轮胎胎侧断差的成因和控制方法

2023-02-21朱宪磊廖建忠

轮胎工业 2023年2期

朱宪磊，廖建忠

[华澳轮胎设备科技（苏州）股份有限公司，江苏苏州 215126]

轮胎的实际生产过程中，由于活络模模具分型面的存在导致成品轮胎胎侧出现台阶（见图1），轮胎两侧的台阶高度一般不相同，同侧的台阶高度也不相同。轮胎两侧台阶之间的高度差会对轮胎的动态和静态性能产生较大影响，同时也影响轮胎的外观，因此要对台阶高度差进行控制。轮胎两侧台阶高度差的最大值称为断差，一般要控制在1.0 mm以内，同侧断差要控制在2.0 mm以内。

图1 轮胎外侧台阶

本文以轮胎硫化机和活络模模具作为研究对象，分析胎侧断差的成因和影响因素，并提出控制方法。

1 断差成因分析

采用活络模硫化工艺时的锁模硫化状态下上加压式硫化机和模具组合结构见图2，上胎侧部位的局部放大如图3所示。

图3中D的差异是断差的主要来源，D由上模的轴向错位滑动量产生。模具中上环顶压着上模，在实际生产过程中，锁模硫化阶段填充氮气时经常可以观察到上环位置位移传感器的数字变化，表示上模发生了轴向错位滑动。宽度为t1和t2的2个间隙是引起轴向错位滑动的主要因素。

图3 上胎侧部位的局部放大

t1是T型块与上压板之间的间隙宽度，剖面见图4。目前，t1在模具调整工作中没有得到严格的控制，工厂中约有一半模具的t1大于1.0 mm，t1设置偏大是为了避免多个螺钉受力不均匀带来的损坏。

图4 T型块与上压板间隙剖面示意

t2是上加热板与上压板之间的间隙宽度。在生产过程中，冷模态的t2是要求控制的，各轮胎工厂在实践基础上都有统一的规范，但执行中最可能存在的问题是4个方位t2的平均值合格，但各个方位t2的差别较大。经过实际测量发现，加热后的模具在不加压锁模的自由状态下，t2会增大0.4～0.5 mm。若模具上压板的厚度较小，在内压和高温的作用下会产生永久的中间上拱变形，中间部分的t2会变小，甚至变为0（见图5）[1-3]。

图5 模具上压板中间变形

为了减少模壳规格，一般工厂都是多种模具共用一种模壳，上模通过定位环与花纹块定位，若定位环与弓形板的高度不同时会产生轴向宽度为t3的间隙（如图6所示）。当螺钉未拧紧时，t3较大；当螺钉完全拧紧时，上胎侧出现台阶。

图6 轴向间隙示意

2 断差的影响因素

2.1 弹性变形量

不同的硫化机机型、模具尺寸和锁模力会造成横梁或托板的弯曲弹性变形，t2也会随之变化。2 000 kN上加压式和下加压式半钢硫化机的弹性变形线如图7所示。下加压式硫化机加载锁模后上托板位置不动，上托板和下托板变形线是下凹的，t2减小0.1～0.2 mm，有利于减小断差[4-6]。上加压式硫化机加载锁模后底座不动，横梁与底座的变形线是上凸的，t2增大0.1～0.2 mm，不利于减小断差。综上所述，采用同一套模具时，不同的硫化机机型导致的断差可能出现0.2～0.4 mm的差异。

图7 半钢硫化机的弹性变形示意

2.2 滑动动力

采用上加压式硫化机硫化时发生滑动的最大动力是内压力，锁模后内压力不断增大，通过胶囊、上环向上作用于上模。内压力产生的上顶力（Fd）的计算公式为

式中，D1为上模/花纹块分型面直径，Pi为胶囊内压力，FTB为上环油缸背压力。

根据式（1），以上加压式硫化机生产265/45R21半钢轮胎为例，D1为682 mm，不同阶段的Fd差异较大：合模到活络块接触下模的最后阶段，胶囊内有定型氮气，Pi冲击值可达到0.12 MPa，FTB约为30 kN，Fd约为74 kN；高压蒸汽进入胶囊阶段，Pi约为1.5 MPa，Fd约为548 kN；氮气进入胶囊阶段，Pi提高到约2.1 MPa，Fd约为767 kN。

2.3 滑动阻力

2.3.1 抱紧力

以265/45R21半钢轮胎为例，合模时，由于弓型板与模壳之间存在倾斜角度为15°的滑动斜面，横梁、上热板通过模壳传递给花纹块的锁模力成倍增加，若不计滑动面的摩擦，简化计算增力比可达3.7。在锁模力作用下，花纹块互相切向压紧的同时还要径向抱紧上、下模，从而产生轴向摩擦力，即抱紧力（Fb），这是阻止模具轴向错位滑动的主要阻力（如图8所示）。假设锁模力为1 000 kN，产生的夹紧力中有20%用于花纹块相互压紧，70%用于抱紧上模，则Fb＝1 000×3.7×0.7＝2 590（kN）。

图8 Fb示意

实际生产过程中Fb的值会小于理论值。第1个原因是模具的精度不够，调查发现，在模具自重闭合状态下，用塞尺检查花纹块与上模的分型面会发现局部间隙，间隙会导致切向能完全压紧，没有飞边出现，而圆周不能均匀抱紧，局部或整周都出现飞边。硫化结束后，分型面上会残存胶料（见图9），这也说明分型面上存在间隙。若整周都出现附着的胶料，说明花纹块对上、下模没有产生Fb。

图9 分型面残存胶料

第2个导致Fb不足的原因是内压力分解，由于花纹块是多瓣结构，内压力除了作用于上模，也会产生使花纹块径向张开的力（Fz）（如图10所示），这会抵消部分Fb，内压越高，Fb越小，Fz的简化计算公式为

图10 Fz示意

式中，w是轮胎宽度，di是轮胎内直径。

仍以265/45R21半钢轮胎为例，w为265 mm，轮胎外直径为747 mm，di为712 mm，Pi为2.1 MPa时，Fb理论值为2 590 kN，由公式（2）计算可得，Fz约为1 244 kN，此时剩余抱紧力Fb′＝Fb－Fz＝1 346 kN。

Fb′产生轴向的摩擦力（M），铝质花纹块与上、下模之间的钢-铝摩擦因数为0.17，M＝1 346×0.17≈229（kN）。

再假设花纹块对上模和下模的Fb相同，则花纹块对上模的抱紧力为Fb的50%，与Fd差距很大。

2.3.2 活络模驱动油缸（气缸）背压的作用

活络模缸上腔的油（气）压在合模阶段以背压力的形式保持，在进入硫化阶段后背压还会保留几分钟。背压力作用于上压板，也会阻止上模发生轴向错位滑动，压力范围一般为60～80 kN，在采用二级活络模背压的系统中，在合模末段压力会再次降低约50%。

2.4 不同硫化阶段滑动动力和阻力变化

（1）上模接触上环后的合模阶段。此时t1仍保持最大，花纹块尚未抱紧上模，阻力只有活络模驱动油（气）缸的背压力，为防止回缩，背压力不能设定得太低。由于气体的可压缩性大于油液，在合模速度较高时无法产生较大的冲击背压力，更加容易回缩，因此不主张采用气缸作为活络模驱动。

（2）活络块接触下模后的合模阶段。此时活络模油（气）缸背压力已经转换为较低的二级压力，定型氮气压力还在提高。作用于上模的上顶力（Fd1）＝内压力＋上环背压力＋生胎的变形抗力，此时Fd1小于活络模油（气）缸背压力；下模作用于花纹块的上顶力（Fd2）要大于Fd1，迅速减小t1，花纹块推着上模，迫使活络模油（气）缸回缩；如果二级背压力偏小，在Fd1的作用下，上模比花纹块的移动速度快，无法迅速减小t1，完全闭合后可能产生较大的台阶。

（3）锁模硫化阶段。在这一阶段高压蒸汽或氮气进入胶囊，Fb与Fd相差较大，甚至不在一个量级，无法阻止上模发生向上的错位滑动。此阶段为避免间隙进一步增大，需保证足够的锁模力。对于上加压式硫化机，下模位置保持不动，当锁模力不足时，在内压力的作用下，中间部分的上模产生较大的轴向台阶（D较大），花纹块稍张开且向上滑动，花纹块与下模之间产生较小的轴向台阶（D′较小），如图11所示，同时锁模系统的液压压力升高形成新的平衡，模具不再张开。这就是上加压式硫化机下侧台阶较小的原因。相反，下加压式硫化机的上侧台阶较小，且两侧台阶的尺寸较接近。

图11 上、下模轴向错位示意

3 断差的控制方法

3.1 控制滑动空间

在既定工艺下无法改变动力，但在合模阶段动力较小，可以利用合理的背压力抵消内压力。在锁模硫化阶段动力较大，抱紧力不足，只有控制轴向错位滑动宽度（t1，t2和t3）来减小断差，此方法在整个硫化过程中有效。

实际生产过程中，t1较难改变，因此一般不针对t1采取措施。可以通过在连接环与模壳之间和上压板与上模之间增加或减少环形垫片（见图12）来控制t2，如图13所示，垫片的厚度一般为0.3～0.5 mm。

图12 环形垫片

图13 环形垫片放置位置示意

若t2太小，上压板在锁模的过程中顶住热板，作用于四周的锁模力减小，无法完全通过15°斜面作用于花纹块，既无法保证花纹块与上、下模径向抱紧，也无法保证花纹块之间切向压紧，成品轮胎会产生径向或轴向的飞边。若在冷模状态下将t2调整到0.6～0.8 mm，断差就能控制在1 mm以内，若要进一步解决轮胎飞边的问题则需提高模具的精度。间隙t3是一个非常容易被忽视的细节，由此造成的废弃轮胎很多，在安装上压板时就要测量，若t3过大，可以在连接环与模壳之间增加环形垫片，使t2与t3之和保持在0.6～0.8 mm。