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1、收稿日期： 作者简介：崔龙（ ） ， 男， 硕士研究生。 文章编号： （ ） 基于 轮胎活络模具结构优化 崔龙， 唐跃， 侯富彬 （ 青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 ） 摘要：为了解决轮胎硫化不均的现象， 通过应用 有限元软件， 对活络模具加温和保温过程进行了数值模拟分析， 获得了轮胎模具型腔的温度场分 布， 并据此进行优化弓形座结构， 解决了硫化不均的现象。结果表明： 与原模型相比， 在满足强度条件下， 改进后的弓形座可使模具型腔内部温差减小， 有利于提高轮胎硫 化的质量， 同时缩短了活络模具加温和保温时间， 降低了能耗和成本。 关键词：轮胎活络模具； 弓形座； 传热； 模拟分析 中图分
2、类号： 文献标识码： ， ， ： ， ， ， ， ， ： ； ； ； 引言 轮胎硫化的均匀程度直接影响轮胎的硫化 质量， 从而影响轮胎产品的使用性能 ， 而弓形 座作为轮胎模具中重要的组成部分， 与花纹块 紧固在一起， 与中套滑板发生相互运动， 完成轮 胎模具的开模、 闭模。模具加温和保温时， 热量 要通过弓形座向模腔内传递， 从而使模具型腔 内部的温度达到轮胎硫化时所需要的温度， 因 此弓形座的结构是决定模腔内温度分布的重要 因素之一， 所以弓形座的结构设计尤为重要。 本文通过运用 对轮胎活络 模具进行传热模拟分析， 并改进弓形座结构， 与 原方案对比， 得到一套新方案。 传热模拟分析 活络
3、模具整体是近似 轴对称结构， 为 节约模拟时间、 缩短模拟计算周期， 将模具模型 模 具 技 术 设置为 结构， 即为模具结构的十分之一 ， 活络模具的结构如图所示。根据目前工厂实 际生产中的模具硫化加热条件， 导环汽室外面 设有保温套， 与外界空气的对流换热可以忽略， 此边界认为是绝热边界； 轮胎是热的不良导体， 进行硫化时对模具型腔温度的影响可以忽略不 计。取模具导环汽室温度为 ， 上、 下板及 上环温度为 ， 模具的初始温度为 。 轮胎的硫化质量随着轮胎模具温度场的变化而 变化， 型腔温度梯度越小， 均匀性越好， 轮胎的 质量越好， 且生产效率越高。 上环中套滑板弓形座下板花纹块 下胎侧
4、板上胎侧板上板 图 活络模具的结构图 活络模具选用材料为 钢 ， 取 其热导率为 （） ， 密度为 ， 比热容为 （） 。设置总求解时间为 ， 进行的预热模拟分析， 最小增量等 其他条件设置为系统默认值。定义各个单元组 的单元长度， 为精确描述花纹块内的温度分布， 将花纹块单元长度设定为 ， 其他零件设 定为 。因为有些部件过于复杂， 网格划 分类型主要采用自由网格的四面体（ ） 单元， 如图所示。 图模具有限元网格划分 模拟后， 得出活络模具型腔温度达到 稳态时的时间为 左右以及型腔内部的温 度分布。为了便于观察模具型腔内部温度场 的均匀性， 选取子午线面上花纹块和上、 下侧 板的个点， 作
5、为型腔温度的测量值， 通过探 针（ ） 查 看 温 模 后 温 度 云 图 如 图 所示。 图温模后温度云图 根据模具型腔温度分布可以看出， 上、 下侧 板的温度是比较均匀的， 温差不大， 可以忽略不 计， 而稳态后花纹块的温度并不相同， 有比较明 显的梯度分布， 个点的温度分别为 、 、 。花纹块上、 下的温差为 ， 这样可能对轮胎硫化的质量会有一定 的影响。 弓形座的结构改进 现改进花纹块的结构设计， 根据热传导中 热流量计算方程 ： （ ） 式中： 热流量； 导热系数； 热量通过截面的面积。 式（ ） 中负号表示热量传递方向与温度升 高的方向相反。由式（ ） 得知， 单位时间内通过 的导
6、热热量与温度变化率和平板面积 成正 比。故弓形座的内表面与花纹块外表面的接触 面积越大， 热流量就越大， 能使传热效果改善， 所以将弓形座内表面改为如图所示。 图 改进前、 后弓形座结构 改进弓形座结构与结果分析 改进弓形座结构并再次进行传热模拟分 析， 模拟结构如图所示。 图改进弓形座后温模后温度云图 与初始模型的相比， 上、 下侧板点的温度变 化不大， 稳态后的花纹块温度分布均匀， 并没有 明显的温度梯度， 花纹块上、 下温度几乎相同， 更有利于提高轮胎硫化的质量。模具型腔温度 达到稳态时的时间变为 左右， 缩短了模具 加温和保温时间， 结果表明， 对弓形座结构的改 进取得了较好的效果。
7、对改进后模型进行受力分析 硫化时， 模型内有几种力作用， 主要有机台 施加的总压力， 模腔内部充过热水压力等， 此外 还有温度引起的热应力、 模型的自重等 。弓 形座位于型腔之外， 受到过热水压力和机台压 紧模型时通过中套滑板传递压力等力的作用。 根据实际工况， 模型内充压后， 弓形座内表面的 压力为 ， 从上热板施加到模型上的 力为 ， 如图所示。 图弓形座受力情况 对改进后的弓形座模型进行受力模拟分 析， 模拟结果如图所示。 图改进前、 后弓形座应力分布 从 图 可 以 看 出， 原 模 型 的 最 大 应 力 为 ， 而 改 进 后 模 型 的 应 力 为 。 钢的许用压力 为 ， 虽
8、然 应 力 有所增大， 但仍然在强度范围内。因此改进后 的弓形座符合模具强度要求。 模 具 技 术 结论 改变弓形座结构之后， 与初始模型进行对 比， 活络模具型腔的温度梯度减小， 温度分布更 趋于均匀， 更有利于提高轮胎硫化的质量。模具 加温和保温时间由原来的 缩减为 ， 提 高了传热效率和轮胎生产效率， 降低了能耗。 参考文献： 施斌， 王国林， 张建， 等子午线轮胎硫化过程仿真 汽车技术， （ ） ： 李淑华， 田仲可， 韩新， 等 轮胎活络模具温模过程的 轴对称数值模拟分析 模具技术， （ ） ： 吴润燕最新实用五金手册郑州： 河南科学技术 出版社， 杨世铭， 陶文铨传热学北京： 高等
9、教育出版社， 崔海波 子午线轮胎活络设计研究与三维动态过程模 拟模具的青岛： 青岛科技大学， 檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮 （ 上接第 页） 由图可见， 修正后的阻力修正与试验阻 力试验的误差基本保证在内。综上所述， 通过数值模拟确定了合理的拉深筋阻力的数值 后， 若采用 模型选取与该阻力值对应 的拉深筋几何参数， 则按照这一组几何参数加 工的拉深筋产生的阻力会小于实际需要的阻 力， 而采用式（ ） 修正后的几何参数（ 拉深筋半 径） 加工出的拉深筋则能够产生预定的阻力。 另一方面， 如果通过模具设计确定了拉深筋几 何 尺 寸
10、，要 估 计 该 拉 深 筋 的 阻 力，则 采 用 模型计算出的阻力会大于实际阻力， 而用式（ ） 修正后的阻力与实际阻力接近。本 文的修正方法有助于提高拉深筋参数选取的合 理性。 结论 （ ）通过试验， 测试了不同拉深筋圆角半径 下的进料阻力， 得出真实拉深筋阻力与拉深筋 圆角半径之间的关系。据此， 在模具设计阶段， 就可确定拉深筋进料阻力值。 （ ）研究发现， 在相同条件下， 等效拉深筋 阻力普遍偏大， 且误差值平均分 布 在 之间。主要原因是在经过拉深筋时， 板料 会出现次弯曲反弯曲变形， 这个过程中板 料会发生包辛格效应， 这会导致反向加载时的 流动应力降低， 而等效拉深筋阻力模型中
11、未考 虑由于包辛格效应导致的应力降低， 因此最终 计算出的等效拉深筋阻力值较真实阻力偏大。 （ ）针对等效拉深筋阻力模型计算出的阻 力偏大现象， 通过对比分析试验力与计算力， 得 到了拉深筋几何参数理论值与实际值之间的映 射关系见式（ ） ， 以及拉深筋力理论值的修正方 法见式（ ） 。据此， 可得到拉深筋几何参数和 阻力的理论值与实际值的对应关系， 减少设计 余量和模具调试工作量， 对企业生产具有实际 意义。 参考文献： 王屹峰， 陈静， 孙盼盼浅析拉深筋模具技术， （） ： 陈文亮板料成形 分析教程北京： 机械工业 出版社， 谢玲玲， 黄贞益， 章小峰 等效拉深筋在钣金成形数值 模拟中的设置及优化热加工工艺， ， （ ） ： 余海燕，陈关龙板料成形技术中拉深筋的研究进展 塑性工程学报， ， （） ： ： ， 马荣国， 邱晓刚， 廖丕博实际拉深筋与等效拉深筋的 对比研究锻压技术， ， （） ：