全钢子午胎胎面挤出形变的研究

沈伟，高栋煜，盛韶祥，陈钢平，李磊，袁明芳

(杭州朝阳橡胶有限公司，浙江 杭州 310018)

随着社会的发展，汽车行驶过程中的安全性、舒适性和经济性越来越受到人们的重视，因此，对轮胎的质量也提出了更高的要求。而在全钢子午线轮胎中，胎面的重量约为20 kg，占整个轮胎重量的三分之一。胎面制品的质量，对整个轮胎的影响非常大。

胎面挤出的收缩形变，直接影响了胎面长度、宽度、厚度的控制精度，进而影响轮胎的质量。如何精确控制胎面各个尺寸，是我们重点研究的方向。为了提高胎面尺寸的稳定性，提高胎面长度、宽度、厚度的CP、CPK值，减少胎面尺寸波动对全钢子午线轮胎均匀性、动平衡检测方面的影响，我们对全钢子午线轮胎的胎面挤出形变过程进行分析，加强生产过程的工艺控制能力。

胎面制品挤出是轮胎生产中的重要工序，其全过程包含：挤出、冷却、裁断、停放等，在此过程中，胎面的形变主要表现为膨胀、收缩。膨胀是指胶料从流道、口型挤出后，胎面的截面尺寸较口型尺寸增大的现象，收缩是指挤出的半成品在停放过程发生长度收缩、宽度及厚度增大的现象。

膨胀与收缩的实质相同，都是由于黏弹性的胶料在加工过程中，发生不可逆的塑性形变，与可逆的弹性形变。挤出过程中，胶料在机头内流动，口型内表面与胶料的剪切、摩擦对胶料的流动造成很大阻力，使得胶料产生形变，此形变既有塑性形变又有弹性形变。当胶料在离开口型后弹性恢复，出现膨胀现象。但在恢复过程中，由于分子链受到本身黏滞作用，在冷却停放的较长时间内仍在进行弹性恢复，从而出现收缩现象[1]。

影响膨胀比、收缩率的主要因素有：胶料物性（相对分子质量及其分布、配方）、工艺因素（胶料温度、剪切速率、冷却工艺）、口型尺寸（口型长径比、口型入口角）、挤出联动生产线及环境因素[2～6]。

1 分析胎面挤出速度对膨胀因数的影响

以315/80R22.5-18PR-CM958的胎面为例，分别调整生产线速度为14.3 m/min、11.2 m/min、9.4 m/min，同时250 mm螺杆、200 mm螺杆相应调整，使制品无拉伸，测量胎面的总宽、肩宽、中厚、肩厚（所有尺寸均为停放2 h后由断面扫描仪测量），如表1所示。

膨胀因数=制品尺寸/口型尺寸。

表1 胎面挤出速度对膨胀因数的影响

数据表明：在其他工艺条件不变的情况下，生产线速度变快，总宽、肩宽、中厚、肩厚的膨胀因素均有变大的趋势。说明膨胀因数随剪切速率的增大而增大，且在发生熔体破裂剪切速率前出现极大值。剪切速率较大时，缩短了熔体弹性能在口模中的松弛时间，同时，剪切速率增大导致的温度升高也是膨胀因数增大的重要影响因素。膨胀因数依赖于聚合物的黏弹性，且黏度即是温度的函数，温度对膨胀因数的影响很大。

2 分析不同强制收缩率对胎面长度收缩量的影响

在挤出速度设置为14.5 m/min的情况下，通过调整收缩辊道的牵引速度比值，设置三组不同的强制收缩率，分别为A组：3%、4%、5%；B组：5%、7%、9%；C组：7%、10%、11%；其中C组的设置可保证胎面在生产线上充分收缩。测量生产线各段的速度，如表2所示。

表2 生产线各段速度 m/min

胎面挤出后以500 mm作标记，测量各个位置的长度，如表3所示。

表3 生产线各位置的长度及变化量 mm

测量并计算A、B、C三组胎面停放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

数据表明：胎面在挤出后，前期收缩大，随着时间推移，收缩变形逐步减慢。在停放24 h后仍然存在少量收缩。生产线强制收缩段的收缩率越大，在停放过程中的收缩量就越小，长度波动也越小，CP、CPK值越大。说明在生产过程中尽可能的消除胎面内应力有利于制品稳定性，有利于成型工序的使用。

3 分析胎面停放过程中的收缩情况

测量胎面挤出口型时的温度在120 ℃左右，裁切后拾取时工艺要求在45 ℃以下，停放2 h后冷却至室温，约为20 ℃。

则T0=393 K，T=293 K，LT0=3 260 mm，橡胶的线膨胀系数β约为10-4/K,

胎面长度的热收缩量为ΔL=LT0β（T0-T1）

=3 260 mm×10-4/K×(393K-293K)

=32.6 mm（即1%）

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

以12R22.5-18PR-AS578的胎面为例，在胎面摆放于百叶车停放2 h后，将胎面抬起，测量其长度变化量。变化量如表5所示。

表5 胎面从百叶车抬起后的变化量 mm

数据表明：理论计算胎面在裁切后由于温度降低引起的长度收缩就有8.15 mm，再加上弹性形变的恢复，总的收缩会更大。在实际测量中，胎面摆放于百页车上，受到摩擦力的影响，无法充分收缩。而在胎面被抬起后，摩擦力消失，胎面会迅速收缩9.8 mm左右。

4 分析生产线上塑料纸贴合对胎面长度收缩量的影响

胎面在生产时，存在贴塑料纸（胎面挤出后贴上塑料纸，生产线上不撕，直到成型使用时才撕）和撕塑料纸（胎面挤出后贴上塑料纸，经过冷却，在摆放前撕掉）两种情况。

以12R22.5-18PR-AS578的胎面为例，进行贴塑料纸和撕塑料纸的胎面长度变化对比，塑料纸宽度为210 mm，厚度为0.08 mm。详见图6和图7。

表6 贴塑料纸胎面长度变化 mm

表7 撕塑料纸胎面长度变化 mm

数据表明：贴塑料纸的胎面，在百叶车上停放过程中，塑料纸的张力会限制胎面的收缩，收缩量更小，为9.3 mm；而撕塑料纸的胎面，没有受到塑料纸张力的限制，收缩量更大，为15.7 mm。因此，针对胎面生产时是否撕塑料纸，裁切时需要考虑预留相应的长度。

5 分析手动摆放与自动摆放对胎面长度的影响

胎面在生产时，存在人工手动摆放和机械臂自动摆放两种情况。以12R22.5-18PR-AS578的胎面为例，进行人工手动摆放和机械臂自动摆放的胎面长度变化对比，将胎面摆放于百叶车停放2 h后进行测量。结果如图8所示。

数据表明：手动摆放过程存在拉伸现象，且每一条的拉伸程度不一致，导致胎面长度变化太大，不利于保持胎面长度的稳定性与轮胎质量的稳定性。

6 结论

胎面挤出的全过程包含挤出、冷却、裁断、停放等，在此过程中，胎面的形变主要表现为膨胀、收缩。都是由于黏弹性的胶料在加工过程中，发生不可逆的塑性形变，与可逆的弹性形变。胎面在挤出过程中，膨胀因数（膨胀因数=制品尺寸/口型尺寸）随剪切速率的增大而增大，即生产线速度越快，制品尺寸越大。生产线强制收缩段的收缩率越大，即尽量消除胎面挤出过程中的内应力，在停放过程中的收缩量就越小，长度波动也越小，CP、CPK值越大，有利于制品稳定性。胎面摆放于百页车上时受到摩擦力的影响无法充分收缩，在胎面被抬起后会迅速收缩。贴塑料纸的胎面，在停放过程中收缩量更小，而撕塑料纸的胎面，没有受到塑料纸张力的限制，收缩量更大。使用机械臂自动摆放设备，更有利于保持胎面长度的稳定性。

表8 手动摆放与自动摆放的胎面长度 mm

通过以上研究，我们找到了几个影响胎面制品尺寸的重要影响因素，对制品尺寸的变化有了更深刻的理解。我们将其用于实际生产中，使胎面尺寸不合格问题明显减少，胎面制品的返回胶大幅降低，最终提升了制品质量，降低了生产成本。