破壞性測量系統(tǒng)能力分析在橡膠材料摩擦系數(shù)測試中的應用

鄧昌友

( 浙江易跑健康科技有限公司，浙江 金華 321000)

橡膠材料是輪胎的重要原材料，其摩擦特性是輪胎滾動的基礎(chǔ)，抗?jié)窕阅芎托旭傊械臐L動阻力也都與摩擦性能息息相關(guān)[1]。研究摩擦性能，對于提升輪胎滾動性能、減小滾動阻力，提高抓地能力都具有重大意義[2]。但是摩擦性能測試是一個很復雜的問題，受橡膠組分、界面、載荷、溫度、滑動速度等多種因素共同影響[3～4]。2021 年之前，國內(nèi)沒有橡膠、輪胎行業(yè)測試領(lǐng)域的專用測定標準，為填補國內(nèi)在橡膠、輪胎行業(yè)摩擦性能測試標準的空白，國家標準化委員會在2022 年5 月1 日正式實施了GB/T 40721—2021《橡膠 摩擦性能的測定》[5]。目前，依據(jù)該標準開展的關(guān)于摩擦性能測量系統(tǒng)能力分析的文獻資料尚少。此外，摩擦性能測試本身屬于破壞性試驗，除仿真方法外，難以通過標準樣品周期性重復測試的方法進行測量系統(tǒng)穩(wěn)定性評價。因此，合理開展破壞性試驗的測量系統(tǒng)能力評估工作是非常必要的。文章通過橡膠材料摩擦性能的測試工作中遇到的問題，提出若干解決方案，其研究思路與成果供同領(lǐng)域人員參考。

1 測量系統(tǒng)能力分析

1.1 定義與指標

測量系統(tǒng)分析(Measurement Systems Analysis，MSA)，是QS9000 標準核心要點之一, 主要用來評估測量系統(tǒng)對工序質(zhì)量改進的保證程度，確保測試所得數(shù)據(jù)的真實性與可靠性[6]。主要包含六個評估指標：偏倚、線性、重復性、再現(xiàn)性、穩(wěn)定性以及屬性的一致性。

1.2 破壞性試驗的測量系統(tǒng)能力分析工作中的難點

主要難點之一在于平行樣的制樣工作，因為在測量過程中樣件常常被破壞，對同一樣件多次重復測量幾乎是不可能的，必須采取一些迂回或者補救的辦法進行測量。常用的方法有同批次小范圍內(nèi)連續(xù)取樣，或者同一產(chǎn)品的不同位置細分樣品，盡力做到各個平行樣之間的差異小到可以忽略不計[7～9]。

1.3 破壞性項目測量設(shè)備選用策略

優(yōu)先選擇自動化程度較高的設(shè)備，這種設(shè)備往往具備自校準、自動測試與分析功能，可以按照預設(shè)程序給出測試結(jié)果，尤其必須重視量具改造后的評價工作。

2 橡膠材料摩擦性能測試的難點

2.1 橡膠材料的摩擦性能測試

在摩擦性能相關(guān)技術(shù)研究中，都需要用到摩擦性能測試設(shè)備，主要以測定摩擦系數(shù)為目標，如恒牽引式摩擦儀、恒速式摩擦儀、擺式摩擦儀等[1,4,5]。摩擦系數(shù)是對兩個接觸表面摩擦力的一種度量。

在微觀世界里，絕大多數(shù)材料表面都是凹凸不平的，當接觸面發(fā)生相對移動時，相互作用力形成對物體相對運動的阻力。而平行于接觸面、破壞凸起部位的剪切力就被定義為摩擦力。摩擦力包括靜摩擦力和動摩擦力。前者是兩接觸表面在相對移動開始時的最大阻力，其與垂直于物體接觸面的力之比就是靜摩擦系數(shù)；后者是兩接觸表面以一定速度相對移動時的阻力，其與垂直于物體接觸面的力之比就是動摩擦系數(shù)[8]。

2.2 橡膠材料摩擦性能測試的難點

摩擦特性的量具主要不足在于摩擦介質(zhì)較為單一，并且不容易更換，特別是研究輪胎行業(yè)胎面摩擦性能機理時，常規(guī)摩擦儀更是難于使用[4]。

除測試設(shè)備存在不足之外，測試標準也存在一定的局限性，曾在2021 年之前被廣泛關(guān)注和使用的ASTMD1894 和GB/T10006，二者均采用“兩試驗表面平放在一起，在一定的接觸壓力下，根據(jù)促使兩表面相對移動的力值測算摩擦系數(shù)”的原理進行摩擦系數(shù)測試，未包含輪胎行業(yè)較為復雜的多重因素共同作用的情況[8]。雖然2022 年5 月1 日新標準GB/T 40721—2021 發(fā)布實施[5]，但在實踐工作中，針對特定條件的摩擦系數(shù)測量系統(tǒng)能力分析研究尚少，不同應用場景不用材料之間的通用性并不強。

3 測量系統(tǒng)能力分析在橡膠材料摩擦性能測試中的實踐

以橡膠材料摩擦系數(shù)測試為例，詳細說明測量系統(tǒng)能力分析在實踐中的應用，重點闡述的內(nèi)容是安裝不同試驗軌道中出現(xiàn)的問題以及解決方法。

3.1 測試標準

摩擦系數(shù)測試的主要依據(jù)標準： GB/T 40721—2021《橡膠 摩擦性能的測定》。

3.2 測試設(shè)備

采用SP-2100-IMASS 磨擦系數(shù)測試儀，見圖1所示，除了原廠自帶的夾具外，另加工不同粗糙程度的測試軌道，以便模擬輪胎在不同路面下的動摩擦系數(shù)。

圖1 SP-2100-IMASS 磨擦系數(shù)測試儀

3.3 試樣與試樣準備

模壓成型的試樣或從成品切割的試樣均可，試樣數(shù)量為45 的倍數(shù)，在連續(xù)生產(chǎn)的成品樣品中取樣，每個樣品切割3 塊，再隨機分為兩組。每個試樣的厚度為5±0.5 mm，試樣尺寸15±1 mm，為保證試樣精度需要增加必要的拋光或研磨形成平面，也可以采用專業(yè)的剖層機切取試樣。

試樣表面用合適的溶劑清洗干凈，準備好的試樣在標準實驗室溫度下放置不少于3 h，如果樣品被打磨過，打磨和試驗之間的時間間隔應為16～72 h。

3.4 軌道與軌道準備

試驗軌道近似平面，長度方向200 mm 滿足線性行程。

兩種不同材質(zhì)的軌道：

（1）表面模壓、片取或拋光的試驗橡膠。

（2）表面拋光或研磨的不銹鋼。

3.5 試驗步驟

3.5.1 試驗溫度

試驗應在標準實驗室溫度下連續(xù)進行。

3.5.2 試驗速度

試驗均在50 mm/min 速度下進行。

3.5.3 法向載荷

試驗載荷均為50 N。

3.5.4 試驗軌道的清潔

每次試驗新試樣之前，試樣軌道都應清潔，如果清潔不徹底，需要更換新的軌道。

3.5.5 測量與數(shù)據(jù)收集

依據(jù)GB/T 40721—2021 第11～16 步驟進行測量，讀取動摩擦系數(shù)結(jié)果，并記錄數(shù)據(jù)。

3.6 量具測量能力Cg/Cgk

由于自動測量設(shè)備受測試人員的干擾較少，因此從經(jīng)濟性、便捷性的角度出發(fā)，先進行量具Cg/Cgk評估，這是檢測設(shè)備的測量能力是否滿足被測質(zhì)量特性的公差要求的有效方法[7,910,11]。

理論上，研究量具測量能力首先應選擇一個標準件或樣件，其必須是高一級精度的檢測設(shè)備檢定或測量的標準件或者樣件。實際工作中，這一要求比較難實現(xiàn)，本實驗采用取連續(xù)生產(chǎn)的成品局部采樣制成平行樣的方法，根據(jù)實際經(jīng)驗，“ 參考值” 選項可以填寫45 個數(shù)據(jù)的平均值，在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)重點關(guān)注Cg即可。

量具測量能力的計算利用minitab 專業(yè)軟件進行計算，通過“ 統(tǒng)計”—“ 質(zhì)量工具”—“ 量具研究”—“ 類型1 量具研究” 路徑，里面輸入量具名稱、參考值、公差限、日期、人員等信息。點擊確定之后，得到量具過程能力研究的結(jié)果[8～9]，其中圖2(a)為橡膠軌道，圖(b) 為不銹鋼軌道，二者的量具分析能力見圖2 所示。

圖2 不同軌道的量具過程能力結(jié)果

由圖2 可知，在相同的公差水平下，不銹鋼軌道的量具過程能力指標略高Cg=0.82，橡膠軌道的量具過程能力Cg僅為0.49，但是二者均未達到Cg≥1.33的理想要求，均需要改進。

結(jié)合試驗后樣品和軌道的形貌變化分析，多次測試后橡膠軌道的磨損程度遠遠高于不銹鋼軌道，雖然每次實驗后都對兩種軌道進行必要的清潔，但是，根據(jù)橡膠軌道的實際磨損情況，測試約30 個試樣后，需要更換新的軌道。除磨損之外，還發(fā)現(xiàn)了橡膠軌道容易發(fā)生形變的問題，盡管量具本身有緊固裝置，但是橡膠軌道還是發(fā)生了不在預期范圍內(nèi)的形變，推測該形變與磨損有關(guān)。因此將橡膠軌道的改進方向定位為選擇更加耐磨的其他橡膠材料，經(jīng)調(diào)研與試驗，最終選定一種高端輪胎用耐磨橡膠，其成為包含天然橡膠與氯丁橡膠，并且適量添加三氧化二銻和硼酸鋅，其耐磨性能遠高于普通橡膠。采用這種材料制成(a) 型橡膠軌道后再次進行量具能力分析，見圖3(a) 所示。

圖3 不同軌道改進后的量具過程能力結(jié)果

結(jié)合不銹鋼軌道的動摩擦系數(shù)明顯偏低的試樣對應的測試過程，發(fā)現(xiàn)不銹鋼軌道的緊固裝置需要改進，一是調(diào)平，二是添加耐磨的墊圈以確保不銹鋼軌道與夾具之間實現(xiàn)緊密固定，這兩者都是非常必要的。改進后的不銹鋼軌道命名為(b) 改進后不銹鋼軌道量具再次進行量具能力分析，見圖3(b) 所示。

由圖3 可知，在相同的公差水平下，改進后二者的量具過程能力指標均有所上升，其中耐磨橡膠軌道的改進效果更為明顯，Cg值從0.49 上升至0.85，不銹鋼軌道改進后Cg值從0.82 上升至0.95，雖然二者均尚未達到理想水平，但是針對輪胎行業(yè)用橡膠材料的摩擦系數(shù)測試本身的特點與難點，改進方法和改進后的量具能力已被用戶認可，可以滿足使用需求。

3.7 測量系統(tǒng)能力分析

傳統(tǒng)測量系統(tǒng)能力分析采用Gage R&R 形式，近年來，隨著該項工作逐漸滲透到越來越多的領(lǐng)域，測試人員發(fā)現(xiàn)，在不同應用場合，并非所有的測量系統(tǒng)能力分析都需要以Gage R&R 的形式開展[11]，尤其是類似橡膠材料的摩擦性能的破壞性試驗類型的測量系統(tǒng)，從實用性角度出發(fā)，在完成量具能力評估并且通過用戶認可之后，做穩(wěn)定性評價與管理即可。針對改進后的測量系統(tǒng)，采用子組容量為3 的均值- 極差控制圖開展兩個系統(tǒng)的穩(wěn)定性評價，其結(jié)果見圖4。

圖4 不同軌道改進后的測量系統(tǒng)穩(wěn)定性分析：均值- 極差控制圖

由圖4 可知，改進后，無論耐磨橡膠軌道還是加固不銹鋼軌道，穩(wěn)定性均可接受。這是因為測量系統(tǒng)并非一個孤立的系統(tǒng)，在評估測量系統(tǒng)時需要綜合考慮其對控制圖和過程能力的影響，測量系統(tǒng)能力與現(xiàn)實過程的狀態(tài)匹配是最重要的，換句話說，看似“ 不可接受的” 測量系統(tǒng)只要在實際工作中能夠檢測出過程失控點，那么整個測量系統(tǒng)就是可用的，適時適度與用戶協(xié)商，在雙方認可的前提下，以性價比最高的方式開展測量系統(tǒng)能力分析與持續(xù)管理是非常必要的。

但是，實際工作中務(wù)必注意的是，雖然對測量系統(tǒng)能力的要求降低了，但這并不意味著對生產(chǎn)過程的要求也同時降低了，反而要求更高了。實際生產(chǎn)中不可能單純依靠測量系統(tǒng)分析單方面的管理就提升了生產(chǎn)過程能力，生產(chǎn)過程中理應有合理地、系統(tǒng)地關(guān)鍵控制點確保生產(chǎn)過程穩(wěn)定可控。因此，如何取舍其實還要考慮綜合成本，因為無論改進測量系統(tǒng)、提高過程能力、強化控制圖的應用，方方面面都是需要考慮性價比的[11]。

4 總結(jié)

GB/T 40721—2021《橡膠 摩擦性能的測定》標準的發(fā)布實施，填補了國內(nèi)在橡膠、輪胎行業(yè)摩擦性能測試標準的空白，依據(jù)此標準，結(jié)合輪胎領(lǐng)域橡膠材料的摩擦系數(shù)測試的特點與難點，開展了以破壞性為典型特征的測量系統(tǒng)能力分析，其研究思路與成果總結(jié)如下：

要想辦法做到各個平行樣之間的差異小到可以忽略不計，這是開展評價工作的基礎(chǔ)。

（1）摩擦性能測量系統(tǒng)對試樣的要求非常嚴格，特別注意試樣制備、打磨、拋光、清洗、放置等過程，這些具體環(huán)節(jié)的注意事項都可以在GB/T 40721—2021 中找到具體章節(jié)，試驗過程中須嚴格遵守。

（2）自動化程度較高的量具，可以先進行Cg/Cgk評估，這是檢測設(shè)備能力是否滿足被測質(zhì)量特性的公差要求的有效方法。

（3）探討多種界面的摩擦系數(shù)，需要依據(jù)自身需求制作滿足試驗環(huán)境與要求的夾具，制定嚴格的更換基準，避免因夾具磨損或者緊固不充分引起量具的不可控波動。

（4）并非所有的測量系統(tǒng)能力分析都必須開展Gage R&R，尤其是自動化程度較高的破壞性試驗系統(tǒng)，在完成量具能力評估并且通過用戶認可之后，做穩(wěn)定性評價即可。

（5）測量系統(tǒng)并非孤立存在的系統(tǒng)，其能力與現(xiàn)實過程的狀態(tài)匹配是最重要的，只要在實際工作中能夠檢測出過程失控點，整個測量系統(tǒng)就是可用的，適時適度與用戶協(xié)商，在雙方認可的前提下，開展測量系統(tǒng)能力分析與持續(xù)管理是性價比最高的管理方式。