華建民，潘濟堂

(南京集萃激光智能制造有限公司，江蘇 南京 210000)

輪胎標識是按國家標準規(guī)定，在輪胎的兩側(cè)要標出生產(chǎn)編號、制造廠商標、尺寸規(guī)格、層級、最大負荷和相應氣壓、胎體簾布漢語拼音代號、安裝要求和行駛方向記號等，以往這些數(shù)據(jù)通過硫化機模壓到胎壁上的，這極大增加了輪胎模具及硫化生產(chǎn)費用，需要花費大量的時間來更換模具生產(chǎn)日期信息塊。胎側(cè)標記及其它圖形的制作費用高昂，時間周期長，尤其對生產(chǎn)一些量小的輪胎產(chǎn)品及車胎的個性化設(shè)計實現(xiàn)。這些劣勢都可以通過激光標刻技術(shù)這一手段避免，輪胎激光標刻是一種的生產(chǎn)定制和個性化產(chǎn)品快速實現(xiàn)的方法，在輪胎領(lǐng)域越來越受歡迎。隨著激光加工技術(shù)應用的深入, 關(guān)于激光加工產(chǎn)業(yè)化應用的研究日益增多。 其中, 輪胎激光標刻是利用激光束燒蝕去除表層材料，具有適應范圍廣、操作簡單、速度快、質(zhì)量好,熱影響區(qū)小, 加工柔性大等優(yōu)點, 是傳統(tǒng)工藝無法比擬的，能夠標刻任意形狀的圖形, 標刻精細, 圖形清晰，對周邊無影響。

高品質(zhì)的標刻需要建立在合理的工藝參數(shù)的選擇上, 但是目前關(guān)于激光標刻工藝參數(shù)對橡膠輪胎標刻質(zhì)量與效果影響的研究還較少?；谔岣呦鹉z輪胎標刻質(zhì)量和改善其標刻效果的目的, 文中以黑色橡膠輪胎作為研究對象, 分別采用CO2激光和短脈沖光纖激光進行表面標刻, 研究兩種激光的標刻工藝參數(shù)對其表面形貌的影響規(guī)律與機制, 優(yōu)化工藝參數(shù), 獲得高品質(zhì)的標刻質(zhì)量和標刻效果。最后描述了激光標刻在輪胎胎面花紋快速成形方面的應用。

1 輪胎標刻激光器的選擇

激光與物質(zhì)作用的有效性主要按其波長區(qū)分，適合用作輪胎激光標刻的激光器主要是兩種光源，一種是發(fā)射1 064 nm 波長激光的短脈沖光纖激光器，一種是發(fā)射10.6 um 波長激光的CO2激光器，他們的波長相差一個數(shù)量級。需要確定兩種激光作用在輪胎表面的聚焦光斑大小，激光聚焦光斑直徑d可表達為[1]：

式中，M2為光束質(zhì)量系數(shù)，λ為激光波長，f為聚集鏡對此波長的激光焦距，D為激光入射聚焦鏡前直徑。由式1 可得出一個結(jié)論，激光波長越短，相同配置下的焦斑直徑越小，可標刻出更精細的圖案。一般對于非金屬尤其橡膠類產(chǎn)品的標刻10.6 um 波長的CO2激光器是最佳選擇。但考慮到1 064 nm 的激光焦斑直徑更小，所以本文也研究了短脈沖光纖激光器的標刻工藝。

針對不同波長的激光材料的吸收率也是一個關(guān)鍵的考慮因素。輪胎橡膠配方大致由以下材料組成[2]，橡膠，氧化鋅，硬脂酸，防老劑，石蠟，炭黑，橡膠油，促進劑，硫磺。其中橡膠和炭黑占比最大，其中橡膠對1 064 nm 激光吸收率很低，對純橡膠采用短波長激光進行標刻行不通，通過添加炭黑的方式可以提高非金屬材料對1 064 nm 激光的吸收率[3]，大部分輪胎膠料配方均含有大量的炭黑，又因1 064 nm 的激光焦斑足夠小，理論上可標刻出更為精細的圖案。所以本文也做了此類激光器的輪胎標刻工藝測試。

2 短脈沖光纖激光器輪胎標刻工藝研究

本章采用免維護、光路結(jié)構(gòu)更簡單、更適應惡劣的工業(yè)環(huán)境的短脈沖光纖激光器來進行激光標刻輪胎的工藝研究。本章實驗采用的激光器是激光脈寬為100 ns 的脈沖光纖激光器，主要參數(shù)見表1。

表1 納秒脈沖光纖激光器主要參數(shù)

經(jīng)激光器輸出直徑6.4 mm 的平行激光束直接輸入兩維振鏡，再經(jīng)過一個光學焦距為160 mm 的聚焦場鏡。據(jù)式1 可計算出其聚焦后焦斑直徑為40 um. 實驗中在輪胎胎壁分別采用表2 所示的工藝參數(shù)標刻長為45 mm 高度12 mm 的圖案（見圖1）。

圖 1 標刻CAD 圖形

表2 光纖激光標刻輪胎實驗工藝參數(shù)

序號1～6 參數(shù)納秒脈沖光纖激光標刻輪胎側(cè)壁形貌（見圖2～圖7）

圖 2 光纖激光標刻輪胎形貌1

圖 3 光纖激光標刻輪胎形貌2

圖 4 光纖激光標刻輪胎形貌3

圖 5 光纖激光標刻輪胎形貌4

圖 6 光纖激光標刻輪胎形貌5

圖 7 光纖激光標刻輪胎形貌6

由上述納秒脈沖光纖激光標刻輪胎實驗得出以下結(jié)論：

添加炭黑的黑色輪胎對于1 064 nm 的激光吸收率提高有限，標刻深度有限，標刻時間較長，但標刻精細度稍好。不同配比的輪胎用光纖激光器標刻差別較大。輪胎中除了炭黑以外的其它材料對1 064 激光吸收率非常低，尤其新胎中油脂類物質(zhì)去除較差，標刻過程中噴濺出來的油脂類物質(zhì)黏附在標刻的圖案旁邊，影響外觀。由此可以得出結(jié)論，考慮到時效，光纖激光器不是輪胎標刻應用的最佳選擇，對于標刻圖案深度不超過200 um，圖案精細度有較高要求的輪胎標刻應用可采用，但要做好標刻過程中噴濺出的油脂去除。

3 CO2 激光器輪胎標刻工藝研究

CO2激光器輸出波長10.6 um 的激光，非金屬材料對其吸收率很高，適合非金屬材料上各種圖形字符的標刻，但由于其聚焦光斑相對稍大，標刻細小的圖案需謹慎。本章就CO2激光標刻輪胎做了深入研究，實驗采用的激光器是全密封式免維護射頻CO2激光器，主要參數(shù)見表3。

表3 金屬射頻CO2 激光器主要參數(shù)

直徑1.8 mm 的激光束經(jīng)過-6 倍擴束鏡片組后，光束變?yōu)橹睆?0.8 mm 的激光束，再進入兩維振鏡，最后通過一光學焦距為200 mm 的CO2激光場鏡聚焦在輪胎表面。據(jù)式1 可計算出其聚焦后焦斑直徑為300 um. 實際標刻中，由于對此波長激光吸收極高，實際應用中輪胎激光標刻痕跡會大于這個數(shù)值。分別通過表4 所示參數(shù)在輪胎側(cè)壁標刻圖1 所示圖案，對應標刻時間及標刻深度見表4。

表4 CO2 激光標刻輪胎實驗工藝參數(shù)

實驗標刻圖案的典型形貌（見圖8），由于輪胎對CO2激光吸收率高，去除胎壁橡膠原理是通過激光燒蝕，將去除材料直接氣化被吸塵器抽走。從實驗結(jié)果看其標刻速度快，標刻深度可控，圖案邊緣光滑清晰，從激光標刻軌跡剖面圖（見圖9）可看出標刻端面無細小裂口，對周邊無任何不良影響。所以CO2激光是輪胎標刻應用比較理想的光源。但用CO2做輪胎標刻應用有以下幾點要注意：

圖 8 CO2 激光標刻輪胎形貌

圖9 CO2 激光標刻輪胎剖面

（1）激光光路的密閉防護要做好，實際應用中灰塵對激光的傳輸有較大的影響，對CO2激光器激光輸出窗到振鏡輸入口之間最好采用密封式光路，要最大限度的避免環(huán)境對其造成的不良影響。

（2）光功率較大時標刻輪胎，會有較大的火苗，對火敏感的場所要注意避免，可通過調(diào)整工藝參數(shù)來避免起火，但會導致標刻時間加長，也可通過對著標刻部位吹潔凈的壓縮空氣來避免起火，這個要求輪胎定位要穩(wěn)定，防止較大的氣流會導致標刻期間輪胎發(fā)生位移。

（3）對于一些精密細小的圖案標刻要通過試驗調(diào)整，由于CO2激光聚焦光斑較大，標刻時要考慮光斑的直徑。要標刻的圖案（見圖10）采用內(nèi)部填充標刻，使用光纖激光標刻細節(jié)放大圖（見圖11），使用CO2激光標刻細節(jié)放大圖（見圖12），明顯看出光纖激光標刻的細節(jié)更接近原圖。因此在用CO2激光標刻輪胎時，圖案要做出相應的調(diào)整，才能標刻出細節(jié)清晰的圖案。

圖10 標刻CAD 圖

圖11 光纖激光標刻細節(jié)

圖12 CO2 激光標刻細節(jié)

圖 13 CO2 激光雕刻原型胎胎面花紋形貌

4 激光雕刻輪胎胎面花紋的應用

長期以來輪胎開發(fā)中的瓶頸之一是需要用手工雕刻原型輪胎胎面花紋。這是一項需要高度熟練技巧的工作，刻一條原型胎面花紋要花4 天時間。操作人員使用手工雕刻工具，根據(jù)cad 圖紙打印的模板為參照 。手工雕刻非常耗時，對操作人員的測量精度要求極高，雕刻誤差難以避免[4]。有報道稱有企業(yè)嘗試使用機器人完成原型胎的熱刀標刻。

激光在胎壁上標刻圖案，在硫化過的光輪胎胎面上也可以標刻深淺不一的各種圖形花紋（見圖13），再結(jié)合以旋轉(zhuǎn)標刻技術(shù)、自動變焦技術(shù)、3D 去除技術(shù)即可將硫化過的光胎高精度高效的變?yōu)橐粋€開發(fā)用原型胎。激光標刻技術(shù)在原型胎面花紋的制作中有著很大的優(yōu)勢。激光可以在硫化過的光輪胎上標刻出個性化的胎面輪廓和胎側(cè)圖案。該工藝可取代當今仍然普遍存在的耗時的手工雕刻輪胎原型，從而大大縮短輪胎開發(fā)的周期，降低成本。對于量非常小的和一次性產(chǎn)品，采用激光標刻成形成本更低。

5 結(jié)論

激光標刻在輪胎制造過程中的應用是一次技術(shù)的創(chuàng)新，胎面花紋和胎壁圖案的雕刻、在輪胎產(chǎn)品開發(fā)和創(chuàng)建個性化產(chǎn)品方面提供了一種更快捷、低成本、更高效、更靈活的方法，憑借其精度和成本效益，很容易看到這項技術(shù)在汽車輪胎行業(yè)會大受歡迎。使它成為輪胎企業(yè)、汽車和摩托車愛好者的通用和有價值的工具。