輪胎胎面定長的影響因素及過程能力提高方法

董青松

[倍耐力輪胎（焦作）有限公司，河南 焦作 454000]

隨著汽車工業的繁榮發展，汽車制造相關的行業標準不斷推陳出新，日漸完善，各項要求也不斷深入至下游零部件的生產過程。輪胎作為汽車的重要組成部分，在保障駕駛安全方面發揮著重大的作用，其生產過程的穩定性直接或間接影響駕駛者的操縱體驗。為了保障輪胎產品的可靠性，持續有效地對輪胎生產過程進行管控至關重要。在質量管理的發展歷程中，先后經歷了質量檢驗階段、統計過程控制（SPC）階段、全面質量管理階段，由成品檢驗逐步轉化為前端流程中的過程控制。其中，SPC及過程能力提高已成為企業管理中常用的質量管控手段。

本工作主要探討輪胎生產過程中胎面定長的影響因素及其過程能力的提高方法。

1 胎面定長及其過程能力

1.1 胎面定長

輪胎的主體材料橡膠屬于彈性體材料，具有加工過程復雜多變，半成品尺寸控制難度較大的特點。輪胎與路面直接接觸的部件為胎面，其對耐磨性能、抗刺扎性能和抓著性能要求較高[1-2]。雖然胎面的主體材料為橡膠，但是胎面膠、基部膠和翼膠的橡膠種類不同，其物理性能也存在差異，胎面生產過程需要將不同膠料結合在一起并達到標準要求的尺寸，這增大了保持胎面加工穩定性的難度。為了保持產品的一致性，胎面的寬度、厚度和輪廓尺寸都是生產中的關鍵控制項目，甚至胎面的收縮、拉伸和氣孔率等都需要納入胎面生產管控[3]。從輪胎生產流程劃分，影響胎面定長的核心工序包括胎面擠出過程和成型工序胎面供料過程。

胎面定長測量是在成型工序胎面供料過程中進行的。根據產品規格施工要求，成型需要將胎面裁斷為規定長度進行使用，胎面裁斷完成后對其長度進行測量，由于胎面擠出狀態的差異和成型供料裁斷系統的過程波動，實際生產中胎面的長度總是略有波動的。本工作中胎面定長主要分析根據特定設置長度裁切的一系列胎面實際長度的穩定性。

1.2 過程能力

根據統計學原理可知，胎面長度的數據分布可以近似地用正態分布來進行分析，為了研究胎面長度的穩定性程度，可以采用SPC的質量工具來進行探究。SPC包含兩方面內容，一方面可以繪制控制圖，根據控制圖中是否有異常點來判斷過程是否穩定或受控，另一方面可以通過計算過程能力指數（Cp，Cpk，Pp和Ppk）來判斷過程能力。Cp和Pp可以表征數據分布的分散程度，其值越大，數據分布越窄；Cpk和Ppk可以表征數據分布的中心趨勢，其值越大，數據分布越靠近中心。由于本工作主要分析胎面長度的穩定性，故著重分析Cp和Pp。

1.3 取樣及Cp，Cpk，Pp和Ppk的計算

Cp，Cpk，Pp和Ppk的計算需要采集胎面長度數據，數據采集前通常需制定取樣計劃。SPC方法采集數據要求分為子組進行采樣，一般收集25個子組，子組容量為5個樣品。采樣的合理性是整個分析結果是否合理可靠的關鍵，通常子組內的取樣盡量連續進行，子組間的取樣要有間隔，可以是不同班次的、不同日期的取樣等。取樣過程需符合隨機化的原則，不應刻意采用某些特殊的樣本，如發生明顯變形的胎面等。采集數據過程中還應考慮到測量系統的影響，為保證結果的可靠性，應盡量安排同一測量員采用同樣的測量方法，如測量的起始位置保持相同等。數據采集完成后可以將其整理進表格，也可以借助Minitab或其他統計分析軟件快捷地計算Cp，Cpk，Pp和Ppk。

2 胎面擠出對胎面定長過程能力的影響

2.1 擠出過程的影響因素

胎面的生產主要是通過螺桿擠出機配合聯動生產線實現的。胎面擠出過程是將膠料喂料至不同的螺桿擠出機內，在設計好的溫度、壓力和轉速等條件下，通過流道、預口型、口型板擠出符合工藝要求的半制品，并經過聯動線[4]傳輸，最終卷曲到胎面小車內的過程。由于橡膠屬于彈性體，易于發生拉伸、變形問題，且胎面在存放期間易發生收縮[5]，因此擠出過程中胎面的狀態會間接影響胎面裁斷完成后胎面長度穩定性。胎面裁斷完成后會發生收縮現象，導致胎面長度縮短且局部厚度增大。根據生產經驗，胎面擠出的速度、口型設計、噴淋冷卻狀態、聯動線強制收縮設計、生產線速度匹配性、卷曲張力設置、浮動裝置的工作連貫性等均會影響胎面的收縮情況，故這些過程參數的合理設計與嚴格控制至關重要[6-11]。如何優化過程參數，減小胎面的收縮率，進而改善胎面定長的穩定性，成為胎面擠出工藝的改進目標。本工作重點關注胎面擠出口型設計和浮動輥狀態對胎面收縮情況的影響。

2.2 胎面收縮率的測定方法

為了使胎面收縮情況能夠量化地進行表征，以判斷不同因素對胎面收縮情況的影響程度，指定了胎面收縮率的測量方法，用可以量化的指標來表示胎面擠出后收縮的嚴重程度。具體測定方法如下：首先制作長度為50 cm的可以在胎面上進行打標的特殊輔助工具；在胎面擠出后聯動線上使用該工具在胎面上打標，此時兩個打標點間距為50 cm，然后將胎面在卷曲前從聯動線上裁斷并放置在光滑的平面上，任其自由收縮，1 min，2 min，3 min，5 min，10 min，30 min，1 h，2 h，4 h后分別對胎面兩個打標點間距進行測量并記錄數據。統計數據顯示：前幾分鐘內隨著時間的延長，兩個打標點間距明顯縮短，直到胎面收縮至一定程度后間距趨于穩定，保持不變；通過比較兩個打標點最終間距與初始間距（50 cm）來衡量胎面的收縮情況。自定義胎面收縮率計算公式為：[（初始間距-最終間距）/初始間距]×100%。

2.3 擠 出口型設計對胎面收縮率和胎面定長過程能力的影響

胎面擠出口型設計與胎面設計密切相關[12-14]。為了研究擠出口型設計對胎面收縮和胎面定長穩定性的影響，制作特殊試驗口型，使得擠出口型尺寸小于實際胎面擠出尺寸。這主要是考慮到若擠出口型小，為了保證擠出胎面輪廓尺寸和設計尺寸一致，胎面需處于擠壓的狀態，充分擠壓有助于減小擠出胎面的收縮率。為了對比，選取實際生產規格進行試驗，標準口型是胎面設計尺寸與擠出口型尺寸之比為1∶1，試驗口型則為1∶0.95。首先收集兩種口型擠出胎面的收縮數據計算收縮率，然后使用不同口型分別擠出一批胎面并停放相同的時間后，分別測量裁斷后胎面長度，計算胎面定長Pp，結果見表1。

表1 擠出口型設計對胎面收縮率和胎面定長Pp的影響

從表1可以看出：調整擠出口型設計后，胎面收縮率從9.43%降至4.04%，胎面收縮情況大大改善；Pp從1.09增大到1.27，表明數據分布整體變窄，裁斷后胎面長度的穩定性提高。

2.4 浮 動輥狀態對胎面收縮和胎面定長過程能力的影響

胎面從擠出機擠出后，在聯動線上向下一道工序傳送，聯動線是由多個獨立運動的傳送帶組成的，每一段都可以單獨調控速度，每段之間通常由浮動輥來進行協調使整體過程穩定，速度前快后慢時浮動輥降低，速度前慢后快時浮動輥升高。浮動輥的設置通常是通過配重進行調節，不合適的配重可能導致速度前慢后快時胎面被拉伸。為了探究配重對胎面收縮率和胎面定長穩定性的影響，選定某規格胎面，在保證其他工藝參數不變的情況下，僅調整浮動輥配重，在30和60 N兩種配重設置水平下分別生產胎面，記錄胎面收縮數據，計算胎面收縮率；分別測量裁斷后胎面長度，結果見表2。

表2 浮動輥配重對胎面收縮率和胎面定長Pp的影響

從表2可以看出，浮動輥配重對胎面收縮率和胎面長度穩定性有明顯影響，對于試驗規格胎面，與浮動輥配重60 N相比，浮動輥配重30 N時胎面收縮率更小，Pp更大。

3 成型過程對胎面定長過程能力的影響

3.1 胎面定長過程

胎面擠出完成后，在成型過程中實現與帶束層等其他部件的貼合。供料系統可以實現胎面從小車中導開、定長裁斷、傳送到帶束鼓的一系列動作。胎面定長和裁斷的精確度直接影響胎面長度的穩定性，因此胎面定長過程能力的改進與成型過程胎面供料過程的優化密不可分。胎面從小車導開后在傳送帶上前進時，經過計數器時開始計數，若生產需要的長度為L，則經過計數器位置1后再前進L-m（胎面裁刀與計數器位置1間距離）即可停止前進，并啟動程序觸發裁刀進行裁斷動作。現在嘗試將計數器位置移至位置2處，則胎面經過計數器后，再前進L-n（胎面裁刀與計數器位置2間距離）時啟動裁刀進行裁斷動作，如圖1所示。該改進措施的意義在于改進后胎面裁刀與計數器位置間距離變大，計數長度減小，誤差減小。此外，提高計數器的精度，可以使計數長度和整體長度更準確，胎面定長過程更穩定。

圖1 胎面定長過程改進示意

3.2 胎面定長過程能力

設備改造前后，分別采集裁斷完成后的胎面長度數據，利用Minitab軟件分別計算Pp和Cp，并進行對比以判斷胎面定長過程能力是否得到改進。分別收集25個子組樣本，每個子組的樣本容量為5個胎面的數據，結果表明，設備改造前Cp為1.22，Pp為1.17，設備改造后Cp為1.44，Pp為1.55。由此可知，設備改造對胎面定長過程能力的提升有積極作用，設備改造后胎面長度數據整體分布更集中，胎面定長穩定性提高。

4 改進效果

按照輪胎生產流程，胎面裁斷完成后，將傳送并敷貼到帶束鼓上完成與帶束層的貼合，貼合時胎面繞鼓1周之后首尾相接，形成圓周。胎面定長過程能力不足時，胎面長度波動大，胎面繞鼓1周后首尾相接的接頭量有大小差異。根據工藝標準要求，接頭量大小不符合要求時需廢棄該胎面，導致成本浪費和時間損失。錯誤使用胎面，如胎面太短時人為拉伸或太長時接頭過大，都會引發輪胎均勻性缺陷，尤其是對動平衡指標的影響較大。動平衡指標通常是由材料不均勻拉伸、質量分布不均勻造成的。因此，胎面定長過程能力提高后，胎面長度更穩定，對于整個輪胎制造過程都有積極的效果。工序提高了流程中的過程能力，并間接地減少了成品檢驗階段不合格品的發生率，這也是前期控制的益處。

輪胎連續生產中采取以下管控措施對于持續保障胎面長度的穩定性至關重要。

（1）胎面長度的統計和過程控制。周期性地對裁斷后的胎面長度進行測量，并繪制SPC圖，保證該過程的持續穩定與可控。

（2）擠出聯動線浮動輥的管理應納入預防性設備維護計劃，對浮動輥配重進行定期檢查，以確保其不會造成胎面的拉伸。

（3）胎面收縮率定期檢查。根據不同膠種和胎面規格，分別定期測量胎面收縮率，保證胎面擠出質量的持續穩定。

據統計，胎面定長過程能力提高后平均單機臺胎面廢棄數量由原來的每班4—5條減至1—2條。

5 結語

輪胎制造過程中胎面長度的穩定性對輪胎的均勻性和動平衡指標至關重要，提高胎面長度的穩定性是保障輪胎綜合性能的重要措施。試驗表明優化胎面擠出工序過程設計、降低胎面收縮率、優化成型工序裁斷定長系統、提高設備的定長精度等都對胎面定長穩定性產生積極作用。在輪胎制造過程中，將擠出和成型兩個工序識別到的關鍵因素納入日常生產管理對于持續保障胎面定長穩定性非常重要。