半鋼子午線輪胎胎圈氣泡原因分析及解決措施

陳衛(wèi)勇，李紅衛(wèi)，李漢青

[特拓（青島）輪胎技術有限公司，山東 青島 266061]

半鋼子午線輪胎胎圈氣泡是輪胎制造過程中普遍存在的一種缺陷[1]。胎圈部位與輪輞直接接觸，生熱變形較大[2]，將輪胎胎圈氣泡部位打磨熱補后使用容易引起胎圈部位早期損壞，產生安全隱患[3-5]。本工作通過分析胎圈氣泡產生的原因，提出相應的解決措施[6-7]。

1 半鋼子午線輪胎胎圈氣泡的特征

胎圈氣泡出現在輪胎的一側或兩側，在胎圈部位胎踵與胎趾間的橡膠層間，包括胎圈膠與氣密層間、氣密層與胎體膠間、胎體膠與胎圈膠間。有表皮氣泡，也有較深的膠中氣泡，如圖1所示。

圖1 胎圈氣泡

2 原因分析

胎圈氣泡產生的原因可以分為4類。

（1）內外層膠料的硫化速率匹配不好。胎圈部位由內至外有胎圈膠、胎體膠、過渡層膠、氣密層膠、胎側膠，各膠料的剩余硫化時間匹配，可達到由內至外逐步延長的效果，使胎坯內的殘余空氣充分排出。膠料的硫化時間在煉膠、壓延、停放、硫化定型等過程中被逐漸損耗，且與加工和停放溫度呈正相關性，加工和停放溫度越高，硫化時間損失越大。

（2）膠料的體積不足。膠料的體積決定了填充模型的密實度，體積不足，則膠料的壓縮力不夠，膠料流動過程中在胎圈鋼絲與模具鋼棱圈之間產生局部中空，形成氣泡。

（3）材料層間存有空氣。胎坯胎圈部位材料有鋼絲圈、三角膠、胎體、過渡層、氣密層、胎側，目前胎坯的成型工藝主要是層貼法，各個材料的端點位置由于段差的存在及過渡曲線的不圓滑，或多或少都有存氣現象。

二次法成型工藝比一次法成型工藝胎坯胎圈部位氣泡發(fā)生幾率高，氣泡產生的因素也多。兩種成型方式的差異在于鎖圈形式。一次法成型工藝的鎖圈方式如圖2所示，胎圈底部材料在撐塊的作用下被壓實。

圖2 一次法成型工藝的鎖圈方式

二次法成型工藝的鎖圈方式如圖3所示，胎圈底部材料靠充氣膠囊壓緊。由于膠囊厚度和充氣壓力分布的原因，膠囊在胎圈底部接觸材料的位置形成一定的曲線，當胎圈底部寬度較大時，胎圈底部易出現壓不實的情況，此時胎圈底部與材料間積存空氣。

圖3 二次法成型工藝的鎖圈方式

（4）硫化過程中排氣不暢。硫化時，在定型、填充模型和膠料硫化時間消耗過程中，需將胎坯與模具間、膠囊與胎坯間及胎坯內部層間存在的空氣通過排氣孔和排氣槽排出，定型壓力的設定以及模具胎圈部位排氣線的設計起到關鍵性作用。一般排氣孔和排氣槽的設計如圖4所示。

圖4 排氣孔和排氣槽的設計

3 解決措施

依據胎圈氣泡產生的原因分析，在胎側、胎體、內襯層、胎圈部件尺寸和貼合定位均按工藝管控標準執(zhí)行的情況下，從工藝和施工方面提出優(yōu)化方案并進行驗證。

3.1 焦燒時間的控制

膠料的焦燒時間從以下幾方面進行管控。

（1）返回膠的摻用量控制在10%以內。

（2）各部件壓延溫度控制在標準溫度上下浮動5 ℃范圍內，卷曲溫度控制在40 ℃以下。

（3）部件停放時間控制在8 h以內，先進先出。

3.2 胎圈部位材料的壓縮率優(yōu)化設計

以215/75R16C輪胎為例，胎圈部位材料的壓縮率在兼顧性能的前提下，從以下兩個方面進行優(yōu)化。

方案一：在原有胎坯成型施工的基礎上，胎圈排列由4-5-4-3調整為4-5-6-5，增強了胎圈的強度，同時增大了胎坯胎圈部位膠料的體積和壓縮率，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化方案一

方案二：在原有胎坯成型施工的基礎上，胎圈底部寬度由17 mm調整至16 mm，同比增大了胎圈部位膠料的壓縮率，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化方案二

上述兩方案經驗證均無胎圈氣泡產生。

3.3 胎圈部位材料層間空氣的排除

（1）在施工設計上，內襯層和胎體端點已避開胎趾至胎踵的位置，不會產生材料段差造成層間存氣。

（2）胎體在成型鼓鼓板至胎體反包過胎圈的位置（圖7中L區(qū)域）保證有刺孔，透光率在90%以上，以便反包時使材料盡量舒展并將層間空氣排出。

圖7 成型鼓鼓板至胎體反包過胎圈位置示意

（3）完成以上優(yōu)化，若胎圈底部仍有存氣，需調整鋼絲圈排列方式，將4-5-4-3排列方式調整為3-4-5-4排列方式（如圖8所示），在鋼絲圈總強度不變的情況下，減小底層胎圈寬度，使過渡曲線更加圓滑，以使胎圈底部材料受到膠囊擠壓時能夠比較順暢地排出空氣，同時胎圈部位膠料體積也相應增大。

圖8 調整鋼絲圈排列方式示意

對胎圈采用3-4-5-4排列的輪胎進行脫圈阻力和強度試驗，結果表明，與胎圈采用4-5-4-3排列的輪胎相比，胎圈采用3-4-5-4排列的輪胎脫圈阻力和強度差異很小。批量生產的不同規(guī)格成品輪胎無胎圈氣泡缺陷發(fā)生，優(yōu)化效果顯著。

胎圈材料分布如圖9所示，各優(yōu)化方案胎圈部位材料參數如表1所示。

表1 各優(yōu)化方案胎圈部位參數

圖9 胎圈材料分布示意

分析優(yōu)化方案胎圈部位各參數可知，單一的軸向壓縮比和徑向壓縮比不能有效地表征整體膠料的壓縮率，體積壓縮比則可較為準確地表征胎圈部位膠料的壓縮率[8]。通過比對成品輪胎和胎坯材料分布情況，得出胎圈部位材料體積壓縮比取值在120%～130%之間較好，此時無胎圈氣泡缺陷，也無胎趾出邊。試驗表明，Y值不宜過大，過大易造成胎趾膠料在合模時被鋼棱圈擠出，形成胎趾部位溢膠；增大X值和胎圈寬度或使鋼絲圈最寬點上移，均可增大胎圈部位膠料的壓縮率，從而達到預防胎圈氣泡發(fā)生的目的。

（4）對硫化定型過程進行排氣管理，通過合理設計排氣孔的位置、孔徑和數量，保持排氣孔和周向排氣槽的通暢和清潔，能夠將定型和模型填充時膠料流動和初期交聯產生的空氣有效地排出[9-10]。

4 結語

對半鋼子午線輪胎胎圈氣泡產生原因進行全面分析，從制造工藝和結構設計方面進行優(yōu)化：優(yōu)化鋼絲圈排列方式，嚴格控制胎圈部位胎體穿刺的透光率，保證模具胎圈部位排氣通暢；嚴控胎圈膠回摻比例，保證各種膠料硫化速率匹配；調整胎圈部位材料的壓縮率，并進行各部件端點位置設計優(yōu)化，在保證輪胎性能的前提下，使胎圈氣泡問題得到了有效解決。