輪胎質(zhì)量一致性的管控

沈 偉

（杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018）

輪胎行業(yè)面臨著持續(xù)的內(nèi)部壓力和激烈的外部競爭，對(duì)輪胎的品質(zhì)及成本控制提出了越來越高的要求。輪胎一致性是表征輪胎生產(chǎn)企業(yè)整體制造水平、品質(zhì)管控水平的重要指標(biāo)。而質(zhì)量的一致性是輪胎一致性的重要指標(biāo)[1]。輪胎質(zhì)量的一致性包括原材料的統(tǒng)一性、半成品部件加工的穩(wěn)定性、人員操作的統(tǒng)一性。因此，輪胎質(zhì)量的穩(wěn)定很大程度上意味著產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定，對(duì)產(chǎn)品一致性有著重要的意義，對(duì)企業(yè)控制成本、減少浪費(fèi)，也有著非常積極的作用。大部分輪胎企業(yè)要求輪胎質(zhì)量波動(dòng)的控制范圍在1%～3%之間。

在1條12R22.5全鋼子午線輪胎（以60 kg計(jì)）中，胎面、胎側(cè)、胎體和內(nèi)襯層的質(zhì)量通常分別為15～21，7～9，6～8和5～7 kg，分別占整條輪胎總質(zhì)量的25%～35%，12%～15%，10%～13%和8%～12%，此四大部件合計(jì)占輪胎總質(zhì)量的60%以上。因此，胎面、胎側(cè)、胎體和內(nèi)襯層四大部件的穩(wěn)定性是保證輪胎質(zhì)量一致性的關(guān)鍵。

1 胎面質(zhì)量的控制

胎面由基部膠、胎冠膠和緩沖膠組成，一般采用二復(fù)合或三復(fù)合擠出生產(chǎn)線通過特定的口型擠出。胎面質(zhì)量約占輪胎總質(zhì)量的30%，控制胎面質(zhì)量的穩(wěn)定性是保證輪胎質(zhì)量一致性的關(guān)鍵。

在擠出過程中，胎面膠料在機(jī)頭、流道和口型內(nèi)流動(dòng)，受到剪切和摩擦力作用而產(chǎn)生形變，形變包括彈性形變和塑性形變。當(dāng)膠料離開口型后，發(fā)生彈性恢復(fù)，出現(xiàn)擠出脹大現(xiàn)象。而在恢復(fù)過程中，由于分子鏈?zhǔn)艿奖旧碚硿饔?，在冷卻停放的很長時(shí)間內(nèi)仍會(huì)進(jìn)行彈性恢復(fù)，從而出現(xiàn)收縮現(xiàn)象[2]。膠料從流道到口型的流動(dòng)過程中，既有剪切流動(dòng)，又有拉伸流動(dòng)。若膠料未受到外部牽引力，由于機(jī)頭流道的收斂，口型出口位置只會(huì)產(chǎn)生少量的拉伸流動(dòng)。若膠料受到外部牽引力，口型出口位置的膠料熔體自由表面將急劇加速，產(chǎn)生拉伸流動(dòng)，此時(shí)膠料在胎面的擠出方向產(chǎn)生速度梯度。同時(shí)，接取輥道提供的牽引力作用于胎面的底面，使得膠料在胎面厚度方向也產(chǎn)生一定的速度梯度[3]。

胎面擠出時(shí)，若牽引速度大于擠出速度，牽引力作用于胎面自由表面，使其拉伸應(yīng)變?cè)龃?，擠出膨脹現(xiàn)象減小，進(jìn)一步帶動(dòng)口型內(nèi)部的膠料熔體流動(dòng)，使口型對(duì)熔體的壓力減小，定型約束不足。這種情況會(huì)導(dǎo)致胎面擠出時(shí)無法保證精度，也會(huì)產(chǎn)生氣孔率高、復(fù)合層間粘合力不足及裁切后尺寸和質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。此外，這種對(duì)胎面施加的牽引力也會(huì)使其內(nèi)應(yīng)力增大，分子鏈松弛所需的時(shí)間更長，直接影響到后續(xù)使用時(shí)胎面尺寸和質(zhì)量的穩(wěn)定性。

因此，在胎面擠出時(shí)，若調(diào)整牽引速度，使其與擠出速度相等，并根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)口型，則不會(huì)對(duì)胎面施加牽引力，口型內(nèi)的熔體流動(dòng)為剪切流動(dòng)，口型對(duì)熔體的壓力不會(huì)減小，使胎面的定型精度得到保證。

將擠出速度設(shè)為14 m·min-1，設(shè)置兩組牽引速度值，a組為14.5 m·min-1，b組為14 m·min-1。觀察機(jī)頭壓力的變化，測量胎面質(zhì)量波動(dòng)量，如表1所示，斷面氣孔率如圖1所示。

表1 不同牽引速度下機(jī)頭壓力與胎面質(zhì)量變化

圖1 擠出胎面氣孔率

從表1和圖1可以看出，牽引速度控制方法更重視口型對(duì)膠料的定型過程，可以確保膠料受到足夠的定型壓力，使胎面的質(zhì)量波動(dòng)和氣孔率更小，顯著提升了胎面質(zhì)量的穩(wěn)定性和精確性。若進(jìn)一步收集螺桿速度、接取速度、米秤質(zhì)量檢測和寬度檢測等數(shù)據(jù)，并與配方建立關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)一鍵下載配方、自動(dòng)閉環(huán)控制，減少了人為操作對(duì)胎面擠出過程的干預(yù)，使其穩(wěn)定性大幅提高。

2 胎側(cè)質(zhì)量的控制

胎側(cè)由胎側(cè)膠、耐磨膠和型膠組成，一般用三復(fù)合擠出生產(chǎn)線通過特定的口型擠出。胎側(cè)從口型擠出時(shí)，溫度為100～130 ℃，經(jīng)過生產(chǎn)線輸送冷卻，至拾取位置溫度為20～45 ℃，生產(chǎn)線輸送的部件尺寸是實(shí)時(shí)變化的，部件長度在輸送過程中不斷減小，如果采用常規(guī)的連續(xù)、等速輸送，會(huì)使制品受到輸送帶的拉伸。理想狀況是輸送帶隨著部件的收縮進(jìn)行無級(jí)變速，但由于該方法實(shí)現(xiàn)成本高，一般采用各段逐級(jí)減速的方式。

在胎側(cè)生產(chǎn)過程中，聯(lián)動(dòng)線各段速度不匹配導(dǎo)致制品收縮不充分，即擠出過程中的內(nèi)應(yīng)力未消除，會(huì)造成停放過程中的收縮量過大，寬度波動(dòng)也過大，不利于制品的穩(wěn)定性。而控制胎側(cè)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)就是寬度，因此，調(diào)整收縮輥道的強(qiáng)制收縮率，并確保后續(xù)生產(chǎn)線各段無拉伸，是保持胎側(cè)質(zhì)量穩(wěn)定的關(guān)鍵。

將擠出速度設(shè)為10 m·min-1，調(diào)整4段收縮輥道的速度比，設(shè)置3組強(qiáng)制收縮率，A組：1%，2%，2%，總收縮率5%；B組：3%，3%，3%，總收縮率9%；C組：4%，5%，6%，總收縮率15%。其中C組的收縮率可確保胎側(cè)在聯(lián)動(dòng)線上得到充分收縮。測量聯(lián)動(dòng)線關(guān)鍵位置速度，結(jié)果如表2所示。

表2 聯(lián)動(dòng)線關(guān)鍵位置速度 m·min-1

胎側(cè)擠出后作500 mm長度標(biāo)記，測量各位置長度變化，如表3所示。

表3 聯(lián)動(dòng)線各位置的標(biāo)記長度及變化量 mm

將A，B，C三組胎側(cè)停放2 h測得制程精密度CP和CPK，如表4所示。

表4 胎側(cè)停放2 h后所測的CP和CPK

由表3和4可見：胎側(cè)在擠出后短時(shí)間內(nèi)收縮較大，隨后逐漸減??；停放約24 h后，仍會(huì)發(fā)生少量收縮形變；聯(lián)動(dòng)線的強(qiáng)制收縮率設(shè)置越大，在停放過程中胎側(cè)的收縮形變?cè)叫?，尺寸也更穩(wěn)定，CP和CPK值越大。由此可見，胎側(cè)在強(qiáng)制收縮段充分收縮，不僅有助于胎側(cè)生產(chǎn)線控制寬度，也能避免成型使用時(shí)收縮過大，造成質(zhì)量不穩(wěn)定。

3 內(nèi)襯層質(zhì)量的控制

內(nèi)襯層由氣密層和過渡層復(fù)合而成，控制質(zhì)量主要以中厚為依據(jù)。因此使用激光在線輪廓掃描設(shè)備對(duì)厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，采取滑動(dòng)平均計(jì)算方式生成實(shí)時(shí)厚度數(shù)據(jù)，依據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)格厚度、上下限判定是否超標(biāo)。若出現(xiàn)尺寸超標(biāo)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，并對(duì)不合格區(qū)域做打標(biāo)處理，使后續(xù)工序可以發(fā)現(xiàn)并割除。

同時(shí)，在測厚位置附近設(shè)置米秤，將測厚數(shù)據(jù)與米秤數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)時(shí)通過曲線顯示，不僅能指導(dǎo)現(xiàn)場操作人員的生產(chǎn)，也便于后續(xù)的查詢分析，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追溯，為改進(jìn)生產(chǎn)工藝提供數(shù)據(jù)支撐。

另外，壓延機(jī)輥筒在工作時(shí)由于受力產(chǎn)生彎曲，或出現(xiàn)徑向跳動(dòng)等問題會(huì)造成厚度不穩(wěn)定。按照壓延輥筒環(huán)繞一周對(duì)應(yīng)的位置，將內(nèi)襯層縱向劃分為360°，利用激光測厚儀掃描制品厚度，可以判斷壓延輥筒的不圓度、徑向跳動(dòng)等問題，如圖2所示。改善此類問題后，內(nèi)襯層的厚度波動(dòng)基本可以控制在±0.2 mm以內(nèi)，內(nèi)襯層厚度變化趨勢如圖3所示。

圖2 壓延輥筒環(huán)繞一周對(duì)應(yīng)位置的內(nèi)襯層厚度

圖3 內(nèi)襯層厚度變化趨勢

4 胎體質(zhì)量的控制

胎體由上膠片、下膠片和鋼絲簾線組成，使用四輥壓延機(jī)生產(chǎn)。四輥壓延生產(chǎn)簾布的厚度是影響輪胎質(zhì)量的重要因素。由于鋼絲簾線直徑相對(duì)比較穩(wěn)定，簾布的厚度主要受上膠片和下膠片厚度的影響[4]。四輥壓延簾布厚度主要由以下兩種方式進(jìn)行調(diào)整。

（1）利用1#和4#輥筒上的軸交叉裝置，調(diào)節(jié)軸交叉，實(shí)現(xiàn)簾布橫向厚度調(diào)整。

（2）利用1#，2#和4#輥筒兩端的調(diào)距電動(dòng)機(jī)，調(diào)節(jié)輥筒間隙，實(shí)現(xiàn)簾布縱向厚度調(diào)整[5]。

4.1 軸交叉調(diào)整

原先四輥壓延的簾布各區(qū)域厚度相差較大，中間薄、兩邊厚，最厚與最薄處相差0.06 mm，給厚度的穩(wěn)定控制帶來困難。通過調(diào)整1#與4#輥筒的軸交叉，各區(qū)域厚度差異基本消除，如圖4所示，確保了簾布厚度的橫向穩(wěn)定，為縮小厚度的控制公差創(chuàng)造了條件。

圖4 壓延簾布各區(qū)域厚度

4.2 厚度檢測及自動(dòng)控制系統(tǒng)

在四輥壓延機(jī)上建立厚度測量與自動(dòng)反饋控制系統(tǒng)。在簾布?jí)貉舆^程中，位于壓延輥旁和壓延機(jī)后的電渦流、激光測厚裝置分別測出上膠片厚度、下膠片厚度和簾布總厚度。自動(dòng)控制系統(tǒng)將測量值與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比后，按照預(yù)定的控制規(guī)律向調(diào)距電動(dòng)機(jī)發(fā)出指令，達(dá)到自動(dòng)測厚、自動(dòng)控制的目的，確保了簾布厚度的縱向穩(wěn)定。壓延胎體簾布自動(dòng)控制界面如圖5所示，壓延胎體簾布厚度變化趨勢如圖6所示。

圖5 壓延胎體簾布自動(dòng)控制界面

圖6 壓延胎體簾布厚度變化趨勢

根據(jù)簾布厚度變化趨勢可發(fā)現(xiàn)，由于人為操作的局限性，厚度的調(diào)節(jié)存在延遲性、間斷性，波動(dòng)較大，而自動(dòng)控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性、連續(xù)性，可以將公差縮小到±0.02 mm，實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定地控制，使簾布的質(zhì)量穩(wěn)定性得到保證。

5 MES系統(tǒng)及成型胎坯稱量設(shè)備

輪胎的生產(chǎn)過程涉及煉膠、擠出、壓延、裁斷、成型、硫化等多道工序，且規(guī)格繁多，不同的生產(chǎn)工藝對(duì)應(yīng)不同的物料選擇，如何保證每道工序能夠按要求完成，并在出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)快速追溯原因至關(guān)重要。而在實(shí)際生產(chǎn)中，物料代用、試驗(yàn)料、工藝參數(shù)變更、施工表變更、規(guī)格切換等問題不可避免，給輪胎質(zhì)量的管控工作帶來諸多不利的影響，采用完善的MES（Manufacturing Execution System）有助于解決此類問題。

在MES中，條碼對(duì)物料進(jìn)行唯一性標(biāo)識(shí)，建立物料與信息之間的匹配關(guān)系。在成型工序，操作人員在生產(chǎn)計(jì)劃中選擇生產(chǎn)規(guī)格，隨后使用條碼槍掃描半成品物料條碼，系統(tǒng)采集所有半成品的信息，建立起胎坯與半成品的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確保了所有物料準(zhǔn)確無誤[6]。同時(shí)，根據(jù)物料清單中的信息，自動(dòng)計(jì)算出各部件的質(zhì)量并累加，得到胎坯的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量。

在每條胎坯生產(chǎn)完成后，卸胎器自動(dòng)將胎坯放置于胎坯稱量臺(tái)上進(jìn)行稱量，得到胎坯的實(shí)際質(zhì)量[7]。同時(shí)系統(tǒng)將實(shí)際質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)質(zhì)量變化率（%）自動(dòng)判定該胎坯的質(zhì)量等級(jí)，A級(jí)：0～1%；B級(jí)：1%～2%；C級(jí)：2%～3%；D級(jí)：3%以上。

根據(jù)分級(jí)結(jié)果進(jìn)行以下操作：（1）記錄數(shù)據(jù)并顯示在操作界面上，如圖7所示；（2）三色指示燈顯示判定結(jié)果；（3）控制卸胎器，不合格的胎坯無法執(zhí)行卸胎操作；（4）將檢測輪胎條數(shù)、合格率、異常機(jī)臺(tái)與規(guī)格等信息匯總，實(shí)時(shí)推送至終端，如圖8所示。

圖7 成型區(qū)域MES胎坯質(zhì)量顯示界面

圖8 MES胎坯質(zhì)量異常信息推送

使用MES與胎坯稱量設(shè)備實(shí)時(shí)檢測每條胎坯的質(zhì)量，將質(zhì)量等級(jí)判定從檢驗(yàn)工序提前到成型工序，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量異常情況，避免了以往成品檢驗(yàn)滯后性導(dǎo)致的批量不合格品產(chǎn)生。

同時(shí)，儲(chǔ)存在系統(tǒng)中的大量完整的胎坯質(zhì)量數(shù)據(jù)便于各工序追溯，正向追溯可從某種制品或原料追溯到由這些制品或原料生產(chǎn)的輪胎信息，反向追溯可從某種規(guī)格的輪胎追溯到生產(chǎn)此輪胎的人員、機(jī)臺(tái)、物料、工藝信息，為輪胎質(zhì)量變化趨勢分析及后續(xù)提出改進(jìn)方案起到指導(dǎo)作用。

6 其他因素的控制

還有多個(gè)方面的因素會(huì)影響到輪胎質(zhì)量一致性的管控，具體到各個(gè)工序總結(jié)如下。

6.1 密煉工序

（1）盡可能保證原材料的穩(wěn)定性，避免多廠家、零散采購。

（2）確?；鞜捘z的加工工藝和各項(xiàng)指標(biāo)的一致性[8-9]。

（3）按一定比例穩(wěn)定地?fù)接梅祷啬z，對(duì)特殊類型返回膠需建立特定的摻用標(biāo)準(zhǔn)及管理措施。

（4）確保每車混煉膠的出片厚度和寬度均勻。

（5）混煉膠停放時(shí)間控制在合理范圍，避免停放過期。

6.2 擠出壓延工序

（1）完善口型板管理制度，明確新口型板投入使用前的驗(yàn)證程序，建立口型板臺(tái)帳，包括新增、廢棄、定期標(biāo)定記錄；規(guī)定口型板預(yù)熱時(shí)間及更換口型板、預(yù)口型板的操作手法；分別加工口型板，使口型板與膠料相對(duì)應(yīng)。

（2）合理設(shè)計(jì)流道，確保膠料流通順暢，左右出膠一致。

（3）確保勻速喂料，避免堵料、斷料。

（4）減少生產(chǎn)線加速、減速操作，盡量保持勻速生產(chǎn)。

（5）確保生產(chǎn)線各段充分、均勻冷卻，拾取位置不超溫。

（6）避免各生產(chǎn)線物料拾取、卷取過程中的人為拉伸，確保工裝無變形[10]。

（7）保證物料停放過程的環(huán)境溫度和濕度。

6.3 成型工序

（1）確認(rèn)成型機(jī)卷取制品導(dǎo)開、供料架部位的拉伸量。

（2）確認(rèn)成型機(jī)貼合鼓、帶束鼓周長及半成品裁切定長。

（3）規(guī)范半成品換料時(shí)的首件確認(rèn)，禁止使用不合格的、停放時(shí)間不足或超期的半成品。

（4）發(fā)現(xiàn)胎面、胎側(cè)和內(nèi)襯層的料頭、料尾波動(dòng)較大時(shí)，合理?xiàng)売谩?/p>

7 結(jié)論

通過分析輪胎中各部件的質(zhì)量占比發(fā)現(xiàn)，保證胎面、胎側(cè)、內(nèi)襯層和胎體四大部件的穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)輪胎質(zhì)量一致性的關(guān)鍵。通過優(yōu)化胎面擠出生產(chǎn)工藝確保胎面質(zhì)量的穩(wěn)定性；通過調(diào)整胎側(cè)聯(lián)動(dòng)線確保胎側(cè)質(zhì)量的穩(wěn)定性；通過分析在線厚度掃描與米秤質(zhì)量數(shù)據(jù)確保內(nèi)襯層質(zhì)量的穩(wěn)定性；通過調(diào)整四輥軸交叉、增加測厚與自動(dòng)控制設(shè)備確保胎體質(zhì)量的穩(wěn)定性；通過建立MES系統(tǒng)、增加成型胎坯稱量設(shè)備確保胎坯質(zhì)量的穩(wěn)定性。同時(shí)在密煉工序、擠出壓延工序、成型工序涉及到的其他方面做好管控，使得輪胎質(zhì)量一致性得到提高，最終達(dá)到質(zhì)量提升、成本下降的目的。