模具加工中，研究如何改善轮胎花纹的加工方法、提高加工精度和效率乃当务之急1。本论文通过分析轮胎及轮胎花纹，子午线轮胎的特点、轮胎模具现状及发展趋势，认识到轮胎企业对模具的要求越来越高，目前国内轮胎模具的生产能力、特别是子午线轮胎活络模具的生产能力还存在很大缺陷。为了提高轮胎的生产质量，本文重点论述了新型的子午线轮胎活络模具的工艺，采用多种工艺处理和先进的设备进行加工，能够更大限度的降低轮胎模具在使用过程中出现问题的机率；提出了子午线轮胎活络模具的两种加工方案，即胎冠腔加工和数控加工两种方案，对每种方案进行了分析，根据分析每种方案的特点以及现有的装备选择了最佳方案，确定了采用数控加工的方法；通过具体实例详细介绍了数控加工花纹块的全过程。此方案不同于胎冠腔加工，虽然胎冠腔加工设备投资较低 ；工人操作入门较易；易于维护；综合费用较低，但是由于胎冠腔为电腐蚀加工，所以速度慢、周期长；且有一定的环境污染；而本文介绍的数控加工花纹块的方法操作简单、精度高、周期短、效率高、生产的轮胎质量好、且对环境污染小，因此将会得到越来越广泛的应用。关键词：子午线轮胎、活络模具、工艺分析、花纹块的数控加工II山东理工大学硕士学位论文 AbstractAbstractMold is the important technological basis of the manufacturing industry. With the rapid development of auto industry, the tire business has been increasing the demands for tire mold precision, quality, life and delivery time, and the competition among the mold enterprises is also growing. Currently in our country the productive capacity of segmented radial tire mold is suffering bad insufficiency and the technology can not adapt to the new demands, and there is still a great technological gap between China and foreign countries. The precision and quality of patterns on the surface of tire mold exert a direct impact on the quality and performance of the tire. Therefore, the top priority task of processing tire mold is improving the processing method and increasing the processing precision and efficiency.This paper analyzes the tire and tire tread, tire characteristics and the status quo and development trend of tire molds, tire companies recognize the requirements of the mold growing, the current domestic production capacity of the tire mold, especially in the production of radial tire mold which also has a great capacity deficiencies. In order to improve the quality of tire production, the paper focuses on the new Meridian Tire Mold process, using a variety of process management and advanced equipment for processing, to a greater extent lower tire mold problems in the course of the probability. In the paper there are two processing options of radial tire mold: the fetal crown cavity processing and CNC processing, both of which are analyzed deeply. Based on an analysis of the characteristics of each option and the best equipment available, the better option is chosen to apply CNC processing tread pattern block approach. The paper describes the entire CNC machining process of tread pattern block detailedly by specific examples.The option of CNC processing is different from the fetal crown cavity processing, although the latter needs lower investment in processing equipment and are easier for workers to operate and maintain the equipment at a lower overall cost. However, the fetal crown cavity processing applies the electrical corrosion processing, so it has a fairly low speed, a long cycle time and relative much environmental pollution. By comparison CNC tread pattern processing in this paper has more advantages such as simple operation, high precision, short cycle time, high efficiency, good quality tires, and less environmental pollution, so this processing will be used more widely.Key words: Radial Tire, Segmented Mold, Technology Analysis, CNC Processing of Tread Pattern Block.山东理工大学硕士学位论文 目 录目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪 论11.1 课题的来源11.2 课题研究的迫切性21.3 课题主要研究的意义及内容2第二章 概 述42.1 轮胎概述42.1.1 轮胎的分类52.1.2 轮胎的型号标记52.1.3 轮胎花纹概述62.2 子午线轮胎概述72.2.1 子午线轮胎的组成82.2.2 子午线轮胎的特点92.3 轮胎模具的发展概述102.3.1 轮胎模具的现状102.3.2 橡胶轮胎模具的类型112.3.3 子午线轮胎活络模具12第三章 子午线轮胎活络模具的主要工艺分析163.1 子午线轮胎活络模具的加工工艺163.2 型腔各部分的工艺流程图及工艺163.3 向心机构各部分的工艺流程图及工艺193.4 活络模具各部分在使用过程中的常见问题及解决方法273.5 本章小结28第四章 子午线轮胎活络模具花纹块的数控加工过程294.1 子午线轮胎活络模具的加工方案294.1.1 加工方案的可行性分析294.1.2 加工方案的选择314.2 花纹块的加工方法314.3 五轴联动数控机床加工花纹块334.3.1 活络模具的数控加工流程及花纹块的模具设计334.3.2 轮胎模具花纹块的数控加工方案344.3.3 数控加工花纹块的过程354.4 本章小结42第5章 结论与展望435.1 结论435.2 展望44参考文献45附 录48致 谢52在学期间取得的成果5342山东理工大学硕士学位论文 第一章 绪 论第一章 绪 论车轮与轮胎是汽车行驶系中的重要部件，它不但要支撑整个车身的重量，传递驱动力矩、侧向力和制动力矩；而且要承受由于跟路面接触而产生的冲击力，还要能够减轻汽车行驶时所产生的震动，以保证汽车在行驶过程中有良好的行驶平稳性和乘坐舒适性。另外，轮胎必须要有足够的弹性和良好的承载能力，还要有良好的附着能力2。因此，轮胎表面必须要有提高附着能力并且能够防滑的花纹。在轮胎模具行业中，各部分的加工工艺以及轮胎模具花纹块的加工方法直接决定了轮胎质量的好坏3，花纹的加工技术现在也已经成为轮胎模具行业比较重视的研究对象。轮胎的生产流程包括以下几道工序：配料、蜜炼、压延、裁断、成型、硫化和检测。在这些过程中，硫化是一道重要的工序，在此工序中，轮胎模具是重要的工艺装备4，它的优劣直接影响轮胎的外在质量、使用寿命及安全性。轮胎有斜交线轮胎和子午线轮胎，分别相对应的轮胎模具为轮胎两瓣模具和子午线轮胎活络模具。由于斜交线轮胎比较原始，存在耗油量大、寿命比较短等缺点，而子午线轮胎有经济耐用、安全节能等优点，因此子午线轮胎必将代替斜交线轮胎，而子午线轮胎活络模具也必将代替两瓣模具，提高子午线轮胎活络模具的工艺技术也势在必行。就国内的轮胎模具企业来看，子午胎模具企业所占的比重还是很小，现在已有很多企业向此方向发展，新的技术、产品不断涌现，橡胶轮胎模具在子午线轮胎活络模具中得到了广泛的应用，估计在不久的将来，中国将在此领域取得较大发展。本论文就是研究子午线轮胎活络模具的工艺过程和花纹块的数控加工方法，从而提高轮胎模具的质量5。1.1 课题的来源本课题来源于金泰模具橡胶有限公司，山东金泰集团有限公司是以机械加工和橡胶产品制造为主导产业的国家级高新技术企业。公司下辖：东营金泰轮胎胶囊有限公司、山东金利轮胎装备有限公司、山东金泰集团石油装备有限公司、山东金泰集团国际贸易有限公司、东营金泰有色金属有限公司等子公司，拥有山东轮胎硫化装备研发中心和山东省轮胎硫化装备工程技术中心2所，山东金泰集团院士工作站1所，另外公司还与山东理工大学联合成立了金泰橡胶模具研究所6。公司拥有台湾引进的8000T注射式胶囊硫化机、五轴五联动加工中心机、数控车床、数控电火花成型机床等大中型专业设备400余台，采用现代化的CAD/CAM/CAE加工技术。拥有子午胎模具、轮胎胶囊、智能控制双模轮胎定型硫化机的自主研发能力、自主知识产权和核心技术，成为山东省最大的成套轮胎硫化装备研发、生产、销售及出口企业。具备年产轮胎模具600套，轮胎胶囊20万条，轮胎定型硫化机80台的生产能力。拥有子午胎模具、轮胎胶囊、智能控制双模轮胎定型硫化机的自主研发能力、自主知识产权和核心技术，为山东省最大的成套轮胎硫化装备研发、生产、销售及出口企业，这些设备和技术为研究该课题提供了重要依据。1.2 课题研究的迫切性轮胎模具的质量和精度的高低，取决于轮胎模具生产设备的技术水平。先进的轮胎模具生产企业将重点放到模具工艺和生产设备的改良上，越来越多的先进的轮胎模具生产设备被广泛应用。中国的橡胶轮胎模具生产企业虽然发展很快，但是快速发展的汽车工业对轮胎模具的精度、质量、寿命、价格、性能等要求越来越高，促使模具企业之间的竞争也在不断加剧。目前国内轮胎模具的生产能力，特别是子午线轮胎活络模具的技术水平和生产能力远远不能满足消费者的需求。面对良好的市场前景和存在的主要问题，橡胶轮胎模具企业必须在创新和技术上狠下功夫，才能适应社会的需求。橡胶轮胎模具结构从原始的两瓣模发展到现在的子午线轮胎活络模；模具材料从铸铁到铸钢、铸铝和合金铸钢；模具制造工艺从简单的手工加工到机械化加工，继而又发展到现在的五轴联动数控加工，技术在不断进步，轮胎模具质量在不断提高，但与先进国家的差距还是很大。要想缩短这个差距，要从以下几方面努力：首先，要改善企业结构，往“小、专、精”的方向发展；其次，要加大资金投入，引进新工艺、新技术和国外先进的工艺装备；再次，要改善管理水平、提高创新能力；最后，要引进尖端科技人才7。特别是新工艺、新技术的改良，对提高轮胎模具的加工精度、质量、使用性能和寿命等方面起着非常关键的作用8。模具的性能以及工作的可靠性直接影响着轮胎产品的质量。硫化子午线轮胎的主要设备之一是活络模具，活络模具的型腔质量直接影响着子午线轮胎的外观质量、使用性能和使用寿命。因此研究如何提高轮胎模具的加工精度，特别是提高轮胎胎面花纹的制造精度，是轮胎生产的关键环节，也是提高轮胎质量的重要依据。为保证加工质量，提高加工效率，三轴联动机床已经不能满足要求，电火花线切割机床加工模具型腔的方法也已经不能适应某些要求，五轴联动机床越来越被得到广泛应用9。1.3 课题主要研究的意义及内容1、研究的意义本课题将综合利用模具技术、数控加工工艺及数控加工技术等来研究子午线轮胎活络模具各部分的生产工艺及数控加工过程。轮胎模具在使用过程中可能会出现很多问题，因此，采用先进的工艺会减少这些问题的产生。由于以往的胎冠腔加工为电腐蚀加工，所以速度慢、周期长；加工时依赖绝缘油液，加之绝缘油液在放电过程中被不同程序的电离击穿，有一定环境污染。因此，研究一种先进的加工方法，保证在满足加工精度要求的情况下采用更为先进的设备和技术来提高轮胎模具的加工效率和质量，是非常有现实意义的。2、研究的内容子午线轮胎活络模轮胎模具加工工艺流程及分析。活络模具各部分结构在使用过程中易出现的问题及解决方法分析。子午线轮胎活络模轮胎模具的数控加工工艺流程分析。根据给定的二维设计图样，生成轮胎模具的三维造型。轮胎模具花纹块的数控加工过程研究。轮胎模具花纹块数控程序的生成、刀轨的生成、刀轨的验证、加工路径的生成及后处理程序的生成。山东理工大学硕士学位论文 第二章 概 述第二章 概 述我国庞大的汽车需求量促进了轮胎行业的快速增长，2007年1-8月中国轮胎产量为3.3836亿条，同比增长23%，子午线轮胎产量为1.53亿条，同比增长36.7%。子午线轮胎达到轮胎总量的45%。预计2010年我国汽车约为6200万辆，其中轿车3100万辆，全国轮胎总需求量在3 亿3.2 亿条, 子午化率达70%, 其中轿车达100%。这表明我国轮胎消费者的观念正在向追求高质量和高效率方向转变。子午线轮胎具有牵引力大、安全性能高、耐磨性强、舒适性好、耗油少等优点，很受用户欢迎，逐渐代替了原始的斜交线结构轮胎。过去斜交线轮胎模具表面花纹简单粗糙，附着性能和防滑性能都不够好，而现在轮胎模具表面上的花纹种类繁多，花样齐全，轮胎模具上的花纹精度和质量直接影响轮胎的质量和性能，因此在轮胎模具加工中，轮胎表面花纹的加工是极其关键的环节10-12。2.1 轮胎概述轮胎主要由外胎、内胎、垫带3部分组成，另外还有轮辐、轮辋和挡圈。如图2.1。也有的轮胎没有内胎，其胎体内层为橡胶层，具有良好的气密性，且配有专用的轮辋。外胎由胎面、胎侧、帘布层、缓冲层（或带束层）及胎圈组成13，。如图2.2。胎面用于承受各种作用力。胎侧的作用是保护胎体，它是轮胎侧部帘布层外层的胶层。帘布层是轮胎的受力骨架层，它是胎体中由并列挂胶帘子线组成的布层，用以保证轮胎具有足够的强度及尺寸稳定性。缓冲层（或带束层）用于缓冲外部冲击力，保护整个胎体，增进帘布层与胎面之间的粘合，它是斜交轮胎胎面与胎体之间的胶布层。胎圈由胎圈芯和胎圈包布组成，它是轮胎安装在轮辋上的部分，起固定轮胎的作用。图2.1 有内胎的轮胎结构 图2.2 外胎组成2.1.1 轮胎的分类轮胎按照结构划分为斜交线轮胎和子午线轮胎。子午线胎与斜交线胎的根本区别在于胎体的材料不同。斜交线轮胎的胎体是斜线交叉的帘布层，而子午线胎的胎体是聚合物多层交叉材质，顶层有数层钢带帘布，对减轻轮胎被异物刺破的几率起着重要的作用。斜交线轮胎有很多局限性，如胎体易生热、胎纹易磨损、舒适性和安全性低、耐磨性差、使用寿命短、能源利用率低等。而子午线轮胎中的钢丝带则具有较好的柔韧性，能承受较大的冲击力，且经久耐用。子午线轮胎还有耗油率低、抓地性好等优点。同时它的帘布结构降低了汽车行驶中道路和轮胎之间的摩擦，从而具有较长的使用寿命和较好的燃油经济性。子午线轮胎还有较好的附着性。由于种种优势，如今绝大多数汽车都选用子午线轮胎14。2.1.2 轮胎的型号标记 图 2.3 轮胎的型号标记车胎型号的表示方法：在ISO国际标准中，轿车轮胎编号依次表示为断面宽度、扁平率、轮胎结构标记号、轮辋直径、载荷指数和速度级别。如图2.3。例:P195/65 R 15 89H15-16 【P】是指轿车轮胎。(另外还有卡车或其他车型适用的轮胎符号) 【195】指的是轮胎断面的宽度为195mm，是指两个胎侧之间的宽度。宽轮辋配宽轮胎，窄轮辋配窄轮胎。胎宽一般标示在胎侧上。【65】是指轮胎的扁平比的百分数，是指轮胎断面胎高与胎宽的比例为65%，数值越小越扁平。 【R】是指轮胎的结构。R表示此轮胎为子午线结构，即它的帘布层是呈辅射状排布在胎体内的。另外还有D、B分别表示普通斜交轮胎和带束斜交轮胎。【15】表示轮辋直径（单位：英寸），此轮胎必需匹配15英寸的轮辋，否则无法安装。【89】表示载荷指数：此轮胎最高载重为1,279磅。不同的载荷指数代表不同的最高载重。（通常以磅或公斤为单位）【H】表示速度级别：此轮胎最高时速为每小时130英里。不同的英文字母表示不同的速度级别。2.1.3 轮胎花纹概述（1）轮胎花纹的作用轮胎花纹的主要作用是增大车轮在行驶过程中胎面与路面间的摩擦力，防止车轮打滑。在驱动力、制动力或横向力的作用下，汽车轮胎的花纹块能够产生较大的切向弹性变形，增大了轮胎与地面之间的摩擦，从而抑制了轮胎的打滑趋势，提高了汽车行驶的稳定性、制动性、操纵性和安全性17。（2）花纹作用的影响因素影响花纹作用的因素较多，但最主要的影响因素是花纹型式和花纹深度。1）花纹型式的影响轮胎花纹的型式主要有3种：普通花纹、越野花纹和混合花纹18。普通花纹主要包括横向花纹、纵向花纹和纵横兼有花纹。它适合于在硬路面上使用。横向花纹的特点是胎面横向连续、纵向不连续。因而横向刚度大、抗滑能力弱而纵向刚度小抗滑能力强。滚动阻力大，胎面易磨损，当汽车以较高速度转向时，容易发生侧滑。这种花纹适用于牵引力比较大的中型或重型货车使用；纵向花纹的特点是胎面纵向连续、横向不连续，因而纵向刚度大、抗滑能力弱而横向刚度小、抗滑能力强。滚动阻力较小，散热性能好，但花纹沟槽易嵌入碎石子儿。这种型式的花纹适合在比较干净、路质较好的硬路面上行驶。例如轿车、轻型和微型货车等多选择这种花纹。纵横兼有花纹的特点介于横向花纹和纵向花纹之间，胎肩两边有横向花纹而胎面中部又有纵向花纹，因此，在行驶过程中纵横抗滑能力都比较好。这种型式花纹的轮胎适应能力强，应用范围广泛，适用于各种不同的硬质路面。越野花纹的特点是花纹沟槽宽而深，不易打滑。花纹的抓地力大。轮胎的牵引力大，可达普通花纹的1.5倍，这种花纹的花纹块的接触压力大，因而滚动阻力大。若在硬路面上长时间行驶，则会加重轮胎的磨损，增加燃油消耗。因此它不宜长时间在硬路面上行驶，它是专门为适应干、湿、崎岖山路、泥泞路和沙路而设计的花纹，它能适应各种恶劣的环境和气候。 混合花纹是介于普通花纹和越野花纹之间的一种过渡性花纹。它的特点是在胎面两侧有以方向各异或以横向为主的宽花纹沟槽，而在胎面中部具有方向各异或以纵向为主的窄花纹沟槽。这样的花纹的综合性能好，适应能力强。它既适应于硬路面，也适应于碎石雪泥路面，附着性能较好，但耐磨性较差。多用在一些货车和四轮驱动的乘用车上19。2）花纹深度的影响花纹愈深，则花纹块接地弹性变形量愈大，滚动阻力也越大。较深的花纹会使胎温上升加快、花纹根部易撕裂、脱落等而不利于轮胎散热。花纹过浅又会影响其贮水、排水的能力，容易产生有害的“滑水现象”，光胎面轮胎易打滑，从而使汽车的性能变坏。因此，花纹过深过浅都不好，在使用过程中，轮胎花纹会越来越浅。为确保花纹作用的有效性，各国都对轮胎花纹磨损极限制定了明确的法规，并在轮胎胎肩处刻有轮胎磨损极限警报标记。当花纹块凸面到花纹沟槽底部的磨损距离达到极限值时，即警示驾驶员，该轮胎需要更换了。综上所述，轮胎花纹是提高汽车性能、保证安全行驶的重要结构，因此正确的选择轮胎花纹的结构形式和深度就显得尤其重要。2.2 子午线轮胎概述子午线轮胎是由米其林公司首次于1946年发明，因结构而得名。子午线轮胎的帘布层与胎面中心线呈90o角或接近90o角排列，与帘布层轮胎的子午断面一致，很像地球上的子午线，所以称为子午线轮胎。子午线轮胎是由帘布层、保护层、带束层、胎体层、内衬层、胎冠、胎肩、胎侧和胎圈等组成，并以带束层箍紧胎体。子午线轮胎胎体具有良好的减震、散热、操控等性能；胎冠的结构比较强壮，抗冲击能力、稳定性能等比较好。目前轿车所用轮胎基本上为子午线轮胎。2.2.1 子午线轮胎的组成图2.4 子午线轮胎的组成子午线轮胎由帘布层、保护层、带束层、胎体层、内衬层、胎面、胎圈、胎肩和胎侧等几部分组成，各组成部分介绍如下：帘布层（位于胎面与胎体之间）：帘布层排列的方向与子午线的断面方向一致，帘布层的排列形式使其强度得到充分利用，主要用以保护轮胎的胎体。带束层：是子午线轮胎或带束斜交轮胎的胎面与胎体之间的一个强化层。它的功能与缓冲层相似，通过紧紧包裹胎体来增加胎面的刚性。胎体层（轮胎结构）：作为轮胎最重要的结构，整个内层帘布被称为胎体。胎体的主要作用是维持气压，垂直负荷同时吸收震动。内部衬里：内部衬里是由一层橡胶组成，它可以辅助内胎防止气体扩散。它由胎面、胎体、胎侧、带束层、胎圈、内衬层(或气密层) 六个主要部分组成。 胎面（直接和路面接触的部分）：耐磨橡胶可以保护胎体和防止带束层断裂，延长行驶寿命。胎圈（直接和轮辋接触的部分）：胎圈把轮胎附在轮辋上，在接口处包覆帘布。胎圈由胎圈钢丝，胎圈，胎圈包布和其他零件组成。胎肩（轮胎肩状突出部位）：胎肩位于胎面与胎侧之间，肩部橡胶最厚。胎侧（轮胎的侧面）：这部分位于肩部和胎圈之间，具有良好弹性的胎侧保护着胎体，并提升驾驶体验。轮胎的型号、尺寸、结构、模型、生产公司，产品名及各种特征都将在此进行说明。2.2.2 子午线轮胎的特点子午线轮胎的优点20-21： （1）使用寿命长。子午线轮胎胎冠部的钢带钢性很强，因此，轮胎的胎冠部分可以使用比较硬的橡胶，从而提高轮胎的耐磨性，延长轮胎的使用寿命。（2）滚动阻力小、节省燃料。由于子午线胎帘布层数少，层间摩擦力小，故其滚动阻力较斜交胎小25-30。（3）承载能力大。子午线胎帘线径向排列，可充分利用帘线强度，比斜交轮胎承载能力高约14。（4）附着性能好。由于胎体弹性好、接地面积大，胎面滑移少，即附着性能好，故有利提高汽车的动力性。（5）可以高速行驶。轮胎在行驶过程中，轮胎与地面的接触部分因为荷重而使周边产生弯曲，旋转离开地面时，弯曲部分随着胎内压力恢复原状，但如果胎压不足或速度太快，弯曲部分来不及恢复原状，这时轮胎就会产生波状变形，表现在轮胎与接地部位的后半圆附近，俗称“驻波”。而子午线轮胎因为在帘布层外面箍有强有力的钢带，所以，即使在高速回转时，也不容易发生“驻波”现象。所以子午线轮胎可以高速行驶，而斜交胎则不行。（6）吸震好、噪声低、乘坐舒适。子午线轮胎胎体较斜交胎柔软，弹性好，具有良好的缓冲性能，能改善汽车行驶平顺性和乘坐的舒适性，并可延长汽车各部件的使用寿命。（7）胎面不易穿刺，不易爆胎。子午线胎的带束层非常强韧，使轮胎被钉子等扎穿的几率大致可减少一半。加上帘线的强度得到充分利用，使其在恶劣的使用条件下，轮胎也不易发生爆破。（8）安全性能强。子午线轮胎的胎面一般都比较宽，所以它的抓地力强，制动性能好，操纵稳定性能好。子午线轮胎因其胎侧薄，所以在行驶时升温低，散热快。因此，子午线轮胎可以安全、高速地在高速路上行驶。子午线轮胎的缺点是胎侧较薄，不如斜交胎的胎侧耐抗击力强，路面碎石很容易割伤胎侧，使轮胎受到致命的伤害而报废。此外，因为子午线轮胎的生产工艺复杂，生产技术要求严格，必须有先进的设备和昂贵的各种原材料，所以子午线轮胎的技术要求高，制造成本也高，生产效率也不如斜交胎高，价格也较贵。由于子午线轮胎的特点优势明显优越于普通斜交胎，因此，应用越来越普遍。2.3 轮胎模具的发展概述2.3.1 轮胎模具的现状随着高速公路的快速增长，汽车行驶的速度不断提高，汽车在高速行驶状态下，汽车轮胎的花纹、外缘尺寸、重量甚至材料的均匀度等微小差异都可能埋下安全隐患，因此，轮胎模具的质量和精度乃至轮胎模具上的每条花纹的形状都直接影响轮胎行驶的稳定性，进而影响汽车行驶的安全性能。子午线轮胎的优越性能决定了子午胎模具是“十一五期间我国模具行业重点发展的高端产品之一，其发展速度将高于模具业的总体水平，并且向无内胎化、扁平化和环保、节能、智能化方向发展22。尽管“十五期间我们行业发展很快，我国轮胎模具的加工精度已经达到高精度等级，产品质量可以替代同类进口产品，但由于我们起步较晚，与国外的模具相比，特别是和发达国家相比还有很大的差距，要生产高质量和高精度的轮胎模具，首先必须大力提高轮胎模具生产设备的技术水平。国际先进的轮胎模具生产企业都把不断提升生产设备作为发展和投资的重点方向，各种专业化的轮胎模具生产设备不断被应用。目前已经出现的专用的轮胎模具生产设备包括：轮胎模具专用加工中心、车床、铣床、电火花成型机、刻花机和刻字机等多种精密高速、数控加工设备及检测设备。我国轮胎模具工业起步较晚，在轮胎模具的生产设备和技术水平上与世界先进水平尚有一定差距。近几年，我国轮胎模具工业技术水平取得了长足的进步，模具制造水平不断提高，如广泛应用CADCAECAM技术，采用了电火花加工、数控加工、高速加工、微细加工技术等。我国轮胎模具行业近年来的发展趋势之一就是不断提高生产设备的数控化率，向全面实现数字化设计、数字化传输、数字化制造和数字化检测方向发展。目前，国内轮胎正逐步从老式的斜交线结构转化为子午线结构。橡胶模具是将橡胶成形为制品的模具。在橡胶模具中应用最广、技术含量最高的便是橡胶轮胎模具。橡胶轮胎模具作为精密复杂模具的一种，与普通模具相比，在技术含量、产品精度和花纹结构等方面都具有较高的优越性。橡胶轮胎模具主要种类分为子午线轮胎活络模具、两瓣模具、胶囊模和成型鼓四大类。子午线轮胎活络模具的结构、材料及加工方法也在不断改进23。具体的演变过程为：橡胶轮胎结构：两瓣模子午线轮胎活络模模具材料：铸铁铸钢铸铝合金铸钢模具制造工艺：手工机械化加工五轴数控加工及专机加工据调查：2005-2020年中国轮胎市场需求预测（单位：万条或套）（表2.1）：表2.1 2005-2020年中国轮胎市场需求预测表项目2005年2010年2015年2020年需求量子午化率需求量子午化率需求量子午化率需求量子午化率汽车轮胎总计17.12075%24.35086%33.45095%38.20095%斜交轮胎4.2003.3701.6502.000子午线轮胎12.90020.98031.80036.200载重轮胎2.23051%3.4872%4.80088%5.20091%轻型载重轮胎3.19060%4.90070%7.00087%8.30083%轿车轮胎7.480100%12.600100%20.00010022.700100%2005-2020年子午线轮胎活络模具的市场需求量预测（表2.2）：表2.2 2005-2020年子午线轮胎活络模具的市场需求量预测表项目2005年2010年2015年2020年需求量需求量需求量需求量子午线轮胎活络模具6450104901590018100其中：钢材质模具2710419059006750铝材质模具374063001000011350其中橡胶子午线轮胎活络模具生产的产品，安全系数高、高速性能好、爆胎率低，为消费者的人身安全提供了保证，由于耗油少、节能，因此对减少污染、环境保护方面及延长道路的使用寿命上都有很显著的优势，其社会效益无法估量。因此被得到了广泛的应用。2.3.2 橡胶轮胎模具的类型 a:子午线轮胎两瓣模具 b：子午线轮胎活络模具图2.5 子午线轮胎活络模具轮胎模具包括轮胎二瓣模具(又简称“二半模”)和子午线轮胎活络模具(又简称“子午线活络模”)两大类。二瓣模是一种较为原始的轮胎模具结构，整套模具只有上下两个半模，脱胎时靠硫化机的作用力实现轴向运动的简单开合模，缺点是轮胎成品脱模时易变形，主要用于生产斜交线轮胎和摩托车胎等低级轮胎的硫化。如图2.5中a。子午线活络模整套模具分为向心机构和型腔两大部分，在合模工作时向心机构通过硫化机的作用力使花纹块合拢成一整体，开模工作时，向心机构通过硫化机的作用力使花纹块径向张开，轮胎成品脱模过程中具有移位小、变形均匀等优点24，因此普遍用于高性能的子午线轮胎。如图2.5中b。2.3.3 子午线轮胎活络模具子午线轮胎活络模具主要有两种结构：一是斜平面导向活络模具；一是圆锥面导向活络模具。前者是引进并吸收西德技术的典型结构，后者是意大利的典型技术。在制造工艺和材质上，国内也有钢刻花子午线轮胎活络模具和铸造铝合金子午线轮胎模具两大类25。（1）子午线活络模具的结构：如图2.6。 a:活络模外观 b:活络模组成图2.6 活络模结构轮胎活络模具包括向心机构和型腔两部分，各自又包含许多部件。如图2.7。图2.7 活络模具的主要组成部分1上盖 2吊环 3中模套 4导向条 5T型滑块6滑块 7底板 8花纹块 9下胎侧板 10上胎侧板重点部分结构介绍如下：向心机构：它构成模具外壳并驱动花纹块开合的零件组。向心机构部分由上盖、吊环、中模套、导向条、T形滑块、滑块、底板、减摩板等部件组成。型腔：是构成轮胎模具制品轮廓的模腔。型腔部分主要由花纹块、胎侧板、钢圈等组成。中模套：是传递来自硫化机动力并驱动模具的零件组合，如图2.7中3。花纹块：是轮胎胎面花纹定型硫化的模型零件，也是轮胎性能的决定部分。如图2.7中8。胎侧板：包括上胎侧板和下胎侧板。它是轮胎侧面及其商标字体定型硫化的模型零件，如图2.7中9、10。钢圈：是轮胎轮辋部位定型硫化的模型零件。分型面：是指花纹块和花纹块间的接触面或花纹块和胎侧板间的接触面。T型滑块：用于搭载花纹块并在模具开合过程中传递来自中模套动力的模具零件，如图2.7中5。减摩板：是降低模具的各滑动部分摩擦力的一种特殊材料零件。（2）子午线轮胎活络模具的分类子午线轮胎活络模具按结构形式不同分四种：一是斜平面导向活络模具；二是圆锥面导向活络模具；三是线性轻触式导向模具；四是精密铸造铝合金模具。具体分类特点及应用如下26：a: 斜平面导向活络模具：是意大利技术的典型结构，壳体与型芯的开合通过滑块的斜面滑动完成，稳定性好、精度高，但结构复杂、保温性能较差。主要适用于蒸锅式硫化机，制胎质量好，可制造载重车胎、轿车胎、轻卡车胎。如图2.8b: 圆锥面导向活络模具：西德技术的典型结构，壳体与圆锥状型芯的滑动为圆形线状接触，结构简单，保温性能好，但精度较低、稳定性较差。主要适用于热板式硫化机，可制造轿车胎、载重车胎、工业胎和农用胎。c：线性轻触式导向模具：继承和揉合了a、b两种导向活络模具的优点，具有精度高，性能优越，开合模稳定性好，无抖动、爬行现象，合模紧密无缝等优点。可适用于热板式、蒸锅式硫化机等各种硫化机，制胎质量最好，可制造轿车胎、军用车胎、载重车胎、赛车胎等。d：精密铸造铝合金模具：用石膏等材质制成母模型芯，铝镁合金高温溶炼后浇注，冷却成型。适用于花纹细密、形状复杂的小轿车轮胎、赛车轮胎的制造27。按模具加热方式不同分为：热板式和蒸锅式活络模具。按硫化机规格不同模具又分为65寸、63.5寸、55寸、48寸、45寸等规格。 a: 斜平面导向活络模具 b: 圆锥面导向活络模具图2.8 子午线轮胎活络模具（3）子午线轮胎活络模具的特点子午胎结构与普通轮胎不同，其外形为生胎，生胎不易用轮胎两瓣模硫化，否则将影响轮胎的质量甚至压坏生胎。但活络模不同，活络模主要由上下侧板、中模块、“T”形滑块和若干扇形块等部件组成，若干扇形块组成一个圆周，形成了胎面型腔，每个扇形块均由相应的“T”形滑块制导，制导件在垂直上下运动的同时，扇形块可沿径向合拢或分开。合模时扇形块沿径向移动到完全闭合，构成完整的型腔。这种特殊的结构特点和运动方式，为子午线轮胎的硫化提供了便利的条件。扇形块由花纹块和T型滑块组成。如图2.9所示是较为典型的活络模具花纹块。图2.9 子午线轮胎活络模具花纹块子午线轮胎活络模具所要解决的技术问题是：解决现有轮胎模具开合模时，上下往复运动质量大，至使整个硫化设备具有庞大，制造成本高的缺点。为解决上述问题，采用以下技术方案：轮胎模具包括分布在轮胎圆周外圈、组合在一起成为轮胎外圆整体花纹、外围面为上大下小的斜面的分瓣式多块花纹块，以及花纹块顶部的上盖板、轮胎腔上下带轮胎侧面花纹的上下侧模，在多块花纹块外围面的中下部，有与花纹块斜面相适应、下部分别固定在各花纹块外围面的拔杆，在花纹块与拔杆之间的固定点以上，有与多块花纹块外围面及拔杆内面之间可上下滑动配合的模套，模套顶部固定在上盖板下面。由于轮胎周边的花纹块不与上盖板连接，轮胎脱模和装模仅是将上盖和与其连接的模套提起，大大减少可开合模所需的提升力简化了硫化设备的结构，降低了设备造价和轮胎的生产成本；本模具结构简单，开合快捷、方便，尤其适用于工程车辆轮胎的生产。山东理工大学硕士学位论文 第三章 子午线轮胎活络模具的主要工艺分析第三章 子午线轮胎活络模具的主要工艺分析3.1 子午线轮胎活络模具的加工工艺本模具主要结构包括向心机构和型腔两大部分。子午线轮胎活络模具工艺复杂，需多道工序才能完成。从原材料的表面处理、回火处理到粗车、精车及车完成型后的切割分块，从数控铣花、刻字、电火花加工，到最后的组装。由于工艺复杂、模具本身的精度高等特性，所涉及的加工设备多而精。包括数控立车，数控卧车、数控铣花机、数控电火花成型机、数控刻字机、数控线切割加床、数控加工中心、钻床、磨床、五轴铣削中心及三坐标测量仪等一整套的设备及仪器。轮胎活络模具的加工工艺流程图28如图3.1：花纹圈侧板向心机构总装检验包装图3.1 轮胎活络模具的加工工艺流程图3.2 型腔各部分的工艺流程图及工艺子午线轮胎模具的型腔包括花纹块和侧板。一般来讲，花纹块(圈)的加工工序大体包括以下几个步骤:毛坯定制粗车热处理钻孔半精车精车铣花电火花加工线切割检验喷砂氮化。型腔各组成部分的工艺流程图29如图3.2所示。图3.2 型腔各部分的工艺流程图1、花纹块的加工工艺30： （1）定毛坯：按照厂家图纸要求定毛坯，或铸造或锻打。材料：35钢。（2）粗车毛坯：在2.5米立车上粗车毛坯。（按照图纸的尺寸加工）（3）热处理：用完全退火的方式进行热处理。目的是为了消除工件内应力，提高加工韧性。（4）钻孔：按零件图上的具体位置在吊装部位打孔。（5）半精车：按零件图纸半精车加工花纹圈的直径和高度，然后半精车花纹圈内腔，半精车之后要进行检验，在边处要留有一定的余量。（6）精车：在2.5米立车上精车。精车之后也要用精车样板进行检验。（7）铣花：在花纹圈内铣花，可先用铣花机粗铣。粗铣成型后要用铣花样板进行检验，同时也要在边上留有余量。（8）电火花加工：用数控电火花机床粗打花纹，然后再精打花纹， 最后再上花纹钳工修花纹。（包括在花纹块上打气孔眼、镶小花纹、抛光等等）（9）数控线切割：上数控线切割机床把花纹圈割成八等份或九等份或十等份的花纹块。用0.18mm的丝割至距对面5mm处退出割口，宽度不大于0.20mm。（10）检验：用型腔样板、花纹端面样板对曲线及花纹进行检测，包括尺寸误差和表面粗糙度的误差检测，所有的气槽和气孔应保证畅通无阻。（11）喷砂工艺：在型腔内部喷沙，喷砂要均匀。（12）上面工序都完成之后，再进行氮化，提高表面硬度。（13）装配：在工装内研配花纹块后按图纸尺寸精车子口。花纹圈能开能和，这就叫做活络模。花纹圈结构如图3.3。图3.3 子午线轮胎活络模具侧板花纹块2、上胎侧板的加工工艺：（1）根据模具图铸造或锻打毛坯。材料为45钢。（2）粗车毛坯：在50普通车床上进行粗车。（按照图纸上的尺寸确定粗车余量，绘制粗车草图，根据草图进行加工毛坯）（3）热处理 ：为了消除工件内应力，加工前应对毛坯件进行完全退火处理，退火时应将坯件放平，以防止变形过大。（4）精车：精车前，应先在数控1.6米精车上进行半精车，然后按照图纸尺寸精车侧板的外形，并对棱边进行倒角，倒角半径为R2。采用钢圈样板与型腔总样板配合，精车整个型腔面，型腔必须与样板吻合。（5）钻孔工艺： 按图纸要求，在吊装部位打上吊装孔。（6）刻字工艺：首先按照字体要求进行编写程序，字体的大小、宽深、排列、间距的大小必须符合图纸要求，最后按照字体排列图和字体样式选用对应的程序，用刻字机进行雕刻。（7）配活字块：（注