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青岛科技大学研究生学位论文 轮胎胶囊注射模压成型法模具的仿真设计与研究 摘要 胶囊模具是硫化胶囊生产的主要设备，其型腔质量直接影响着胶囊的外观 质量、使用性能和使用寿命。本课题首先对胶囊的成型方法及现状进行了综述， 在此基础上分析了两种常用的胶囊成型方式单囊模压法和胶囊注射法，总 结了以上两种方式的优缺点，并提出了一种新型的成型方法注射模压法， 并以此为基础，设计了适合这种新型成型方法的胶囊模具。 本文通过理论推导建立了胶囊模具的应力和应变等数学模型，并进行了大 量的设计计算和有限元分析，以p t c 公司的分析工具p r o m e c h a n i c a 为平台， 对模具进行了设计分析优化再设计的循环的设计过程，直到模具 达到设计要求和设计目的。 本文所作的手要工作如下： 1 查阅了大量资料，分析了国内外轮胎胶囊的现状及发展。 2 分析了目前两种胶囊成型方法的优缺点，提出了一种新型的成型方法一 一注射模压法，并论证了此方法的优点和可行性。 3 成功设计了一套胶囊模具，整套模具结构合理，优点突出，工作可靠。 配合橡胶注射机，能够提高胶囊质量；并能实现自动化生产，大大的提 高劳动生产率。 4 研究基于特征技术的三维建模方法，包括特征的定义、分类，特征的约 束、组合关系和特征编辑的方法等。讨论基于特征的实体建模方法。 5 以p r o m 为分析平台，运用有限元分析方法，对模具工作状况中的实际 受力情况、模型的有限元网格划分、边界条件的确定和施加进行研究。 通过应力分析和显示应力云图，确定模型的最大主应力、最大主应变部 位( 即应力集中点) ，为灵敏度分析提供依据。 6 利用p r o m 的t h e r m a l 模块分析了电加热系统的加热效果，模拟了模具 内部的温度场，以判定电热方法的可行性，为加热器功率的选择提供依 据。 7 讨论结构优化设计的方法，根据优化目标和参数值的设定，对模具进行 最优化设计。 青岛科技人学研究生学位论文 关键词：胶囊模具注射模压法有限元分析优化设计p r o m e c h a n i c a 青岛科技人学研究生学位论文 s i m u i 枷o n d e s i g n & r e s e a r c ho nt i r eb l a d d e r m o d e lo fi n j e c t - p r e s s i n gm e t h o d t h et i r eb l a d d e rm o u l di st h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti np r o c e s so fc u r i n g b l a d d e r t h eq u a l i t yo fm o u l dh a sad i r e c te f f e c tu p o nt h ea p p e a r a n c eq u a l i t y , s e r v i c e p e r f o r m a n c ea n ds e r v i c el i f eo ft h et i r eb l a d d e r f i r s t ，t h ea r t i c l eh a sp r e s e n t e dt h e c u r r e n tm o l d i n gm e t h o d sa n dd e v e l o p m e n to ft h eb l a d d e r ，t h e no nt h eb a s i s ， a n a l y z e dt h et w oo r d i n a r ym e t h o 岬r e s s i n ga n di n j e c t i n gm e t h o d ，s u m m a r i z e dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，a n dp r o p o u n d e dan e wm e t h o d 侧e c t - p r e s s i n g t a k e t h i sm e t h o da sb a s i s ，w ed e s i g n e dt h en e wb l a d d e rm o u l da d a p t e dt ot h en e w m o l d i n gm e t h o d b yt h e o r e t i cd e d u c i n g ，t h ep a p e rh a sb u i l tu pt h em a t h e m a t i c sm o d e lo fs t r e s s a n ds t r a i n ，m o r e o v e r , c a r r i e do u tt h er e l a t i o n a ld e s i g nc a l c u l a t i o na n df e m a n a l y s i s f i n a l l y , f o rt h es a k eo fg u a r a n t e et h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fs t r u c t u r e ，t h e p a r a m e t e r i z e dt h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nd e s i g na n dd y n a m i cp r o c e s ss i m u l a t i o n o ft h em o u l da r eu s e dw i t ht h ea n a l y s i st o o l - - p r o m e c h a n i c a n em a i nw o r ko ft h et h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 o nt h eb a s i so fc o l l e c t i n gav a s ta m o u n to ft h eb l a d d e rl i t e r a t u r e s ，m a d ea t h r o u g hi n v e s t i g a t i o ni nc u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n to ft h eb l a d d e rm o u l d ， a n a l y z e dt h ed e f i c i e n c y , p r o s p e c ta n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fd o m e s t i cm o u l d i n d u s t r y 2 a n a l y z e d t h et w o o r d i n a r ym e t h o d 巾r e s s i n g a n di n j e c t i n g m e t h o d ， s u m m a r i z e dt h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s ，a n dp r o p o u n d e d an e w m e t h o d - i n j e c t p r e s s i n g s t a t e dt h es t r e n g t ha n df e a s i b i l i t yo ft h en e w m e t h o d 3 as e to fb l a d d e rm o u l dw a sd e s i g n e ds u c c e s s f u l l y , t h em o u l ds t r u c t u r ei s c o m p a c t ，s t r e s si sr e a s o n a b l e ，d i s t o r t i o ni ss l i g h t m o r e o v e ri tc a ni m p r o v et h e q u a l i t yo fb l a d d e r ，c o m b i n e du s eo fi n j e c t i o nm a c h i n e t h ew o r ks t r e n g t hi sl o w e ra n d l a b o rp r o d u c t i v i t yi sr a i s e d 4 r e s e a r c h e dt h em e t h o db a s e do nt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e3 d m o d e l i n g ，i n c l u d e d t h e d e f i n i t i o n ，s o r t i n g a n dt h em e t h o do fc o n s t r a i na n d c o m b i n a t i o nf o rt h ef e a t u r e s 1 1 1 青岛科技人学研究生学位论文 5 i np r o m ，t h et h e s i sa n a l y s e dt h em o u l ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，s u m m e du p m a i ns t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fm o u l di nd e s i g n i n g ，a n dt o o km o d e lt e c h n o l o g yt h a t b a s e dc h a r a c t e r i s t i ca p p l yt ob l a d d e rm o u l df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 6 a n a l y z e dt h e e f f e c to fe l e c t r i c a l h e a t i n gs y s t e m ，a n d s i m u l a t e dt h e t e m p e r a t u r ef i e l d ，p r o v i d e dt h eb a s i sf o r t h ec h o i c eo fh e a t i n g 7 d i s c u s st h em e t h o do fo p t i m i z a t i o n ，a c c o r d i n gt oo p t i m i z et h ev a l u eo ft h e g o a l sa n dp a r a m e t e r ss e tt h em o l df o rd e s i g no p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：b l a d d e rm o u l d i n j e c t - p r e s s i n gm e t h o d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o p t i m i z a t i o nd e s i g np r o m e c h a n i c a 青岛科技大学研究生学位论文 符号说明 q 温度为t l 时的硫化时间，分； 乞温度为t 2 时的硫化时间，分； k 硫化温度系数( 通常取k = 2 ) ； p - 加热器功率，千瓦； 卜型芯的重量，公斤； c 钥材比热( 碳钢0 1 1 5 千卡公斤) ； t 升温时间，小时( 一般取0 5 1 ) ； 毛型芯的需要温度，； 乞室温，： ”加热器效率，( 常取0 5 o 7 ) ； d 。注射油缸的内径，厘米； 卜机筒的内径，厘米； p 广注射油缸内的油压。公斤厘米2 m 注射成型工件所需的总注射量( 包括制品、浇注系统及飞边在内) g ； 以型腔数； 肌f 单个加工件的质量或体积，g ； 朋j 浇注系统及飞边质量或体积，g ； 七最大注射量的利用系数，一般取0 8 ； m m a x 注射机的理沦注射量，g ； 轮胎胶囊注射模压成m 法模具的仿真设计与研究 p ，注射机额定最大注射压力，m p a ； 儿注射过程中的最大压力，m p a ； k 胶料的收缩率； a 硫化胶的平均邵氏硬度； p 胶囊作用在内壁上的单位压力，p 口； 尺模套外径，m m ； ，模套内径，m m ； 吒材料屈服强度，m p a ； 亿安全系数，2 ； c 腐蚀裕度，2 5m m 。 青岛科技人学研究生学位论文 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中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位 申请的论文或成果。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 中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：同期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查瞬 和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离朽 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位伊 然为青岛科技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 本人签名： 刷磁较弼嗲 同期：年月日 日期：山仰驴年月矽日 青岛科技人学研究生学位论文 1 1 选题的目的及意义 第一章绪论 随着我国汽车工业的高速发展，轮胎工业也呈现出快速发展的良好势头，特 别是子午线轮胎工业持续快速增长。中国橡胶工业协会轮胎分会统计的4 7 家轮胎 生产厂2 0 0 7 年共生产轮胎大约3 3 亿条，比2 0 0 6 年增长2 0 9 。其中子午线轮胎 为2 3 亿条，同比增长3 0 7 ；子午线轮胎中全钢载重子午线轮胎产量为0 5 亿条， 同比增长6 4 7 。2 0 0 7 年国内轿车子午线轮胎和轻载子午线轮胎产量为1 8 亿条， 预计2 0 0 8 年产量增长1 5 ，达到2 0 7 亿条，按每条半钢子午线轮胎硫化胶囊平均 使用寿命约为2 7 0 次计算，需用硫化胶囊7 6 6 万条。2 0 0 7 年全钢载重子午线轮胎 产量为o 5 亿条，预计2 0 0 8 年产量增长2 8 ，达n o 6 4 亿条，按每条全钢载重子 午线轮胎硫化胶囊的平均使用寿命约为2 6 0 次计算，需硫化胶囊2 4 6 力条。预计 2 0 0 8 年国内子午线轮胎总产量可达2 8 亿条，同比增长2 9 1 ，共需硫化胶囊8 3 万条。斜交轮胎的产量逐年减少，预计2 0 0 8 年斜交轮胎总产量为60 0 0 万条左右， 约2 5 的斜交轮胎使用硫化胶囊硫化，大多数生产厂家使用水胎硫化，只有南京 锦湖轮胎有限公司和江苏韩泰轮胎橡胶有限公司全部采用硫化胶囊硫化。按斜交 轮胎硫化胶囊平均使用寿命为2 0 0 次计算，需用各种规格硫化胶囊7 5 万条。摩 托车轮胎逐渐采用硫化胶囊替代风胎和水胎进行硫化，按目前情况预计2 0 0 8 年需 用硫化胶囊l 万条左右。每年我国还出口到东南亚各国约1 万条硫化胶囊。 胶囊模具是硫化胶囊的主要设备，其型腔质量直接影响着胶囊的外观质量、 使用性能和使用寿命。目前，国内胶囊模的理论研究还存在着很多不足，在整 套模具的设计、理论计算、分析、模具主要部件的加工工艺以及模具的使用性 能等方面都需要进一步的研究与提高。 为了适应胶囊模具装置的发展趋势，本文总结了现有两种成型方法的优缺点 分析了胶囊模具的整体结构，提出了一种新型的成型方法注射模压法。通过 理论推导建立了胶囊模具的应力、应变等数学模型，并进行了大量的设计计算和 有限元受力分析，对模具进行了结构优化设计，为了保证结构的可行性和可靠性， 对装置进行了三维仿真设计及工作过程动态模拟。 轮胎胶囊注射模乐成型法模具的仿真设计与研究 1 2 国内外的研究现状、问题及发展趋势 1 2 1 轮胎硫化胶囊生产技术的发展 随着我国的现代化建设的同益加快，我国的高速公路及汽车行业得到了长足 的进步与发展。对汽车轮胎的需求越来越高，高品质的轮胎要由高品质的硫化胶 囊来保证。因此一个轮胎企业能否生产出高质量的轮胎很大程度上取决于硫化胶 囊的质量。硫化胶囊是轮胎外胎硫化的重要工具，其质量的优劣不仅影响到其使 用次数的多少，而且还关系到轮胎生产的成本高低。汽车速度的提高，对轮胎平 衡性能的要求也越来越高。在轮胎制造过程中，除了成型工序对轮胎成品的平衡 性有重要意义外，硫化工序也至关重要。胶囊在轮胎胎胚中是否均匀伸展，对胎 胚硫化初期胶料的流动，材质的平均分布十分重要。实践表明，胶囊质量的好坏 对双模定型硫化机的生产效率，轮胎的质量起着重要作用。 现在应用于胶囊生产的主要方法是模压法。模压法是橡胶制品生产的最初成 型方法，通常模压成型就是将胶料预先称量好，并且要预先成型，然后将胶料填 充到模腔里，然后启动上下模逐渐压紧，这样驱使胶料充满模腔的每一个角落， 闭合的模具使胶料在压力下进行硫化，直到硫化结束，制品成型。 在现在的轮胎生产企业罩，胶囊主要是在模压胶囊硫化机上生产。胶囊硫化 机实质上是一个从上向下的压力机，硫化胶囊硫化模型装在上横梁和工作台之 间，生产时把环状的胶料条放在下模的胶料槽内，使柱塞上升，下芯模与上芯模 相遇一齐往上移动，此时上芯模液压缸同时往下加压，将上芯模压紧。柱塞继续 上升至全部压合时，则胶料充满全部模腔而开始硫化。当胶囊硫化结束后，柱塞 下降开模，这时上芯模推下芯模下降，上芯模及胶囊一起脱离上模。从上芯模的 中心管道向胶囊与上芯模之间吹入压缩空气，使胶囊与上芯模脱开。上芯模上升 与胶囊脱离，柱塞下降到下限位置，下芯模上升，把胶囊从下芯模中推出。 随着硫化机在轮胎生产中的广泛使用，硫化胶囊的制造技术显得越来越重 要。由于胶囊要在高温高压条件下使用，故其技术要求高，加工难度大。目f j 国 内制造的胶囊合格率大多只有8 0 左右。胶囊合格率偏低，就难以保证有足够的 储存量和停放时间，以致引起胶囊使用寿命降低，直接影响轮胎产品的质量和成 本。近几年来，各厂都十分重视这一情况，曾提出了不少胶囊产生质量缺陷的原 因及提高胶囊质量的途径，但是硫化胶囊生产中的问题并没有根本性的解决。 2 青岛科技人学研究生学位论文 1 2 2 成型方法圆 目前国内外胶囊成型有两种方法，一种是单囊模压法，第二种是胶囊注射法。 下面简单介绍这两种成型方法： 1 单囊模压法 单囊模压法这种工艺需先把混炼胶片人工装模，再合模加压加热，利用胶料 的流变挤满模腔，并硫化。这种结构是先向模腔装料，后合模，它存在下列缺点： 装料少了会缺胶，装料多了会跑冒，飞边大，且厚薄不均。由于胶片装入时 难免夹气，而丁基胶气密性又好，故其夹带的气体难于排出，硫化后的胶囊可能 有气泡，致使胶囊质密性不好。困内的胶囊一般采用胶囊硫化机进行硫化。由 于硫化的压力和温度相互关联很难达到理想匹配状态，硫化时间较长( 单条胶囊 的硫化时问l 小时左右) 功效不高。由于中心型芯在生产过程中充满蒸汽，蒸 汽在内部循坏，型芯中的冷凝水会积聚在中心型芯的底部，造成模具上、下温差 很大，故无论是a 型、b 型和c 型胶囊都存在着硫化胶囊品质不均匀现象模具的 中心型芯，在合模的过程中由于不能上、下定位，型芯的上方是不固定的，在合 模成型的过程中，很可能被胶料挤歪型芯，造成生产的胶囊厚薄不均，最终导致 了胶囊的使用寿命不长。结构如图卜l 。 图1 - 1 单囊模压模具简图 f i g 1 - 1p r e s s i n gm o u l ds k e t c h 1 下模2 型芯3 上模4 压机上横梁5 循环蒸汽管6 进气管7 下犁芯 1 1 0 w e r - m o u l d2 i n n e r - m o u l d3 u p p e r - m o u l d4 u p p e rb e a m5 s t e a mp i p e6 a i rp i p e 7 1o w e ri n n e r - m o u l d 3 轮胎胶囊注射模压成型法模具的仿真设计与研究 2 胶囊注射成型法 轮胎胶囊注射成型法生产的工作过程：胶囊注射硫化机安装好胶囊模，设备 各部份预热到设定温度将料条引入挤出机的喂料口，机器便会自动进料，螺杆挤 出机将塑化后的胶料输入注射机筒，不断增加的胶料将注射柱塞项起，达到设定 量后，注射机停止工作。柱塞在液压缸作用下向下运动，强制胶料经注射嘴进入 闭合的胶囊模腔，均匀地充满模具的每一个角落，当注射完毕时，模腔内形成一 个完整的轮胎胶囊。胶囊在模具的高温高压下进行硫化，达到设定时间后，模具 开启，芯模内的压缩空气吹出，使胶囊脱模取出。 这种方法是合模后，由注射机向模腔内注射胶料。常采用螺杆柱塞式注射机。 其优点足注射质量好，胶囊的使用寿命长，一般在2 5 5 - - - , 3 8 8 次条。但是螺杆柱 塞式注射机仍然存在着许多问题：注射装置结构复杂，加工困难，造价高；由于 胶料的表观粘度大，流动性一般，故所需的注射压力很大，耗能太大；维护保养 困难，噪音大，并且机器的价格高。 1 。2 3 现状及发展 目前国内胶囊生产工艺多采用单囊模压法生产。国内生产胶囊多是光滑的表 面，没有导气槽。这种胶囊，在用于轮胎定型硫化时，轮胎最终产品的内壁也和 胶囊的外表面一样。这样，轮胎光滑的内壁与内胎的接触不牢，在气压不够时容 易打滑；同时，它还容易涡气，导致爆胎。国外最先进的胶囊是“碎石状的， 胶囊外表面是碎石加导气槽，这种胶囊尽管加大了胶囊与轮胎的接触率，比光滑 表面的胶囊要好，但它还是通过导气槽来排气，在“碎石 花纹内容易造成涡气。 另外，轮胎和胶囊的扁平化和轻量化是当今国际发展的主流，扁平化的胶囊在强 度和综合使用寿命上都远远要高于现行胶囊。轻量化主要是为了节省原材料。 国际上对注射式胶囊硫化机的开发研究在2 0 世纪7 0 年代已经丌始，法国的 r e p 公司1 9 7 4 年丌始橡胶注射式胶囊硫化机的丌发制造；美围h i e 公司1 9 7 1 年开 始对橡胶注射式胶囊硫化机进行研究。2 0 世纪9 0 年代中期法困的r e p 公司、德国 的d e s m a 公司、美国的h i e 公司都曾到中国来推销大容量的轮胎硫化胶囊注射硫 化机。 近年来，国内外模制制品的发展具有以下特点： 1 品种集中，专业化，系列化，标准化程度高，生产规模大。 2 机械化，自动化程度高。在模压制品生产中，基本上摆脱了单纯的手工操 4 青岛科技人学研究生学位论文 作，特别是半成品准备，硫化和修边工序的改革，使生产效率大大提高。 3 生产效率高。由于品种集中，专业化程度高，大量采用了机械化，自动化 设备，从而使生产效率大幅度提高。 1 3 课题研究的主要内容及创新点 本课题的设计过程是：基于单囊模压法和注射法的优缺点，设计了一种新型 的胶囊成型模具注射模压法成型模具。并根据胶囊的尺寸和胶囊硫化机的各 项参数指标，初步确定出注射模压成型法模具的整体结构和各部件的尺寸，并以 此进行三维造型设计，利用有限元分析工具进行优化设计，然后再利用三维造型 软件的参数化功能快速准确的进行模型的修改并再次进行分析优化。这个设计的 过程是计算造型分析优化造型的循环过程。 本课题的创新点如下： 1 新型注射方法的研究 基于目前两种胶囊成型法的优点和不足，我们寻求了一种新的成型方法 注射模压法。这种方法是用一台螺杆注射机和一台模压硫化机组合而成的，如图 卜2 所示，胶囊模具型腔分成上、下两半模，分别固定在压机的上、下底板上， 与普通压模不同的是外部加热用热蒸汽循环，同时，此模具加长了中心型芯的高 度，使模具在开启注料过程中也能很好与上模的中心口定位，保证了胶囊厚度的 均匀性。 5 轮胎胶囊注射模压成刑法模具的仿真设计与研究 图卜2 注射模压简图 f i g 1 - 2i n j e c t i n gm o u l ds k e t c h 1 上、下模热水腔2 螺杆注射机3 电加热器 1 u p p e r & l o w e rh o tw a t e rc a v i t y2 s c r e w i n j e c t e r3 e l e t r i ch e a t e r 中心型芯为整体式，内部为中空，内部的加热方式为电加热。温度可通过调 整器进行调整，这一结构与老式模压机的模具相比，提高了硫化温度，所以在压 力一定的情况下可以缩短硫化周期，因为硫化程度是硫化压力和硫化温度的函 数。其工艺是当上、下模合模到一定的高度而停止继续合模，这时在上、下模之 间形成一个闭式的加料室。( 如图卜2 的c 处) 这一加料室通过圆环型的分流道和 胶口与型腔相连接。同时可以通过抽真空把模内的空气全部抽出，使模腔形成一 定的真空度。这时注射机喷嘴将胶料注射进环形料室，注射量可通过注射机的控 制系统控制流量。注射结束，模压机再开始加压，把上、下模压紧，同时把料室 内的胶挤压到型腔中，充满模腔形成胶囊，注射机返回。注射浇口和抽真空嘴分 别在图卜2 的b 处和d 处。当模具完全压紧后，浇口和抽真空嘴被模板挡住，使模 腔形成一封闭系统。硫化结束，打丌模具，胶囊在被吹入的压缩空气的作用下先 脱离上半模，然后下托盘顶起，使胶囊脱出。 本结构的主要优点： ( 1 ) 用抽真空的办法，可不设计上下排气孔，使产品不会有皱边和废胶的出 现。 ( 2 ) 用注射机注射，胶料的塑化性和流动性好，不受外边灰尘的污染，温度 分布均匀，胶囊的致密性高。 ( 3 ) 中心型芯用电加热，温度可调整和控制，可适当的提高模温。因为硫化 6 青岛科技人学研究生学位论文 质量是硫化压力和硫化温度的函数，所以当模温提高时，压力一定，可缩短硫化 时间，提高效率。 ( 4 ) 中心型芯在注射时是上下定位的，保证胶囊各处的厚度一致，无厚薄不 均现象，提高了产品的质量和胶囊的使用寿命。 2 针对新型的成型方法成功设计了一套模具，整套装置结构紧凑，受力合 理，变形小，工作可靠。 3 研究基于p r o e 特征技术的三维建模方法，包括特征的定义、分类，特征 的约束、组合关系和特征编辑的方法等。讨论基于特征的实体建模方法。 4 以p r o m 为分析平台，运用有限元分析方法，对胶囊模具工作状况中的实 际受力情况、有限元网格划分、边界条件的确定和施加进行研究。通过应力分析 和显示应力云图，确定模具的最大主应力、最大主应变部位( 即模具的应力集中 点) ，为灵敏度分析提供依据。 5 利用p r o m 对新型模具的加热方式进行模拟，验证加热方式的可行性。 6 讨论结构优化设计的方法，根据优化目标和参数值的设定，对模具进行最 优化设计。 7 轮胎胶囊注射模压成型法模具的仿真设计与研究 第二章胶囊成型的相关理论及胶囊尺寸的计算 2 1 概述 硫化胶囊是定型硫化机硫化外胎的部件，它起着定型和传热的作用。胶囊是 在苛刻条件下使用的橡胶制品，对各方面的技术要求较严。实践表明，胶囊质量 的好坏对双模定型硫化机的生产效率，轮胎的质量起着重要作用。而影响胶囊质 量的因素又很多，主要有胶料配方，混炼工艺，成型工艺，硫化条件等。 2 2 胶囊的硫化 2 2 1 概述 硫化是橡胶制品加工的主要工艺过程之一。在橡胶制品生产中，硫化是最后 的一个加工工序。其目的在于改善胶料的物理机械性能及其他性能，使橡胶制品 能更好的适应和满足使用的要求。硫化反应是美国人c h a r l e sg o o d y e a r 于1 8 3 9 年 发现的。它将硫磺与橡胶混合加热制成性能较好材料。这一发现是橡胶发展史上 最重要的里程碑。 在加热的条件下，胶料中的生胶与硫化剂发生化学反应，使橡胶有线型结构 的大分子交联成为立体网状结构的大分子，导致该胶料的物理机械性能及其他性 能有明显的改善，这个过程称为硫化。在硫化过程中，胶料的一系列性能发生了 显著的变化，当胶料的抗张强度、定伸强度、弹性等性能达到峰值后，硫化时间 再延长，其峰值出现下降，而硬度则保持不变。伸长率永久变形等性能随硫化时 间的延长而渐减，并达到最低值后，继续硫化又缓慢上升。其他性能如耐热性、 耐磨性、抗溶涨性等都随硫化时间的增加而有所改善，并在正硫化阶段性能达到 最好。 8 青岛科技人学研究生学位论文 2 2 2 橡胶的硫化历程h 1 通过测定胶料在硫化过程中的物理机械性能的变化可以看出，整个硫化过程 可以分为四个阶段，即硫化诱导阶段、预硫阶段、正硫阶段及过硫阶段。以定伸 强度为例，与硫化时间的的曲线图见图： ： b l _ 一一 i l 霹，、t 0 i 一趁一 一 、_ i l _ ，一 图2 - 1 硫化历程图 f i 9 2 1p r o c e s so fs u l f u r a t i o n 1 硫化诱导期 在此阶段内，交联尚未丌始，胶料在模内有良好的流动性，在模压硫化中， 胶料的流动、冲模要在此刻进行。此阶段的长短决定胶料的焦烧性能及操作安全 性。从此阶段的终点起，胶料开始发硬并丧失流动性，在模压硫化中胶料在模内 停止流动。对要求具有较长的诱导期和较好的操作安全性的胶料，可以配用后效 性促进剂。 2 预硫阶段 继诱导阶段之后，交联便以一定的速度丌始进行( 其速度的快慢取决于配方 及硫化温度) 。在预硫阶段的初期，交联程度较低，即使到达此阶段的后期，硫 化胶的主要物理机械性能如抗张强度、弹性等尚未达到预期的要求，而有些性能 9 轮胎胶囊注射模压成型法模具的仿真设计与研究 如抗撕裂、抗动态裂口等性能却超过f 硫化阶段的相应值。 3 正硫化阶段 这一阶段，硫化胶的主要物理机械性能均达到或接近于最佳值，或者说硫化 胶的综合性能达到最佳值。这一阶段所取的温度和时间，分别称为正硫化温度和 正硫化时间，总称为正硫化条件。正硫化是一个阶段，即在这一阶段中，胶料各 项物理机械性能基本上保持恒定，或变化很少，所以正硫化阶段也称平坦期。 4 过硫化阶段 j 下硫化后，继续硫化便进入过硫化阶段。在过硫化阶段中，不同的橡胶会出 现不同的情况：天然橡胶胶料会出现各项物理机械性能下降的现象；而合成橡胶 胶料在过硫化阶段中各项的物理机械性能变化甚小或保持恒定。交联和氧化断链 两种反应贯穿于橡胶硫化过程的始终。在硫化过程的不同阶段，上述两种反应所 占的地位不同，在过硫阶段中氧化断链反应占主导地位，对于天然橡胶胶料，橡 胶主链为线弛大分子结构，因此此时表现为物理机械性能下降；而对于大部分的 合成橡胶，如丁苯、丁腈橡胶等，存在者支链结构，在氧化反应过程中起支化反 应，因而合成橡胶在过硫阶段的物理性能变化不大。实验测定的硫化曲线是上述 两种反应的综合结果。 胶囊的硫化是硫化剂与橡胶在促进剂的作用下，在一定的温度下橡胶首光由 高弹态转变成粘流念，完成充模定型过程，然后在一定的温度和压力下，经过一 定的时间，进行化学和物理作用，橡胶分子由线性结构变成网状结构的交联固化 过程，使胶料硫化成为胶囊制品。交联型大分子的性能与交联键的化学性质、密 度及其分布的均匀性、规整性有关，因此橡胶硫化时采用不同的硫化方法、条件 及配方，所得硫化胶的性质有很大差别。硫化是硫化胶囊制造过程的最后一道制 造工序，胶囊硫化质虽的好坏直接影响着成品硫化胶囊的使用性能。因此合理的 确定胶囊的流化工艺对硫化胶囊的整个生产过程起着至关重要的作用。 硫化胶囊硫化的工艺过程是在一定的温度、压力和时间的作用下，橡胶高分 子发生交联固化过程。硫化的一般过程是，就是当胶料条进入注射机筒内塑化后， 强制胶料经注射嘴进入密闭的存料槽，当定量注射完毕后，上下模完全合模，在 模腔内形成一个完整的轮胎胶囊。胶囊在模具的高温下进行硫化，达到设定时间 后，模具开启，芯模内的压缩空气吹出，使胶囊脱模取出，这样硫化胶囊就硫化 完毕。 温度、时间和压力是橡胶制品硫化过程的重要因素。目前，我国硫化胶囊流 化工艺条件随着胶囊品种规格的不同而异。不同轮胎的硫化胶囊采用的硫化温度 和硫化时间都是不同的。与国外先进的公司的相同规格、品种硫化胶囊的硫化条 件相比，我国的硫化胶囊硫化条件大都存在硫化周期较长的问题，这在一定条件 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 下使我围硫化胶囊生产效率低于国外轮胎硫化胶囊生产公司。 2 3 胶囊硫化过程的温度控制 硫化温度是橡胶发生硫化反应的基本条件，它直接影响硫化速度和产品的质 量。硫化温度高，硫化速度快，生产效率高；反之，硫化速度慢，生产效率低。 硫化温度高低应决定于胶料的配方，其中最重要的是取决于橡胶种类和硫化体 系。但应注意的是，高温易引起橡胶分子链裂解，乃至发生硫化返原现象，结果 导致强伸性能下降( 尤其天然橡胶和氯丁橡胶最为显著) ，因此硫化温度不宜过 高。实验表明，各种胶料最宜硫化温度为：天然橡胶不应高于1 4 3 c ；丁苯橡胶 不应高于1 8 0 ；异戊橡胶、顺丁橡胶不应高于1 5 1 ；氯丁橡胶不应高于1 5 1 ； 丁基橡胶不应高于1 7 0 c ；丁腈橡胶不应高于1 8 0 。 硫化时间是完成硫化反应过程的条件，由胶料配方、硫化温度和压力决定。 对于给定的胶料来说，在一定的硫化温度和压力条件下，有一最适宜硫化时间( 即 正硫化时间) ，时间过长产生过硫，时间过短产生欠硫。过硫和欠硫都将使制品 性能下降陆，。 硫化温度和硫化时间是相互制约的，他们的关系可用范特霍夫方程式表示。 用范特霍夫方程式的法则，硫化温度和时间的关系可用下式表示： t 2 - t i 气乞2k 1 0 ( 2 1 ) 式中t 温度为t 。时的硫化时间，分 。z 温度为t ：时的硫化时间，分 k 硫化温度系数( 通常取k - - 2 ) 式2 1 表明硫化温度与硫化时间互为指数关系。若取t ：- t 。= 1 0 ，k = 2 ，则式2 - 1 变为 t z - t i 乞= k1 0 ：2 这说明，硫化温度相差1 0 c 时，硫化时间则相差两倍。或者说，温度增加 1 0 。c ，硫化时i 、日j 缩短一倍；温度降低1 0 。c ，硫化时间延长一倍。 2 4 胶囊的硫化方式阳1 硫化胶囊硫化所需要的热量是由两方面获得：由胶料内部的硫化介质提 轮胎胶囊注射模压成硝法模具的仿真设计与研究 供；由加热介质从模型的外部向模腔内部传递。 硫化胶囊硫化过程中需要在一定的温度下才能保证硫化的进行，硫化胶囊硫 化方法按所采用的硫化介质来区分主要有蒸汽、热油的热硫化和高频电流的热硫 化等。 一般传统的加热方式是蒸汽加热。蒸汽作为硫化介质在7 0 年代有相当多的应 用，我国从8 0 年代开始使用，现在仍有不少轮胎厂使用。蒸汽硫化通常是把蒸汽 通入型芯和模体中的通道内，在加热温度为1 9 0 - 2 1 0 的饱和蒸汽和相对应压 力的条件下，使胶料硫化成合格制品，蒸汽充满通道腔体进行循环，直至轮胎硫 化胶囊硫化完毕而排出。具有升温快，温度较稳定和较小的热板表面温差的特点。 蒸汽硫化的主要优点是：蒸汽硫化温度高，可缩短硫化时间，提高硫化胶囊生 产率；蒸汽热烙很高，用很少蒸汽就能提高足够的热量，可减少能源消耗量 2 5 4 0 ；蒸汽直接由锅炉房提供，大大消减了设备，降低了硫化介质的费用。 其缺点是：蒸汽介质的压力完全取决于工艺所要求蒸汽硫化温度的高低：蒸 汽加热存在着腐蚀模体和有冷凝水的收集的问题。这样相应的装置和设备操作就 会复杂，成本相应增加。但是其温度受锅炉最高蒸汽压力的限制，一般最高只能 达到1 6 0 左右。不适应高温快速硫化和部分胶种硫化温度的要求。 导热油加热较蒸汽加热节能1 5 - 2 0 ，温度可达到2 5 0 左右。上述两种方法 的缺陷是：模具的温度是一定的，对于制品的彳 同需要调整来适应。蒸汽加热具 有很大的灵活性，但温度较难控制。所以，合理的选择成型方式和确定主要技术 参数是一项综合性的工作。需要综合分析，才能选择适合产品的硫化方式。 在本课题中，我们采用新型的电加热方式。电加热方式与前两种加热方式 相比具有结构简单，升温迅速，容易控制的特点。而且根据实际的调查情况可 知：胶囊模具的问题很大一部分是漏气或是漏油。因此，采用电加热方式可以 有效的避免上述情况的发生，在很大程度上提高了胶囊模具的耐用性。 电加热器的总功率由下式计算： nw c ( t 1 - t ，) _ = 一 8 6 咖r ( 2 2 ) 式中p _ 加热器功率，千瓦 w 一型芯的重量，公斤 c 铡材比热( 碳钢0 11 5 千卡公斤) t 升温时间，小时( 一般取o 5 1 ) 青岛科技入学研究生学位论文 毛型芯的需要温度， 乞室温， t 1 加热器效率，( 常取0 5 o 7 ) 2 5 胶囊的尺寸计算口1 1 径向伸张值k o 径向伸张值k d 是轮胎胎里直径d 。与胶囊外直径d b 的比值，一般取1 6 0 一- 1 8 5 。为减少胶囊使用过程中伸张变薄，延长使用寿命，径向伸张值k 。应尽量 取小值，但胶囊外直径与胶囊子口直径相差过大，胶囊制造会很困难，胶囊从 硫化芯模脱出时，容易撕裂子口，因此，在确定胶囊外直径时，应控制胶囊外 直径d 。与子口直径d 。的比值为1 5 1 8 。 图2 - 2 胶囊尺寸图 f i 9 2 - 2d i m e n s i o no fb l a d d e r 2 断面弧长伸张值k l 断面弧长伸张值k 。是轮胎胎罩弧长l ，( 包括胶囊上、下夹盘的圆环宽度如图 2 - 2 所示) 与胶囊断面外弧长l 。的比值，一般取值范围在1 0 8 1 2 0 之间。k 。值 是胶囊设计的关键参数，与胶囊的直径、高度、圆弧半径等直接相关。k 。值过大， 胶囊使用时过度伸张变形，容易早期损坏，且胶囊与轮胎胎里间易窝藏空气，造 成轮胎胎旱疏线等。k 值过小，胶囊不能在轮胎胎里舒展，造成打褶。 轮胎胶囊注射模压成型法模具的仿真设计与研究 3 胶囊高度 根据经验，b 型胶囊高度最好与轮胎胎坯的高度相同，通过5 1 0 的拉 伸后，上央盘露出胎坯之外，硫化定型操作易掌握，轮胎定型容易，胶囊舒展 也较好。但当一种规格胶囊用于几种规格轮胎硫化时，就难以兼顾。 4 子口内直径 b 型胶囊的子口内直径d 。取值一般参考轮胎胎圈着合直径d ：和胶囊外直径d 。 d 。取值一般比轮胎胎圈着合直径d ，大1 0 0 - - 一1 5 0m m ，给轮胎模具的夹盘留足够的 空间。 5 胶囊厚度 胶囊中部厚度t ，值应考虑胶囊规格的大小和胶料的性能以及胶囊的断面弧长 伸张值。一般取值范围可用公式： t ，= ( 6 1 2 ) l ，l 。 ( 2 - 3 ) 表示。胶料性能好，规格小时取小值，反之取大值。肩部厚度一般取中部厚度 的1 0 5 - - 一1 1 倍，使胶囊由中部向两肩逐渐加厚，增强频繁屈挠的肩部，也 可保持中部伸展部位的柔软性，使胶囊获得较高的使用寿命。综合以上各点， 这里我们选用天津大津轮胎胶囊有限公司生产的b 型硫化胶囊作为我们轮胎胶 囊模具设计的参考，其各种参数如下： 胶囊代号( b l a d d e rc o d e ) ：b 9 0 0 2 0 2 适用轮胎的规格为：9 0 0 2 0 花纹：麻面 断面周长：6 5 1 0 0 m m 外直径d b ：7 4 8 0 0 m m 总高度h 丑：5 0 0 0 0 m m 颈部高度f 二：1 2 0 0 m m 央缘内径d 口：3 8 0 0 0 m m 2 6 硫化过程中容易出现的质量问题 硫化胶囊的质量优劣不仅影响到其使用的次数的多少，而且还关系到轮胎生 1 4 青岛科技人学研究生学位论文 产成本的高低。胶囊属薄壁制品，如果胶囊存在质量问题，硫化外胎时在使用次 数较少时，胶囊就会突发性开裂，极易导致外胎报废，使废次品增多。因此，及 时发现和解决胶囊出现的各种质量问题是非常有必要的。在硫化胶囊生产过程中 胶囊质量问题解决措施归纳起来，所出的质量问题有以下几个方面。 2 6 1 胶囊硫化后出气泡 在胶囊硫化过程中经常出现的问题是出现气泡。形成气泡的原因多种多样， 气泡的个数有多有少，而且气泡的位置不固定。综合以前出现的问题，形成气泡 的原冈有以下几个原因： l 胶料中的水分没有严格控制，尤其是对在炼胶时使用的油料的水分含量没有加 以控制： 2 在胶料注射过程和胶料硫化的过程中，胶料受热时放出一部分气体，如果没有 采取抽真空这样的措施或者是模具的排气系统不正常，都可能会在制品中形成气 泡。 2 6 2 硫化的胶料中棍入杂物 在胶料进行混炼时容易混进别的胶料及包装纸等杂物，如果混进这些杂物， 在硫化时制品中容易出现气泡。因此为了避免杂质混入胶中，需严格执行工艺规 定，操作现场必须打扫干净，胶料在整个制造过程中不落地，发现杂质立即清除。 2 6 3 混入其他胶种 如果在生产中混入其他的胶种这几种橡胶的相容性较差，且硫化速度不一 致，这样就易产生海绵状气泡。因此在胶囊生产过程中应注意：密炼机混炼后必 须擦辊：挤出时机头内无其它余胶：胶囊胶单独使用，不与其它胶混放。 2 6 4 胶囊硫化后夹层 胶囊硫化后，整周或半周脱开，呈央心状，脱丌表面凹凸不平，并且多发生 在上模部位，造成胶囊报废。这主要是硫化时气体未完全排除造成的。由于海边