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CN111629877A - 用于固化和硫化轮胎的模具节段的制造方法 - Google Patents

用于固化和硫化轮胎的模具节段的制造方法 Download PDF

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CN111629877A
CN111629877A CN201980008780.5A CN201980008780A CN111629877A CN 111629877 A CN111629877 A CN 111629877A CN 201980008780 A CN201980008780 A CN 201980008780A CN 111629877 A CN111629877 A CN 111629877A
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shot
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mould cavity
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S·维尔尼
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Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
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Abstract

一种模具(1)节段(10)的制造方法，所述模具(1)节段(10)由铝制成并用于固化和硫化轮胎，所述方法包括以下步骤：‑a)在由易碎材料制成的模具型腔(3、31、32)中，固定用于形成轮胎胎面沟槽的至少一个薄片(2)，所述模具型腔(3、31、32)的形状为待获得的模具节段(10)的倒模，从而使得所述薄片的外侧部分(22)嵌入模具型腔(3、31、32)的材料中，而使得内侧部分(21)从该模具型腔突出；‑b)闭合模具型腔并且向模具型腔中浇铸或注入铝，涂覆所述薄片的内侧部分(21)；‑c)破开所述模具型腔，从而获得所述模具节段(10)。所述薄片经受喷丸处理，所述喷丸处理利用维氏硬度介于340至500HV之间的材料。

Description

用于固化和硫化轮胎的模具节段的制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于固化和硫化轮胎的铝模具节段的制造方法。
背景技术
常规地，用于固化和硫化轮胎的模具具有环状形状，其内侧壁设置有称为“薄片”的突出元件，所述突出元件用于形成轮胎胎面中的沟槽。后文将更详细地描述这样的模具。
这些薄片例如由马氏体时效钢制成。一种选择是使用“选择性激光熔化”来制造。
作为备忘，提醒读者“选择性激光熔化”是一种增材制造方法，该方法涉及通过使用激光光束扫描，将金属粉末的薄层熔化再焊接在一起，从而获得部件。
这种方法的缺点在于在所制造的部件上产生粗糙的表面状况。这样的表面状况可能促使产生弱点，换言之，裂缝可能产生的点，且从该点处裂缝更快地蔓延。这导致疲劳寿命缩短。
此外，当使用这种方法制造由马氏体时效钢制成的部件(例如前述的薄片)时，在激光熔化期间温度上升，随后迅速冷却，导致发生小型淬火操作。所述小型淬火操作不能使沉淀物产生明确限定的晶体结构(即均一而有规律的材料结构)，相反导致化学元素分离的异性混合状态(即化学元素的局部缺失和局部富集)。
在制造固化和硫化轮胎的模具期间，可以使用的一种方法是，制造包括将来轮胎的胎面的沟槽的第一模具式样，随后再从所述第一模具式样由柔性材料(例如silastène材料)制造相反形状的模具，再从所述模具由易碎材料制造对应于轮胎的轮廓的第二模具式样，再从所述第二模具式样制造最终模具。
在使用前述选择性激光熔化方法获得的由马氏体时效钢制成的薄片周围浇铸铝，从而获得该最终模具，所述薄片的形状与胎面的沟槽的形状一致。在所述薄片周围浇铸铝导致其温度进一步升高，并且加剧了化学元素分离。
不均匀的微观结构和所述分离导致由马氏体时效钢制成的薄片变脆易碎，也即，一旦超过弹性变形区域，材料的延展性下降，强度不够。这同样缩短了疲劳寿命。
这可能导致在使用模具制造轮胎时薄片断裂。
网站www.aircraftmaterials.com/data/nickel/C300.html公开了一种热处理马氏体时效钢的方法，涉及将其加热至816℃，再将温度降低至退火温度482℃，从而获得硬度的峰值。然而，这种处理的效果使得钢更加变脆易碎，与所期望的效果背道而驰。
文献WO 2016/128087公开了一种用于在轮胎胎面中形成沟槽的薄片的制造方法，该方法对金属粉末进行选择性激光熔化。
单独制造薄片，将薄片插入并锚固在用于硫化车辆轮胎的模具的节段内部形成的槽中。该文献说明通过铸造低熔点的金属(例如铝)来制造模具的节段。然而，其并没有表明如何将薄片锚固在模具中。
此外，该文献完全没有提及对所述薄片进行喷丸处理。
文献WO 2016/200695描述了用于形成轮胎的胎面中的沟槽的薄片，并且说明能够使用3D打印方法利用激光烧蚀制造所述薄片。所述薄片的底部嵌入轮胎固化和硫化模具的节段本体中。
类似地，该文献没有描述对所述薄片进行喷丸处理的方法。
文献WO 2017/175463描述了一种对金属模具进行表面处理的方法，意在改善其寿命和表面状况。该方法包括使用粉末状碳化物、石墨或钻石的喷丸处理的步骤。通过投射受压颗粒来实现所述喷丸处理。
然而，该文献与轮胎固化和硫化模具毫无关系。此外，其并没有给出对使用选择性激光熔化获得的薄片进行喷丸处理的积极影响的启示。
最后，A.Vaajoki的文章“Post processing of AM specimens,SMACC
Figure BDA0002587595710000021
worshop”概述了对金属制品的表面进行喷丸处理的方法，而且提及了使用特别基于氧化锆的陶瓷珠(尺寸介于0.125mm与0.250mm之间，受到3至4巴的压力)。
关于这样的喷丸处理对于使用选择性激光熔化方法制造的薄片可能具有的有益效果，并没有给出启示。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种用于固化和硫化轮胎的铝模具的制造方法，以弥补上述的缺点。
为此目的，本发明涉及一种用于固化和硫化轮胎的铝模具节段的制造方法，其包括以下步骤：
-a)在由易碎材料制成的模具型腔中，固定用于形成所述轮胎的胎面中的沟槽的至少一个薄片，所述模具型腔的形状为待获得的所述模具节段的倒模，从而使得所述薄片的称为“外侧”的部分嵌入模具型腔的材料中，而使得薄片的称为“内侧”的部分从该模具型腔突出，所述薄片由马氏体时效钢制成并且通过选择性激光熔化方法获得；
-b)闭合模具型腔并且向模具型腔中浇铸或注入铝，涂覆所述薄片的内侧部分，从而将其位置固定；
-c)破开所述模具型腔，从而获得所述模具节段，所述薄片的外侧部分从所述模具节段的底部突出。
根据本发明，使所述薄片经受喷丸处理，以例如珠状物的喷丸颗粒喷射所述薄片，所述喷丸颗粒由维氏硬度介于340至500HV之间的材料制成，且尺寸小于0.3mm。
得益于本发明的所述特征，所获得的模具的薄片具有较好的疲劳寿命。
根据本发明的其它有利的和非限定性的特征(单独或组合考虑)：
-所述喷丸颗粒由铸钢或陶瓷制成，例如包含二氧化锆、二氧化硅和氧化铝的陶瓷；
-所述喷丸颗粒的尺寸为大约0.1mm；
-所述喷丸处理的覆盖率介于200％至600％之间；
-在介于1.5x105Pa至3.5x105Pa之间的压力下进行喷丸处理；
-在步骤a)之前进行使所述薄片经受喷丸处理的步骤；
-在步骤c)之后进行使所述薄片经受喷丸处理的步骤。
附图说明
现在将参考附图给出对本发明的说明，使本发明的进一步的特征和优点变得明显，所述附图通过非限定性的示例描绘了本发明的一个可能的实施方案。
在所述附图中：
-图1为用于在轮胎的胎面中形成沟槽的由马氏体时效钢制成的薄片的一个示例性实施方案的立体图；
-图2为配备有至少一个前述薄片的轮胎固化和硫化模具的一个示例性实施方案；
-图3为在通过图1的线III-III的截面平面上的横截面视图；
-图4a和图4b为显示了根据本发明的制造方法中特定步骤的图；以及
-图5为显示了根据本发明的制造方法中步骤之一的图。
具体实施方式
现在将更详细地说明模具制造方法。
其涉及制造如图2中所显示的那样的模具1。具有环形的整体形状的该模具1由多个弯曲的模具节段10构成，模具节段10成形为圆环的一部分，形状为圆的弧，多个模具节段10用于组装在一起以形成环形的模具1。每个模具节段10在其凹形内表面101上具有数个薄片2，薄片2成形为呈现胎面中的沟槽的形状。
更具体地，参考图1可见所述薄片2的一个示例性实施方案。
薄片2具有波纹形状。薄片2包括两部分，即部分21和部分22：部分21称为“内侧的”，因为其用于嵌在构成模具节段10的后部100的铝中；部分22称为“外侧的”，因为其用于从模具节段的后部朝向模具1的中央突出。
薄片2在其相对两个侧面具有较大的起伏23，起伏23的母线垂直于内侧部分21的底部24(也参见图5)。
外侧部分22也在其相对两个侧面具有多个较小的起伏25，较小的起伏25垂直于较大的起伏23。
在图3的横截面视图中，可以看到较小的起伏25的尺寸较小。因此，仅仅作为说明并且作为图中显示的薄片2的示例，起伏的深度P大约为0.8mm，两个相继波谷之间的距离L等于1.65mm，并且起伏的圆形顶部的半径R大约为0.41mm。
这表示薄片具有难以触及的小尺寸的凹陷区域。
根据将要给予轮胎的胎面中的沟槽的轮廓，显然薄片2可以具有不同的形状。然而，薄片2非常常见地表现出难以触及的区域，如上所述。
所述薄片2由马氏体时效钢制成，并且通过选择性激光熔化获得。
此处使用的马氏体时效钢优选为通常包括如下百分比含量的钢：小于或等于0.03％的碳、介于17％至19％之间的镍、介于8.5％至9.5％之间的钴、介于4.5％至5.2％之间的钼、介于0％至0.8％之间的钛、介于0％至0.15％之间的铝、介于0％至0.5％之间的铬、介于0％至0.5％之间的铜、介于0％至0.1％之间的硅、介于0％至0.1％之间的锰、介于0％至0.01％之间的硫、介于0％至0.01％之间的磷、剩余为铁(所述百分比表示重量相对于制品的总重)。所述钢具有马氏体结构。
在溶解热处理然后时效处理之后，所述钢具有以下性质：高维氏硬度(>550HV)，良好的拉伸性质(Re>1500MPa、Rm>1600MPa)和疲劳性质，低热膨胀系数：小于或等于10.2x10-6m/m.℃。
通过选择性激光熔化(SLM)方法(即通过增材制造方法)获得该马氏体时效钢时，其还具有未经后续热处理的增材制造的特定固有性质，例如非常精细的微观结构(由与该方法相关的显著热梯度产生)，这对于特定性质是有益的，例如弹性极限(>800MPa)、断裂载荷(>900MPa)和维氏硬度(>380HV)。
现在将结合图4a，更详细地说明根据本发明的模具1的节段10的制造方法。
根据该附图，在由易碎材料制成的模具型腔3中固定至少一个薄片2、优选多个薄片。模具型腔3通常包括多个部分，在该示例中模具型腔3包括两个部分，分别标记为31和32。
预先获得该模具型腔3，例如如上所述通过首先制造第一模具式样或原型，其对应于待制造的轮胎(包括轮胎的胎面沟槽)的形状。然后在该第一模具式样上模制由柔性材料(例如silastène材料)制成的第二模具式样。
由该第二模具式样制造模具型腔3。其由易碎材料(例如石膏)制成，并且在其中插入各种薄片2，从而使得它们的外侧部分22嵌在易碎材料块中，并使得它们的内侧部分21突出。
此外，在图4中显示的示例中，模具型腔3的第二部分32用于制造模具节段10的后部100。
随后闭合模具型腔3的各个部分31、32，如图4b所示。
然后浇铸或注入铝，例如通过一个或更多个孔33。
在冷却后，破开易碎材料制成的模具型腔3的各个部分，从而能够获得如图2所示的模具节段10，因此模具节段10包括后部100(或底部)，各个薄片2的外侧部分22从此处突出。薄片2的内侧部分21嵌入并因此固定在铝中。
根据本发明，薄片2受到喷丸处理，英文术语称为“shot peening”。
如图5所示，使用装置4进行喷丸处理，装置4以高压射出喷丸颗粒(例如珠状物)，喷丸颗粒以高速撞击在薄片2的外表面上，更具体地撞击在其外侧部分22上。使装置4移动，从而处理整个表面。
根据待处理的部分的几何形状、所期望的性质等，可以使用不同的喷射(喷丸处理)装置。为了喷射所述投射物，例如可以使用压缩气体系统、涉及涡轮机的机器或者使用超声波引发运动的系统。多个喷嘴预先设置在适当的冲击角度和适当的距离，以使在部件上获得的最终品质最好。
对薄片2喷射喷丸颗粒具有改善其表面状况的效果。高速喷丸冲击在表面处产生残余压缩应力，这显著地改善了所述薄片的疲劳寿命。
或者，可以在薄片2被制造之后且被插入模具型腔3之前，进行所述喷丸处理操作，优选地在外侧部分22上进行所述处理。
或者，可以在完成模具节段10之后、薄片2插入该节段之时进行喷丸处理。
进行了测试从而确定最佳的喷射条件，以获得所期望的效果。
结果表明，使用的颗粒的尺寸优选地小于或等于0.3mm、更优选地尺寸等于0.1mm或接近0.1mm。对于珠状物，该尺寸即为直径。同样优选地，珠状物的维氏硬度介于340至500HV之间。
有利地，所述喷丸颗粒由可能包括或不包括铬的铸钢制成，或者由陶瓷制成，例如基于二氧化锆(ZrO2)、二氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)的陶瓷。
优选地，覆盖率(即装置4的通过次数)介于200％至600％之间，或者换句话说，将颗粒喷射到同一表面上两次至六次。
使用的压力优选地介于1.5巴(1.5x105Pa)至3.5巴(3.5x105Pa)之间。
最后，可以沿着其轴线(前后)移动装置4，从而在喷射喷嘴的端部与接受处理的薄片之间保持同一距离。
使用电子显微镜观察，同样表明显著改善了薄片的表面状况。
进一步的测试证明，与未接受喷丸处理的部件相比，接受根据本发明的方法(在进行喷丸处理之后浇铸铝)的部件的疲劳寿命改善了75％至450％。

Claims (7)

1.一种铝模具(1)节段(10)的制造方法，所述铝模具(1)节段(10)用于固化和硫化轮胎，所述方法包括以下步骤：
-a)在由易碎材料制成的模具型腔(3、31、32)中，固定用于形成所述轮胎的胎面中的沟槽的至少一个薄片(2)，所述模具型腔(3、31、32)的形状为待获得的所述模具节段(10)的倒模，从而使得所述薄片的称为“外侧”的部分(22)嵌入模具型腔(3、31、32)的材料中，并使得薄片的称为“内侧”的部分(21)从该模具型腔突出，所述薄片(2)由马氏体时效钢制成并且通过选择性激光熔化方法获得；
-b)闭合模具型腔(3、31、32)并且向模具型腔(3、31、32)中浇铸或注入铝，涂覆所述薄片(2)的内侧部分(21)，从而将其位置固定；
-c)破开所述模具型腔(3、31、32)，从而获得所述模具节段(10)，所述薄片的外侧部分(22)从所述模具节段(10)的底部(100)突出；
其特征在于，使所述薄片(2)经受喷丸处理，以例如珠状物的喷丸颗粒喷射所述薄片(2)，所述喷丸颗粒由维氏硬度介于340至500HV之间且尺寸小于0.3mm的材料制成。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述喷丸颗粒由铸钢或陶瓷制成，例如包含二氧化锆、二氧化硅和氧化铝的陶瓷。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述喷丸颗粒的尺寸为大约0.1mm。
4.根据前述权利要求任一项所述的制造方法，其特征在于，所述喷丸处理的覆盖率介于200％至600％之间。
5.根据前述权利要求任一项所述的制造方法，其特征在于，在介于1.5x 105Pa至3.5x105Pa之间的压力下进行喷丸处理。
6.根据前述权利要求任一项所述的制造方法，其特征在于，在步骤a)之前进行使所述薄片(2)经受喷丸处理的步骤。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，其特征在于，在步骤c)之后进行使所述薄片(2)经受喷丸处理的步骤。
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