輪胎胎側斷差的成因和控制方法

朱憲磊，廖建忠

[華澳輪胎設備科技（蘇州）股份有限公司，江蘇 蘇州 215126]

輪胎的實際生產過程中，由于活絡模模具分型面的存在導致成品輪胎胎側出現臺階（見圖1），輪胎兩側的臺階高度一般不相同，同側的臺階高度也不相同。輪胎兩側臺階之間的高度差會對輪胎的動態(tài)和靜態(tài)性能產生較大影響，同時也影響輪胎的外觀，因此要對臺階高度差進行控制。輪胎兩側臺階高度差的最大值稱為斷差，一般要控制在1.0 mm以內，同側斷差要控制在2.0 mm以內。

圖1 輪胎外側臺階

本文以輪胎硫化機和活絡模模具作為研究對象，分析胎側斷差的成因和影響因素，并提出控制方法。

1 斷差成因分析

采用活絡模硫化工藝時的鎖模硫化狀態(tài)下上加壓式硫化機和模具組合結構見圖2，上胎側部位的局部放大如圖3所示。

圖3中D的差異是斷差的主要來源，D由上模的軸向錯位滑動量產生。模具中上環(huán)頂壓著上模，在實際生產過程中，鎖模硫化階段填充氮氣時經?？梢杂^察到上環(huán)位置位移傳感器的數字變化，表示上模發(fā)生了軸向錯位滑動。寬度為t1和t2的2個間隙是引起軸向錯位滑動的主要因素。

圖3 上胎側部位的局部放大

t1是T型塊與上壓板之間的間隙寬度，剖面見圖4。目前，t1在模具調整工作中沒有得到嚴格的控制，工廠中約有一半模具的t1大于1.0 mm，t1設置偏大是為了避免多個螺釘受力不均勻帶來的損壞。

圖4 T型塊與上壓板間隙剖面示意

t2是上加熱板與上壓板之間的間隙寬度。在生產過程中，冷模態(tài)的t2是要求控制的，各輪胎工廠在實踐基礎上都有統(tǒng)一的規(guī)范，但執(zhí)行中最可能存在的問題是4個方位t2的平均值合格，但各個方位t2的差別較大。經過實際測量發(fā)現，加熱后的模具在不加壓鎖模的自由狀態(tài)下，t2會增大0.4～0.5 mm。若模具上壓板的厚度較小，在內壓和高溫的作用下會產生永久的中間上拱變形，中間部分的t2會變小，甚至變?yōu)?（見圖5）[1-3]。

圖5 模具上壓板中間變形

為了減少模殼規(guī)格，一般工廠都是多種模具共用一種模殼，上模通過定位環(huán)與花紋塊定位，若定位環(huán)與弓形板的高度不同時會產生軸向寬度為t3的間隙（如圖6所示）。當螺釘未擰緊時，t3較大；當螺釘完全擰緊時，上胎側出現臺階。

圖6 軸向間隙示意

2 斷差的影響因素

2.1 彈性變形量

不同的硫化機機型、模具尺寸和鎖模力會造成橫梁或托板的彎曲彈性變形，t2也會隨之變化。2 000 kN上加壓式和下加壓式半鋼硫化機的彈性變形線如圖7所示。下加壓式硫化機加載鎖模后上托板位置不動，上托板和下托板變形線是下凹的，t2減小0.1～0.2 mm，有利于減小斷差[4-6]。上加壓式硫化機加載鎖模后底座不動，橫梁與底座的變形線是上凸的，t2增大0.1～0.2 mm，不利于減小斷差。綜上所述，采用同一套模具時，不同的硫化機機型導致的斷差可能出現0.2～0.4 mm的差異。

圖7 半鋼硫化機的彈性變形示意

2.2 滑動動力

采用上加壓式硫化機硫化時發(fā)生滑動的最大動力是內壓力，鎖模后內壓力不斷增大，通過膠囊、上環(huán)向上作用于上模。內壓力產生的上頂力（Fd）的計算公式為

式中，D1為上模/花紋塊分型面直徑，Pi為膠囊內壓力，FTB為上環(huán)油缸背壓力。

根據式（1），以上加壓式硫化機生產265/45R21半鋼輪胎為例，D1為682 mm，不同階段的Fd差異較大：合模到活絡塊接觸下模的最后階段，膠囊內有定型氮氣，Pi沖擊值可達到0.12 MPa，FTB約為30 kN，Fd約為74 kN；高壓蒸汽進入膠囊階段，Pi約為1.5 MPa，Fd約為548 kN；氮氣進入膠囊階段，Pi提高到約2.1 MPa，Fd約為767 kN。

2.3 滑動阻力

2.3.1 抱緊力

以265/45R21半鋼輪胎為例，合模時，由于弓型板與模殼之間存在傾斜角度為15°的滑動斜面，橫梁、上熱板通過模殼傳遞給花紋塊的鎖模力成倍增加，若不計滑動面的摩擦，簡化計算增力比可達3.7。在鎖模力作用下，花紋塊互相切向壓緊的同時還要徑向抱緊上、下模，從而產生軸向摩擦力，即抱緊力（Fb），這是阻止模具軸向錯位滑動的主要阻力（如圖8所示）。假設鎖模力為1 000 kN，產生的夾緊力中有20%用于花紋塊相互壓緊，70%用于抱緊上模，則Fb＝1 000×3.7×0.7＝2 590（kN）。

圖8 Fb示意

實際生產過程中Fb的值會小于理論值。第1個原因是模具的精度不夠，調查發(fā)現，在模具自重閉合狀態(tài)下，用塞尺檢查花紋塊與上模的分型面會發(fā)現局部間隙，間隙會導致切向能完全壓緊，沒有飛邊出現，而圓周不能均勻抱緊，局部或整周都出現飛邊。硫化結束后，分型面上會殘存膠料（見圖9），這也說明分型面上存在間隙。若整周都出現附著的膠料，說明花紋塊對上、下模沒有產生Fb。

圖9 分型面殘存膠料

第2個導致Fb不足的原因是內壓力分解，由于花紋塊是多瓣結構，內壓力除了作用于上模，也會產生使花紋塊徑向張開的力（Fz）（如圖10所示），這會抵消部分Fb，內壓越高，Fb越小，Fz的簡化計算公式為

圖10 Fz示意

式中，w是輪胎寬度，di是輪胎內直徑。

仍以265/45R21半鋼輪胎為例，w為265 mm，輪胎外直徑為747 mm，di為712 mm，Pi為2.1 MPa時，Fb理論值為2 590 kN，由公式（2）計算可得，Fz約為1 244 kN，此時剩余抱緊力Fb′＝Fb－Fz＝1 346 kN。

Fb′產生軸 向 的 摩 擦 力（M），鋁 質 花 紋塊與上、下模之間的鋼-鋁摩擦因數為0.17，M＝1 346×0.17≈229（kN）。

再假設花紋塊對上模和下模的Fb相同，則花紋塊對上模的抱緊力為Fb的50%，與Fd差距很大。

2.3.2 活絡模驅動油缸（氣缸）背壓的作用

活絡模缸上腔的油（氣）壓在合模階段以背壓力的形式保持，在進入硫化階段后背壓還會保留幾分鐘。背壓力作用于上壓板，也會阻止上模發(fā)生軸向錯位滑動，壓力范圍一般為60～80 kN，在采用二級活絡模背壓的系統(tǒng)中，在合模末段壓力會再次降低約50%。

2.4 不同硫化階段滑動動力和阻力變化

（1）上模接觸上環(huán)后的合模階段。此時t1仍保持最大，花紋塊尚未抱緊上模，阻力只有活絡模驅動油（氣）缸的背壓力，為防止回縮，背壓力不能設定得太低。由于氣體的可壓縮性大于油液，在合模速度較高時無法產生較大的沖擊背壓力，更加容易回縮，因此不主張采用氣缸作為活絡模驅動。

（2）活絡塊接觸下模后的合模階段。此時活絡模油（氣）缸背壓力已經轉換為較低的二級壓力，定型氮氣壓力還在提高。作用于上模的上頂力（Fd1）＝內壓力＋上環(huán)背壓力＋生胎的變形抗力，此時Fd1小于活絡模油（氣）缸背壓力；下模作用于花紋塊的上頂力（Fd2）要大于Fd1，迅速減小t1，花紋塊推著上模，迫使活絡模油（氣）缸回縮；如果二級背壓力偏小，在Fd1的作用下，上模比花紋塊的移動速度快，無法迅速減小t1，完全閉合后可能產生較大的臺階。

（3）鎖模硫化階段。在這一階段高壓蒸汽或氮氣進入膠囊，Fb與Fd相差較大，甚至不在一個量級，無法阻止上模發(fā)生向上的錯位滑動。此階段為避免間隙進一步增大，需保證足夠的鎖模力。對于上加壓式硫化機，下模位置保持不動，當鎖模力不足時，在內壓力的作用下，中間部分的上模產生較大的軸向臺階（D較大），花紋塊稍張開且向上滑動，花紋塊與下模之間產生較小的軸向臺階（D′較?。?，如圖11所示，同時鎖模系統(tǒng)的液壓壓力升高形成新的平衡，模具不再張開。這就是上加壓式硫化機下側臺階較小的原因。相反，下加壓式硫化機的上側臺階較小，且兩側臺階的尺寸較接近。

圖11 上、下模軸向錯位示意

3 斷差的控制方法

3.1 控制滑動空間

在既定工藝下無法改變動力，但在合模階段動力較小，可以利用合理的背壓力抵消內壓力。在鎖模硫化階段動力較大，抱緊力不足，只有控制軸向錯位滑動寬度（t1，t2和t3）來減小斷差，此方法在整個硫化過程中有效。

實際生產過程中，t1較難改變，因此一般不針對t1采取措施。可以通過在連接環(huán)與模殼之間和上壓板與上模之間增加或減少環(huán)形墊片（見圖12）來控制t2，如圖13所示，墊片的厚度一般為0.3～0.5 mm。

圖12 環(huán)形墊片

圖13 環(huán)形墊片放置位置示意

若t2太小，上壓板在鎖模的過程中頂住熱板，作用于四周的鎖模力減小，無法完全通過15°斜面作用于花紋塊，既無法保證花紋塊與上、下模徑向抱緊，也無法保證花紋塊之間切向壓緊，成品輪胎會產生徑向或軸向的飛邊。若在冷模狀態(tài)下將t2調整到0.6～0.8 mm，斷差就能控制在1 mm以內，若要進一步解決輪胎飛邊的問題則需提高模具的精度。間隙t3是一個非常容易被忽視的細節(jié)，由此造成的廢棄輪胎很多，在安裝上壓板時就要測量，若t3過大，可以在連接環(huán)與模殼之間增加環(huán)形墊片，使t2與t3之和保持在0.6～0.8 mm。

3.2 改進測量手段

輪胎的外表較軟，且臺階高度較小，采用普通鋼直尺[見圖14（a）]測量時在1.0 mm附近容易產生測量誤差，誤差值為±0.2 mm。采用臺階長度為0.5 mm的臺階尺[見圖14（b）]測量可以達到0.2 mm的精度，同時增加了定位長度，保證了定位準確性，可避免分歧和誤判。

圖14 臺階測量方法

4 結論

（1）輪胎出現斷差的主要原因是模具結構內部的3處間隙沒有得到很好的控制，可以通過放置環(huán)形墊片來控制間隙，從而減小斷差。

（2）在合模階段，保持合適的活絡模背壓，可避免胎側在模具還未閉合時產生臺階。

（3）測量臺階高度時采用臺階尺代替鋼直尺可有效減小誤差。