全鋼子午胎胎面擠出形變的研究

沈偉，高棟煜，盛韶祥，陳鋼平，李磊，袁明芳

(杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018)

隨著社會的發(fā)展，汽車行駛過程中的安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性越來越受到人們的重視，因此，對輪胎的質(zhì)量也提出了更高的要求。而在全鋼子午線輪胎中，胎面的重量約為20 kg，占整個輪胎重量的三分之一。胎面制品的質(zhì)量，對整個輪胎的影響非常大。

胎面擠出的收縮形變，直接影響了胎面長度、寬度、厚度的控制精度，進(jìn)而影響輪胎的質(zhì)量。如何精確控制胎面各個尺寸，是我們重點(diǎn)研究的方向。為了提高胎面尺寸的穩(wěn)定性，提高胎面長度、寬度、厚度的CP、CPK值，減少胎面尺寸波動對全鋼子午線輪胎均勻性、動平衡檢測方面的影響，我們對全鋼子午線輪胎的胎面擠出形變過程進(jìn)行分析，加強(qiáng)生產(chǎn)過程的工藝控制能力。

胎面制品擠出是輪胎生產(chǎn)中的重要工序，其全過程包含：擠出、冷卻、裁斷、停放等，在此過程中，胎面的形變主要表現(xiàn)為膨脹、收縮。膨脹是指膠料從流道、口型擠出后，胎面的截面尺寸較口型尺寸增大的現(xiàn)象，收縮是指擠出的半成品在停放過程發(fā)生長度收縮、寬度及厚度增大的現(xiàn)象。

膨脹與收縮的實(shí)質(zhì)相同，都是由于黏彈性的膠料在加工過程中，發(fā)生不可逆的塑性形變，與可逆的彈性形變。擠出過程中，膠料在機(jī)頭內(nèi)流動，口型內(nèi)表面與膠料的剪切、摩擦對膠料的流動造成很大阻力，使得膠料產(chǎn)生形變，此形變既有塑性形變又有彈性形變。當(dāng)膠料在離開口型后彈性恢復(fù)，出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象。但在恢復(fù)過程中，由于分子鏈?zhǔn)艿奖旧眇饔?，在冷卻停放的較長時間內(nèi)仍在進(jìn)行彈性恢復(fù)，從而出現(xiàn)收縮現(xiàn)象[1]。

影響膨脹比、收縮率的主要因素有：膠料物性（相對分子質(zhì)量及其分布、配方）、工藝因素（膠料溫度、剪切速率、冷卻工藝）、口型尺寸（口型長徑比、口型入口角）、擠出聯(lián)動生產(chǎn)線及環(huán)境因素[2～6]。

1 分析胎面擠出速度對膨脹因數(shù)的影響

以315/80R22.5-18PR-CM958的胎面為例，分別調(diào)整生產(chǎn)線速度為14.3 m/min、11.2 m/min、9.4 m/min，同時250 mm螺桿、200 mm螺桿相應(yīng)調(diào)整，使制品無拉伸，測量胎面的總寬、肩寬、中厚、肩厚（所有尺寸均為停放2 h后由斷面掃描儀測量），如表1所示。

膨脹因數(shù)=制品尺寸/口型尺寸。

表1 胎面擠出速度對膨脹因數(shù)的影響

數(shù)據(jù)表明：在其他工藝條件不變的情況下，生產(chǎn)線速度變快，總寬、肩寬、中厚、肩厚的膨脹因素均有變大的趨勢。說明膨脹因數(shù)隨剪切速率的增大而增大，且在發(fā)生熔體破裂剪切速率前出現(xiàn)極大值。剪切速率較大時，縮短了熔體彈性能在口模中的松弛時間，同時，剪切速率增大導(dǎo)致的溫度升高也是膨脹因數(shù)增大的重要影響因素。膨脹因數(shù)依賴于聚合物的黏彈性，且黏度即是溫度的函數(shù)，溫度對膨脹因數(shù)的影響很大。

2 分析不同強(qiáng)制收縮率對胎面長度收縮量的影響

在擠出速度設(shè)置為14.5 m/min的情況下，通過調(diào)整收縮輥道的牽引速度比值，設(shè)置三組不同的強(qiáng)制收縮率，分別為A組：3%、4%、5%；B組：5%、7%、9%；C組：7%、10%、11%；其中C組的設(shè)置可保證胎面在生產(chǎn)線上充分收縮。測量生產(chǎn)線各段的速度，如表2所示。

表2 生產(chǎn)線各段速度 m/min

胎面擠出后以500 mm作標(biāo)記，測量各個位置的長度，如表3所示。

表3 生產(chǎn)線各位置的長度及變化量 mm

測量并計(jì)算A、B、C三組胎面停放2 h后的CP、CPK值，如表4所示。

表4 胎面停放2 h后的CP、CPK值

數(shù)據(jù)表明：胎面在擠出后，前期收縮大，隨著時間推移，收縮變形逐步減慢。在停放24 h后仍然存在少量收縮。生產(chǎn)線強(qiáng)制收縮段的收縮率越大，在停放過程中的收縮量就越小，長度波動也越小，CP、CPK值越大。說明在生產(chǎn)過程中盡可能的消除胎面內(nèi)應(yīng)力有利于制品穩(wěn)定性，有利于成型工序的使用。

3 分析胎面停放過程中的收縮情況

測量胎面擠出口型時的溫度在120 ℃左右，裁切后拾取時工藝要求在45 ℃以下，停放2 h后冷卻至室溫，約為20 ℃。

則T0=393 K，T=293 K，LT0=3 260 mm，橡膠的線膨脹系數(shù)β約為10-4/K,

胎面長度的熱收縮量為ΔL=LT0β（T0-T1）

=3 260 mm×10-4/K×(393K-293K)

=32.6 mm（即1%）

其中“擠出120 ℃”到“拾取45 ℃”為24.45 mm，即0.75%；“拾取45 ℃”到“停放后20 ℃”為8.15 mm，即0.25%。

以12R22.5-18PR-AS578的胎面為例，在胎面擺放于百葉車停放2 h后，將胎面抬起，測量其長度變化量。變化量如表5所示。

表5 胎面從百葉車抬起后的變化量 mm

數(shù)據(jù)表明：理論計(jì)算胎面在裁切后由于溫度降低引起的長度收縮就有8.15 mm，再加上彈性形變的恢復(fù)，總的收縮會更大。在實(shí)際測量中，胎面擺放于百頁車上，受到摩擦力的影響，無法充分收縮。而在胎面被抬起后，摩擦力消失，胎面會迅速收縮9.8 mm左右。

4 分析生產(chǎn)線上塑料紙貼合對胎面長度收縮量的影響

胎面在生產(chǎn)時，存在貼塑料紙（胎面擠出后貼上塑料紙，生產(chǎn)線上不撕，直到成型使用時才撕）和撕塑料紙（胎面擠出后貼上塑料紙，經(jīng)過冷卻，在擺放前撕掉）兩種情況。

以12R22.5-18PR-AS578的胎面為例，進(jìn)行貼塑料紙和撕塑料紙的胎面長度變化對比，塑料紙寬度為210 mm，厚度為0.08 mm。詳見圖6和圖7。

表6 貼塑料紙?zhí)ッ骈L度變化 mm

表7 撕塑料紙?zhí)ッ骈L度變化 mm

數(shù)據(jù)表明：貼塑料紙的胎面，在百葉車上停放過程中，塑料紙的張力會限制胎面的收縮，收縮量更小，為9.3 mm；而撕塑料紙的胎面，沒有受到塑料紙張力的限制，收縮量更大，為15.7 mm。因此，針對胎面生產(chǎn)時是否撕塑料紙，裁切時需要考慮預(yù)留相應(yīng)的長度。

5 分析手動擺放與自動擺放對胎面長度的影響

胎面在生產(chǎn)時，存在人工手動擺放和機(jī)械臂自動擺放兩種情況。以12R22.5-18PR-AS578的胎面為例，進(jìn)行人工手動擺放和機(jī)械臂自動擺放的胎面長度變化對比，將胎面擺放于百葉車停放2 h后進(jìn)行測量。結(jié)果如圖8所示。

數(shù)據(jù)表明：手動擺放過程存在拉伸現(xiàn)象，且每一條的拉伸程度不一致，導(dǎo)致胎面長度變化太大，不利于保持胎面長度的穩(wěn)定性與輪胎質(zhì)量的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

胎面擠出的全過程包含擠出、冷卻、裁斷、停放等，在此過程中，胎面的形變主要表現(xiàn)為膨脹、收縮。都是由于黏彈性的膠料在加工過程中，發(fā)生不可逆的塑性形變，與可逆的彈性形變。胎面在擠出過程中，膨脹因數(shù)（膨脹因數(shù)=制品尺寸/口型尺寸）隨剪切速率的增大而增大，即生產(chǎn)線速度越快，制品尺寸越大。生產(chǎn)線強(qiáng)制收縮段的收縮率越大，即盡量消除胎面擠出過程中的內(nèi)應(yīng)力，在停放過程中的收縮量就越小，長度波動也越小，CP、CPK值越大，有利于制品穩(wěn)定性。胎面擺放于百頁車上時受到摩擦力的影響無法充分收縮，在胎面被抬起后會迅速收縮。貼塑料紙的胎面，在停放過程中收縮量更小，而撕塑料紙的胎面，沒有受到塑料紙張力的限制，收縮量更大。使用機(jī)械臂自動擺放設(shè)備，更有利于保持胎面長度的穩(wěn)定性。

表8 手動擺放與自動擺放的胎面長度 mm

通過以上研究，我們找到了幾個影響胎面制品尺寸的重要影響因素，對制品尺寸的變化有了更深刻的理解。我們將其用于實(shí)際生產(chǎn)中，使胎面尺寸不合格問題明顯減少，胎面制品的返回膠大幅降低，最終提升了制品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。