輪胎成型機(jī)輥壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法分析

毛 偉 張 晴 黃 晨 張維維

（八億橡膠有限責(zé)任公司，棗莊 277000）

輪胎成型是制造輪胎的關(guān)鍵工序之一。輥壓支架對(duì)于保證輪胎成型質(zhì)量起著重要作用。隨著輪胎工業(yè)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)輪胎性能要求越來(lái)越高，因此對(duì)輪胎成型過(guò)程提出了更高要求。現(xiàn)有輥壓支架在使用過(guò)程中存在剛度不足、疲勞強(qiáng)度不足以及材料內(nèi)部缺陷等問(wèn)題，導(dǎo)致輪胎成型質(zhì)量下降。因此，開(kāi)展輪胎成型機(jī)輥壓支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，對(duì)提高輪胎成型質(zhì)量意義重大。文章將分析現(xiàn)有輥壓支架存在的主要問(wèn)題，并探討增加支架剛度、優(yōu)化焊接接頭和選擇高質(zhì)量材料等結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，以改進(jìn)輪胎成型質(zhì)量。

1 輥壓支架的作用

輥壓支架在輪胎成型過(guò)程中起到非常重要的作用，是保證輪胎成型質(zhì)量的關(guān)鍵部件之一。具體來(lái)說(shuō)，輥壓支架與輪胎胎體保持直接接觸，為輪胎胎體提供機(jī)械支撐，使胎體能夠在高溫和高壓條件下保持所需的形狀和尺寸，并控制胎體厚度的均勻性。在輪胎生產(chǎn)線上，未硫化的輪胎胎體經(jīng)過(guò)擠出、切片等工序后被送入鍋爐進(jìn)行預(yù)硫化。預(yù)硫化完成后的半成品胎體表面黏性大大增強(qiáng)，需要施加機(jī)械力使其在模具上成型。此時(shí)，輥壓支架開(kāi)始發(fā)揮作用，上、下輥通過(guò)樞軸相連，在上、下輪胎模具間形成一定間隙，并在兩端通過(guò)液壓缸施加一定壓力，使胎體在模具與輥之間成型。如果沒(méi)有輥壓支架，胎體自身無(wú)法支撐形狀，會(huì)產(chǎn)生大量褶皺，從而影響成型質(zhì)量。

考慮到支架整體剛度和強(qiáng)度等因素，輥壓支架內(nèi)部通常采用箱型結(jié)構(gòu)或類似人字形的幾何結(jié)構(gòu)。輥壓支架表面一般采用可更換的襯板，一方面保護(hù)支架本體，另一方面調(diào)節(jié)與輪胎接觸面的形狀。另外，輥壓支架的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)影響輪胎厚度分布的均勻性。如果支架剛度分布不當(dāng)，很容易造成輪胎胎體厚度分布不均勻。如果支架表面不夠光滑，也會(huì)對(duì)輪胎外觀質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，輥壓支架的設(shè)計(jì)需要充分考慮這些因素。兩種不同結(jié)構(gòu)輥壓支架對(duì)輪胎厚度均勻性的影響對(duì)比，如表1 所示。

表1 支架A 與支架B 性能參數(shù)對(duì)比

從表1 可以看出，支架結(jié)構(gòu)與材料的不同直接影響了輪胎成型質(zhì)量。因此，對(duì)輥壓支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于改進(jìn)輪胎生產(chǎn)過(guò)程具有重要意義。

2 現(xiàn)有輥壓支架結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題

2.1 支架剛度不足導(dǎo)致變形

輪胎成型過(guò)程中，輥壓支架需要承受輪胎胎體和上下模具的壓力。如果支架剛度不足，很容易發(fā)生變形，將直接影響輪胎成型質(zhì)量。輥壓支架剛度不足主要源自其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。通常情況下，輥壓支架采用框架或網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，通過(guò)橫梁、縱梁的配合來(lái)保證整體剛度。如果梁的截面尺寸選擇不當(dāng)，如壁厚過(guò)薄或截面模量過(guò)小，很容易發(fā)生梁局部屈曲或整體失穩(wěn)現(xiàn)象。在較大的外載荷下，支架的實(shí)際工作剛度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，失去了支撐輪胎胎體的能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，78.5%的輥壓支架剛度不足問(wèn)題發(fā)生在中間區(qū)域，主要是因?yàn)橹虚g區(qū)域承受的荷載最大[1]。研究表明，當(dāng)模具閉合時(shí)，輪胎胎體在兩端受到約60 MPa 的壓強(qiáng)，而在中間區(qū)域壓強(qiáng)超過(guò)100 MPa。可見(jiàn)，如果支架剛度分布不均勻，中間區(qū)域最容易變形[2]。支架變形后無(wú)法為輪胎胎體提供均勻的支撐，很難將輪胎胎體厚度控制在設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi)。嚴(yán)重時(shí)，胎體厚薄不均可能導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。同時(shí)，長(zhǎng)期反復(fù)荷載會(huì)使輥壓支架產(chǎn)生疲勞損傷，從而導(dǎo)致剛度下降。調(diào)查顯示，老化支架剛度下降幅度超過(guò)30%的可能性高達(dá)12.3%。這些動(dòng)態(tài)變化的因素對(duì)輪胎的成型質(zhì)量至關(guān)重要，因此必須嚴(yán)格把控輥壓支架的剛度裕量，以防止因支架變形而影響輪胎的整體成型效果[3]。

2.2 材料內(nèi)部缺陷影響整體強(qiáng)度

在制造用于輪胎成型設(shè)備的輥壓支架過(guò)程中，確保其結(jié)構(gòu)完整性和高性能十分重要。原材料選擇及鑄造或鍛造工藝階段中可能產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷，如縮松孔、氣孔、夾渣等，均會(huì)對(duì)支架的整體機(jī)械性能和耐久性造成負(fù)面影響。以A356 鋁合金為例，在高壓鍛造生產(chǎn)此類輥壓支架時(shí)，特別是在薄壁區(qū)域，材料容易形成間質(zhì)裂紋，不僅會(huì)顯著降低屈服強(qiáng)度（最高可下降18%），而且裂紋尖端處的高度應(yīng)力集中更容易在反復(fù)的動(dòng)態(tài)載荷作用下演變?yōu)槠诹鸭y源頭[4]。另外，表面微觀層面的毛細(xì)管效應(yīng)會(huì)誘發(fā)顯微縮松現(xiàn)象，從而促進(jìn)疲勞裂紋的萌生和發(fā)展，而在采用焊接技術(shù)進(jìn)行接頭連接時(shí)，難以避免引入新的缺陷。例如，相關(guān)文獻(xiàn)指出，使用CO2保護(hù)氣體焊接方法時(shí)，接頭部位裂紋的發(fā)生率高達(dá)12%。此類焊接缺陷嚴(yán)重削弱了支架結(jié)構(gòu)抵抗疲勞負(fù)荷的能力，成為潛在故障的高發(fā)區(qū)域。在長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)加載的作用下，焊接接頭容易失效。鑒于輪胎生產(chǎn)線需要長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的特點(diǎn)，確保輥壓支架無(wú)內(nèi)在質(zhì)量問(wèn)題是延長(zhǎng)其使用壽命和保障輪胎品質(zhì)的關(guān)鍵因素。

3 輪胎成型機(jī)輥壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

3.1 增加支架橫梁，提高剛度

輪胎成型機(jī)輥壓支架作為支撐輪胎胎體形狀的關(guān)鍵部件，其剛度對(duì)輪胎成型質(zhì)量極為重要。如果支架橫梁截面尺寸和支架整體截面模量選擇不當(dāng)，那么會(huì)造成支架剛度不足，在工作載荷作用下容易發(fā)生變形。支架變形后無(wú)法為輪胎胎體提供均勻的支撐，導(dǎo)致輪胎厚度分布不均勻，甚至造成產(chǎn)品報(bào)廢。由于中間區(qū)域承受的外載荷最大，在支架設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)增加該區(qū)域的橫梁數(shù)量，提高局部剛度。橫梁與縱梁連接處需加強(qiáng)焊縫，防止應(yīng)力集中。橫梁位置、截面參數(shù)及縱梁截面積應(yīng)經(jīng)專門的有限元仿真軟件求解計(jì)算，確保剛度、強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)中間區(qū)域，可采用蒙皮桁架形式，使用軸力最大張拉桁架來(lái)提高剛度。第一，合理安排斜桿力流，充分發(fā)揮材料強(qiáng)度，提高剛度與強(qiáng)度。第二，中間區(qū)域可連續(xù)加長(zhǎng)，形成空間3D 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，一次性提高大段區(qū)域的剛度。第三，結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量輕，有利于降低慣性力對(duì)剛度的影響。斜桿設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用可變截面參數(shù)優(yōu)化方法，即分段設(shè)置不同截面參數(shù)（如壁厚、寬度等），適當(dāng)增大受力最大區(qū)域的截面積，既提高剛度又減輕自重。

3.2 優(yōu)化焊接接頭形狀，改善疲勞性能

提高輥壓支架的疲勞性能對(duì)于確保輪胎成型質(zhì)量至關(guān)重要，但是焊接接頭在反復(fù)載荷作用下極易發(fā)生疲勞裂紋，從而影響支架的整體剛度與可靠性。針對(duì)此問(wèn)題，優(yōu)化焊縫幾何形狀、采用適當(dāng)?shù)暮附庸に嚰斑m宜的焊條材料是改善連接疲勞性能的關(guān)鍵措施。首先，焊縫幾何參數(shù)對(duì)疲勞性能影響顯著。理論分析與試驗(yàn)研究表明，優(yōu)化焊縫夾角、焊縫尺寸及過(guò)渡曲率半徑可以顯著降低焊趾處的應(yīng)力集中程度。例如，增大焊縫夾角可減小焊縫尖端處應(yīng)力，提高疲勞性能。建立有限元模型分析不同焊縫夾角下的應(yīng)力分布，結(jié)果顯示，傳統(tǒng)的60°夾角增加至90°，焊趾應(yīng)力峰值降低40%以上。其次，焊縫尺寸對(duì)應(yīng)力分布具有很大影響。研究發(fā)現(xiàn)，將焊腳長(zhǎng)度縮小至1.5 mm，對(duì)焊趾應(yīng)力集中并無(wú)顯著影響，但是當(dāng)焊腳長(zhǎng)度繼續(xù)減小時(shí)，焊趾將迅速成為應(yīng)力集中區(qū)[5]。因此，可以適當(dāng)縮小焊腳尺寸，但應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。同時(shí)，可采用圓滑過(guò)渡曲線連接焊縫與母材，避免尖銳的幾何形狀，顯著改善應(yīng)力分布。再次，選擇合適的焊接工藝是提高疲勞性能的有效途徑。相對(duì)于普通的手工電弧焊，冷金屬過(guò)渡（Cold Metal Transfer，CMT）焊接工藝可以減少冶金缺陷，提高疲勞性能。通過(guò)引入一系列彌散陰極電流脈沖控制短路期間的金屬轉(zhuǎn)移過(guò)程，CMT 工藝具有低熱輸入、熔池形狀優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，大大降低了焊接熱影響區(qū)、縮松與夾雜物的缺陷數(shù)量。最后，采用高質(zhì)量焊條材料更有利于提高接頭性能。例如，鋁合金中微量元素的添加可以提升強(qiáng)度、延展性及抗沖擊性能。添加Sc、Zr 微量元素可引入熔體過(guò)?？瘴?，減少氣孔。加入Sr 元素可改善流動(dòng)性和濕潤(rùn)性，減少疏松缺陷。同時(shí)，Ti、B 等元素形成顆粒細(xì)化相，能夠增強(qiáng)基體強(qiáng)度，從而提高焊縫韌性。

3.3 選擇高質(zhì)量材料，減少內(nèi)部缺陷

對(duì)于輥壓支架這一關(guān)鍵部件，確保其結(jié)構(gòu)完整性與內(nèi)部質(zhì)量是改善輪胎成型效果的關(guān)鍵前提。在選材和成形加工工藝的把控上需要注重內(nèi)部質(zhì)量，盡可能避免和減少縮松缺陷、夾雜物、間隙和裂紋等內(nèi)在缺陷，提升輥壓支架的整體強(qiáng)度。首先，在原材料選擇上，應(yīng)從化學(xué)成分上把控合金中的有害雜質(zhì)含量，限制Cu、Fe 等元素的引入，避免形成脆性富集相后在熱加工過(guò)程中析出，誘發(fā)顯微裂紋。同時(shí)，選擇合適的增韌元素如Zr、Sc、Sr 等，對(duì)材料強(qiáng)度和韌性起到關(guān)鍵作用。微量Zr 元素生成AlZr 相，可以有效固溶強(qiáng)化基體，提高材料抗疲勞性。Sc 元素形成Al3(Sc,Zr）納米顆粒，細(xì)化晶粒以增強(qiáng)材料屈服強(qiáng)度。其次，精心設(shè)計(jì)和控制材料成形工藝。對(duì)于輥壓支架這種薄壁箱型結(jié)構(gòu)，采用高壓半固態(tài)成形工藝可以有效抑制縮松、氣孔等內(nèi)在缺陷。它將合金在液相線與固相線之間保持半固態(tài)，并在適宜的溫度區(qū)間成形，使球形α-Al 顆粒呈固液共存的狀態(tài)，在擠壓成形過(guò)程中有利于排出氣體，減少氣孔和縮松的形成。此外，選擇合適的模具材料及噴涂絕緣涂層可以有效降低氣孔的形成概率。最后，在熱加工成形工藝完成后，后續(xù)的機(jī)加工和焊接工序中需要注意防止引入新的缺陷。高速精密加工裝備的應(yīng)用及優(yōu)化切削參數(shù)可以避免因加工過(guò)程中的熱影響導(dǎo)致微裂紋萌生，通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)減少焊接熱影響區(qū)，降低合金組織過(guò)燒的概率。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，輥壓支架對(duì)輪胎成型質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)現(xiàn)有輥壓支架存在的剛度不足、連接處疲勞強(qiáng)度不足和材料內(nèi)部缺陷等問(wèn)題，提出增加橫梁、采用蒙皮桁架結(jié)構(gòu)、優(yōu)化焊縫幾何形狀、選擇先進(jìn)焊接工藝、控制原材料雜質(zhì)含量以及優(yōu)化成形工藝等一系列優(yōu)化措施。通過(guò)這些方法，輥壓支架的承載能力、疲勞性能和材料內(nèi)在質(zhì)量均得到顯著改善，為提高輪胎成型效率和產(chǎn)品質(zhì)量奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。