XIAOZHONGMING

来源：巨轮智能装备股份有限公司  作者：吴映雄

      摘 要：本文主要分析化学加工的原理及特点，并简要介绍采用化学加工工艺代替电火花加工汽车轮胎定型胶囊模具碎石花纹的工艺技术，及其取得的实验效果。


      关键词：汽车轮胎；定型胶囊； 模具；碎石花纹；化学加工


      随着我国轮胎行业的快速发展，汽车轮胎的规格和花纹形状发生了很大的变化，而规格的变化，也导致了轮胎硫化时所要用到的充气定型胶囊发生相应的变化，特别是定型胶囊的规格和花纹的变化。定型胶囊上越来越多的花纹形状带来了模具的花纹加工方法的改变。由于定型胶囊模具花纹的多样化、不规则化、以及其尺寸向极大规格及极小规格发展的趋势，因此传统的加工工艺即依靠电火花加工定型胶囊模具的花纹这种工艺技术越来越不经济，也越来越不适合。所以如果采用一种既能快速加工碎石花纹，又能保证花纹质量而且简单方便的成型方法，将可降低成本、缩短加工周期，并节省电极材料以及在人工、能源上的花费将得到降低。下面是针对以上的问题我们提出了利用化学加工的原理来完成对胶囊模具碎石花纹加工的实验方法。


      1 原理及特点


      化学加工是用酸碱盐等化学溶液对金属工件表面进行腐蚀的原理，具体是按模具型腔表面的花纹图案，在模具型腔表面那些不要求被加工的地方采一些用防腐蚀的材料进行涂抹覆盖，而对那些需要被加工的地方则采用酸、碱、盐等化学溶液进行浸泡腐蚀，当要被加工的部位其表面的金属材料腐蚀到一定尺寸时，就得到我们所需要的花纹形状和尺寸。


      在本次的化学腐蚀实验中，针对轮胎定型胶囊模具的型腔表面化学腐蚀加工方法，具有如下的特点：


      ①花纹的加工精度较好，形状的仿真性也不错，硫化后的定型胶囊外观质量均匀。


      ②该加工工艺不会受到零部件的表面硬度限制，也不会受到零部件表面粗糙度限制，更不会受到零件表面形状的限制而不损坏那些不要求被加工到的部位。


      ③化学腐蚀过程中发生的化学反应所释放出来的热量不多，而且能及时散发掉，所以即使是很薄的工件经过化学腐蚀后也不会产生变形；


      ④化学腐蚀的工艺不会受到加工的零部件大小限制，即使零部件的加工面积较大，还可通过采用局部腐蚀的方法进行，加工的效果一样，也不会影响到其它已加工好的各个部位，甚至还能达到很好的对接效果；


      ⑤加工过程无需专用的机床，场地也很简单，只要通风并且能及时除烟雾即可；


      ⑥加工的成本很低，加工周期也短，适合要求快速交货的模具。


      2 腐蚀试验过程的步骤


      基于以上所述化学腐蚀工艺的工作原理及特点，我们采用了最常用的照相腐蚀方法对橡胶轮胎硫化定型胶囊模具型腔表面的碎石花纹进行了试验加工。所谓照相腐蚀就是利用照相制出底片与化学腐蚀相结合的加工技术[1]。


      实验过程如下图所示。首先，我们在定型胶囊模具的整个内腔表面上涂上一种叫做感光胶的东西（如下图中序号1），目的是便于拍照后能够感光。然后和摄相过程一样用底片进行曝光、感光及显影（如图中步骤2和3），因为感光的部位胶水不会溶于水，而且也不受到酸碱化学溶液的腐蚀，所以经过清洗（如图中步骤4）之后，感光部位的胶水就留在模具型腔内对应的表面，起到防腐蚀的作用，保护着型腔内不想被腐蚀加工的部位。至于那些并未感光的部位其表面的胶水因为是溶于水的，从而在后续的清洗过程将被清水洗去而使模具的型腔内表面那些我们想要腐蚀加工的花纹部位露出来。第五步是用腐蚀性的酸碱盐等化学溶液均匀地涂抹在模具型腔内，利用酸碱盐化学溶液对金属有腐蚀作用的原理，对模具的型腔内表面进行腐蚀处理，结果那些没有受到保护的部位就在酸碱盐溶液作用下发生了化学腐蚀反应（如图中步骤5），最后一步是把粘在模具型腔表面的感光胶清除掉（如图中步骤6），这样就可获得所需花纹图案。具体如下：


      2.1 制作底片的


      首先，我们根据定型胶囊产品的花纹图案及其设计要求按照1:1 打印出碎石花纹图案备用，然后采用照相制作出底片。照相的底片要有正片和负片两种，这样一来，底片上的图案也就有了凸纹、凹纹。通过数学上的排列组合，碎石花纹也就有正面的凸纹、反面的凹纹、正面的凹纹以及反面的凹纹等四种。制作模具成型表面的原始文稿一般采用正字布置，所以照相底片的制作就需要根据模具成型表面图案的具体要求，正确选择正反凹凸的种类[2]。做过模具的都知道，在通常情况下，如果制品上的花纹图案是正面凸的图案，则模具上要求是反面凹的图案，所以，相应地在照相的底片上的花纹图案就应该是反面凸的图案。

      2.2 涂抹感光胶


     涂抹感光胶前，需要对模具型腔面全面清洁，确保没有任何油污、锈迹等。


     （1）清洗——模具型腔在涂感光胶之前，表面的油污、锈迹、杂质等一定要清洗干净，否则会直接影响到感光胶与模具表面的粘合强度，间接影响到后续腐蚀过程的花纹图案是否会走样。用于清洗模具表面的东西一般可以采汽油或天那水，当然也可以采用10% 的氢氧化钠溶液。不管是采用哪一种清洗液，模具的型腔面务必在清洗后要用大量的清水不断冲刷直到那些清洗液被冲干净。


     （2） 涂胶—— 也就是涂抹感光胶


      本次实验所采用的感光胶是聚乙烯醇感光胶，定型胶囊模的内腔总面积约为40800mm2。从专业角度来看，这模具属于加工面积不算大的工件，所以采用喷胶的方法来完成将感光胶均匀地附着在型腔表面的工作，涂胶量约为150ml/m2。


      （3）曝光和固胶


       ①曝光。将照片的底片均匀、仔细地贴在涂有感光胶的模具型腔内表面上，通过抹平并使底片紧密贴合在模具型腔表面上，然后用紫外线灯对感光片进行照射，使型腔内表面上的感光胶按碎石花纹的形状进行感光，感光时间根据花纹图案的大小一般6-8 分钟就可以了。底片上的那些不透光的部位，因为感光胶没有受到紫外线的照射，所以未参与化学反应，仍然是可溶于水的原胶，可在随后的水洗中被去除。而透光部位由于受到紫外线的照射，发生了化学反应，感光胶已经反应并变成了不溶于水的物质，所以透光部位就形成了和碎石花纹一致的轮廓。


       ②显影。将曝光后的模具（整件上、下半模）先放在45-50℃的温水中浸泡约1 分钟左右，然后放入染料进行显影，再放到清水池中不断进行冲洗直到干净，吊出吹干或者烘干。


       ③固胶。将模具放到烘干箱中加热，并保持烘干箱的温度控制在约180℃左右，加热时间约为15 分钟，直到胶膜层变深色，取出模具，静止放置到模具表面凉下来，用工具队型腔内的胶膜层进行最后的修整，目的是修掉多余的部分。如果发现有缺胶的地方，还要修补完整，防止后续腐蚀时发生不必要的错误。


      （4）腐蚀。用于腐蚀液通常有酸、碱、盐等材料，本次实验我们选用了三氯化铁+ 硝酸+ 冰醋酸的混合溶液。为保证模具型腔面能够全面受到腐蚀加工，但又要能确保原先预加工好的径向排气线不受到腐蚀掉，所以本次实验没有采用常用的整模浸泡方法。整模浸泡方法虽然效率高，操作方便，但需要对模具不加工部位进行必要的喷涂保护漆，且本次实验的腐蚀面积不算太大，所以本次实验采用滴管取液，局部处理的方法，先在需腐蚀的表面均匀地滴上事先配置好的三氯化铁+ 硝酸+冰醋酸的混合溶液，并确保这腐蚀溶液随时保持流动状态以冲掉被腐蚀加工出来的铁屑粉末。模具腐蚀后及时用清水进行了清洗，防止生锈。

       3 结论


       通过上述的实验，最后得到的数据显示出加工速度大大提高了，和电火花工艺加工相比，电火花加工大概需要5 天才能完成碎石花加工（不包括径向近百条小花筋的加工以及电极造型、加工的时间，总共约需5 天）。采用化学腐蚀后，碎石花纹（不包括径向一百多条小花筋在内同时加工）后，所需加工时间只需大约2 天（包括所有腐蚀前的准备工作）足够了。只是由于腐蚀加工出来表面粗糙度相对较粗，表面质量不如电火花，后续需要通过加大钳工的工作量来完成表面粗糙度的处理。而且，腐蚀工艺本身也存在着侧向腐蚀的缺点，所以在腐蚀过程中，如果对花纹、花筋等无需腐蚀的部位不进行补偿或补偿量不适当，将会导致工件过切或表面留抛光量过多的缺馅，而且由于腐蚀发生的化学反应方向不能随意控制，因此腐蚀后轮廓线条不如电火花整齐、美观，最终要靠手工来修复。但在总体上的比较，腐蚀工艺生产周期大大缩短、设备简单、无需专用机床、材料能源大大节省，还是一种值得继续研究和利用的工艺方法。