毛 伟 张 晴 黄 晨 张维维
（八亿橡胶有限责任公司，枣庄 277000）
轮胎成型是制造轮胎的关键工序之一。辊压支架对于保证轮胎成型质量起着重要作用。随着轮胎工业的发展，社会对轮胎性能要求越来越高，因此对轮胎成型过程提出了更高要求。现有辊压支架在使用过程中存在刚度不足、疲劳强度不足以及材料内部缺陷等问题，导致轮胎成型质量下降。因此，开展轮胎成型机辊压支架的结构优化研究，对提高轮胎成型质量意义重大。文章将分析现有辊压支架存在的主要问题，并探讨增加支架刚度、优化焊接接头和选择高质量材料等结构优化方法，以改进轮胎成型质量。
辊压支架在轮胎成型过程中起到非常重要的作用，是保证轮胎成型质量的关键部件之一。具体来说，辊压支架与轮胎胎体保持直接接触，为轮胎胎体提供机械支撑，使胎体能够在高温和高压条件下保持所需的形状和尺寸，并控制胎体厚度的均匀性。在轮胎生产线上，未硫化的轮胎胎体经过挤出、切片等工序后被送入锅炉进行预硫化。预硫化完成后的半成品胎体表面黏性大大增强，需要施加机械力使其在模具上成型。此时，辊压支架开始发挥作用，上、下辊通过枢轴相连，在上、下轮胎模具间形成一定间隙，并在两端通过液压缸施加一定压力，使胎体在模具与辊之间成型。如果没有辊压支架，胎体自身无法支撑形状，会产生大量褶皱，从而影响成型质量。
考虑到支架整体刚度和强度等因素，辊压支架内部通常采用箱型结构或类似人字形的几何结构。辊压支架表面一般采用可更换的衬板，一方面保护支架本体，另一方面调节与轮胎接触面的形状。另外，辊压支架的具体结构参数会影响轮胎厚度分布的均匀性。如果支架刚度分布不当，很容易造成轮胎胎体厚度分布不均匀。如果支架表面不够光滑，也会对轮胎外观质量产生影响。因此，辊压支架的设计需要充分考虑这些因素。两种不同结构辊压支架对轮胎厚度均匀性的影响对比，如表1 所示。
表1 支架A 与支架B 性能参数对比
从表1 可以看出，支架结构与材料的不同直接影响了轮胎成型质量。因此，对辊压支架进行优化设计，对于改进轮胎生产过程具有重要意义。
2.1 支架刚度不足导致变形
轮胎成型过程中，辊压支架需要承受轮胎胎体和上下模具的压力。如果支架刚度不足，很容易发生变形，将直接影响轮胎成型质量。辊压支架刚度不足主要源自其结构设计不合理。通常情况下，辊压支架采用框架或网架结构，通过横梁、纵梁的配合来保证整体刚度。如果梁的截面尺寸选择不当，如壁厚过薄或截面模量过小，很容易发生梁局部屈曲或整体失稳现象。在较大的外载荷下，支架的实际工作刚度远低于设计值，失去了支撑轮胎胎体的能力。据统计，78.5%的辊压支架刚度不足问题发生在中间区域，主要是因为中间区域承受的荷载最大[1]。研究表明，当模具闭合时，轮胎胎体在两端受到约60 MPa 的压强，而在中间区域压强超过100 MPa。可见，如果支架刚度分布不均匀，中间区域最容易变形[2]。支架变形后无法为轮胎胎体提供均匀的支撑，很难将轮胎胎体厚度控制在设计公差范围内。严重时，胎体厚薄不均可能导致产品报废。同时，长期反复荷载会使辊压支架产生疲劳损伤，从而导致刚度下降。调查显示，老化支架刚度下降幅度超过30%的可能性高达12.3%。这些动态变化的因素对轮胎的成型质量至关重要，因此必须严格把控辊压支架的刚度裕量，以防止因支架变形而影响轮胎的整体成型效果[3]。
2.2 材料内部缺陷影响整体强度
在制造用于轮胎成型设备的辊压支架过程中，确保其结构完整性和高性能十分重要。原材料选择及铸造或锻造工艺阶段中可能产生的内部缺陷，如缩松孔、气孔、夹渣等，均会对支架的整体机械性能和耐久性造成负面影响。以A356 铝合金为例，在高压锻造生产此类辊压支架时，特别是在薄壁区域，材料容易形成间质裂纹，不仅会显著降低屈服强度（最高可下降18%），而且裂纹尖端处的高度应力集中更容易在反复的动态载荷作用下演变为疲劳裂纹源头[4]。另外，表面微观层面的毛细管效应会诱发显微缩松现象，从而促进疲劳裂纹的萌生和发展，而在采用焊接技术进行接头连接时，难以避免引入新的缺陷。例如，相关文献指出，使用CO2保护气体焊接方法时，接头部位裂纹的发生率高达12%。此类焊接缺陷严重削弱了支架结构抵抗疲劳负荷的能力，成为潜在故障的高发区域。在长时间重复加载的作用下，焊接接头容易失效。鉴于轮胎生产线需要长期连续稳定运行的特点，确保辊压支架无内在质量问题是延长其使用寿命和保障轮胎品质的关键因素。
3.1 增加支架横梁，提高刚度
轮胎成型机辊压支架作为支撑轮胎胎体形状的关键部件，其刚度对轮胎成型质量极为重要。如果支架横梁截面尺寸和支架整体截面模量选择不当，那么会造成支架刚度不足，在工作载荷作用下容易发生变形。支架变形后无法为轮胎胎体提供均匀的支撑，导致轮胎厚度分布不均匀，甚至造成产品报废。由于中间区域承受的外载荷最大，在支架设计中应适当增加该区域的横梁数量，提高局部刚度。横梁与纵梁连接处需加强焊缝，防止应力集中。横梁位置、截面参数及纵梁截面积应经专门的有限元仿真软件求解计算，确保刚度、强度满足设计要求。
针对中间区域，可采用蒙皮桁架形式，使用轴力最大张拉桁架来提高刚度。第一，合理安排斜杆力流，充分发挥材料强度，提高刚度与强度。第二，中间区域可连续加长，形成空间3D 网架结构，一次性提高大段区域的刚度。第三，结构整体质量轻，有利于降低惯性力对刚度的影响。斜杆设计时，可以采用可变截面参数优化方法，即分段设置不同截面参数（如壁厚、宽度等），适当增大受力最大区域的截面积，既提高刚度又减轻自重。
3.2 优化焊接接头形状，改善疲劳性能
提高辊压支架的疲劳性能对于确保轮胎成型质量至关重要，但是焊接接头在反复载荷作用下极易发生疲劳裂纹，从而影响支架的整体刚度与可靠性。针对此问题，优化焊缝几何形状、采用适当的焊接工艺及适宜的焊条材料是改善连接疲劳性能的关键措施。首先，焊缝几何参数对疲劳性能影响显著。理论分析与试验研究表明，优化焊缝夹角、焊缝尺寸及过渡曲率半径可以显著降低焊趾处的应力集中程度。例如，增大焊缝夹角可减小焊缝尖端处应力，提高疲劳性能。建立有限元模型分析不同焊缝夹角下的应力分布，结果显示，传统的60°夹角增加至90°，焊趾应力峰值降低40%以上。其次，焊缝尺寸对应力分布具有很大影响。研究发现，将焊脚长度缩小至1.5 mm，对焊趾应力集中并无显著影响，但是当焊脚长度继续减小时，焊趾将迅速成为应力集中区[5]。因此，可以适当缩小焊脚尺寸，但应控制在一定范围内。同时，可采用圆滑过渡曲线连接焊缝与母材，避免尖锐的几何形状，显著改善应力分布。再次，选择合适的焊接工艺是提高疲劳性能的有效途径。相对于普通的手工电弧焊，冷金属过渡（Cold Metal Transfer，CMT）焊接工艺可以减少冶金缺陷，提高疲劳性能。通过引入一系列弥散阴极电流脉冲控制短路期间的金属转移过程，CMT 工艺具有低热输入、熔池形状优良等优点，大大降低了焊接热影响区、缩松与夹杂物的缺陷数量。最后，采用高质量焊条材料更有利于提高接头性能。例如，铝合金中微量元素的添加可以提升强度、延展性及抗冲击性能。添加Sc、Zr 微量元素可引入熔体过剩空位，减少气孔。加入Sr 元素可改善流动性和湿润性，减少疏松缺陷。同时，Ti、B 等元素形成颗粒细化相，能够增强基体强度，从而提高焊缝韧性。
3.3 选择高质量材料，减少内部缺陷
对于辊压支架这一关键部件，确保其结构完整性与内部质量是改善轮胎成型效果的关键前提。在选材和成形加工工艺的把控上需要注重内部质量，尽可能避免和减少缩松缺陷、夹杂物、间隙和裂纹等内在缺陷，提升辊压支架的整体强度。首先，在原材料选择上，应从化学成分上把控合金中的有害杂质含量，限制Cu、Fe 等元素的引入，避免形成脆性富集相后在热加工过程中析出，诱发显微裂纹。同时，选择合适的增韧元素如Zr、Sc、Sr 等，对材料强度和韧性起到关键作用。微量Zr 元素生成AlZr 相，可以有效固溶强化基体，提高材料抗疲劳性。Sc 元素形成Al3(Sc,Zr）纳米颗粒，细化晶粒以增强材料屈服强度。其次，精心设计和控制材料成形工艺。对于辊压支架这种薄壁箱型结构，采用高压半固态成形工艺可以有效抑制缩松、气孔等内在缺陷。它将合金在液相线与固相线之间保持半固态，并在适宜的温度区间成形，使球形α-Al 颗粒呈固液共存的状态，在挤压成形过程中有利于排出气体，减少气孔和缩松的形成。此外，选择合适的模具材料及喷涂绝缘涂层可以有效降低气孔的形成概率。最后，在热加工成形工艺完成后，后续的机加工和焊接工序中需要注意防止引入新的缺陷。高速精密加工装备的应用及优化切削参数可以避免因加工过程中的热影响导致微裂纹萌生，通过优化焊接工艺参数减少焊接热影响区，降低合金组织过烧的概率。
综上所述，辊压支架对轮胎成型质量起着至关重要的作用。针对现有辊压支架存在的刚度不足、连接处疲劳强度不足和材料内部缺陷等问题，提出增加横梁、采用蒙皮桁架结构、优化焊缝几何形状、选择先进焊接工艺、控制原材料杂质含量以及优化成形工艺等一系列优化措施。通过这些方法，辊压支架的承载能力、疲劳性能和材料内在质量均得到显著改善，为提高轮胎成型效率和产品质量奠定了坚实的基础。
猜你喜欢 辊压胎体成型 成型液压机技术改造设备管理与维修(2022年21期)2022-12-28一种缺气可继续行驶充气轮胎轮胎工业(2022年7期)2022-11-25一种载重子午线轮胎胎体结构轮胎工业(2020年11期)2020-03-01圆锯片切线辊压适张处理的稳态特性研究三峡大学学报(自然科学版)(2018年3期)2018-05-22三向接头注射成型模具设计制造技术与机床(2017年5期)2018-01-19圆锯片切线辊压适张处理的残余应力分析以及辊压参数优化三峡大学学报(自然科学版)(2017年1期)2017-03-20快速成型技术在口腔修复中的应用中国卫生标准管理(2015年24期)2016-01-14微注射成型PP/ABS共混物相形态中国塑料(2015年5期)2015-10-14复合胎体金刚石钻头试验研究吉林地质(2014年3期)2014-03-11辊压方式对圆锯片稳定性的影响三峡大学学报(自然科学版)(2014年1期)2014-03-07