輪胎成型機輥壓支架結構優(yōu)化方法分析

毛 偉 張 晴 黃 晨 張維維

（八億橡膠有限責任公司，棗莊 277000）

輪胎成型是制造輪胎的關鍵工序之一。輥壓支架對于保證輪胎成型質量起著重要作用。隨著輪胎工業(yè)的發(fā)展，社會對輪胎性能要求越來越高，因此對輪胎成型過程提出了更高要求?，F(xiàn)有輥壓支架在使用過程中存在剛度不足、疲勞強度不足以及材料內部缺陷等問題，導致輪胎成型質量下降。因此，開展輪胎成型機輥壓支架的結構優(yōu)化研究，對提高輪胎成型質量意義重大。文章將分析現(xiàn)有輥壓支架存在的主要問題，并探討增加支架剛度、優(yōu)化焊接接頭和選擇高質量材料等結構優(yōu)化方法，以改進輪胎成型質量。

1 輥壓支架的作用

輥壓支架在輪胎成型過程中起到非常重要的作用，是保證輪胎成型質量的關鍵部件之一。具體來說，輥壓支架與輪胎胎體保持直接接觸，為輪胎胎體提供機械支撐，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。在輪胎生產線上，未硫化的輪胎胎體經過擠出、切片等工序后被送入鍋爐進行預硫化。預硫化完成后的半成品胎體表面黏性大大增強，需要施加機械力使其在模具上成型。此時，輥壓支架開始發(fā)揮作用，上、下輥通過樞軸相連，在上、下輪胎模具間形成一定間隙，并在兩端通過液壓缸施加一定壓力，使胎體在模具與輥之間成型。如果沒有輥壓支架，胎體自身無法支撐形狀，會產生大量褶皺，從而影響成型質量。

考慮到支架整體剛度和強度等因素，輥壓支架內部通常采用箱型結構或類似人字形的幾何結構。輥壓支架表面一般采用可更換的襯板，一方面保護支架本體，另一方面調節(jié)與輪胎接觸面的形狀。另外，輥壓支架的具體結構參數(shù)會影響輪胎厚度分布的均勻性。如果支架剛度分布不當，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，也會對輪胎外觀質量產生影響。因此，輥壓支架的設計需要充分考慮這些因素。兩種不同結構輥壓支架對輪胎厚度均勻性的影響對比，如表1 所示。

表1 支架A 與支架B 性能參數(shù)對比

從表1 可以看出，支架結構與材料的不同直接影響了輪胎成型質量。因此，對輥壓支架進行優(yōu)化設計，對于改進輪胎生產過程具有重要意義。

2 現(xiàn)有輥壓支架結構存在的問題

2.1 支架剛度不足導致變形

輪胎成型過程中，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量。輥壓支架剛度不足主要源自其結構設計不合理。通常情況下，輥壓支架采用框架或網架結構，通過橫梁、縱梁的配合來保證整體剛度。如果梁的截面尺寸選擇不當，如壁厚過薄或截面模量過小，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，支架的實際工作剛度遠低于設計值，失去了支撐輪胎胎體的能力。據(jù)統(tǒng)計，78.5%的輥壓支架剛度不足問題發(fā)生在中間區(qū)域，主要是因為中間區(qū)域承受的荷載最大[1]。研究表明，當模具閉合時，輪胎胎體在兩端受到約60 MPa 的壓強，而在中間區(qū)域壓強超過100 MPa。可見，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計公差范圍內。嚴重時，胎體厚薄不均可能導致產品報廢。同時，長期反復荷載會使輥壓支架產生疲勞損傷，從而導致剛度下降。調查顯示，老化支架剛度下降幅度超過30%的可能性高達12.3%。這些動態(tài)變化的因素對輪胎的成型質量至關重要，因此必須嚴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 材料內部缺陷影響整體強度

在制造用于輪胎成型設備的輥壓支架過程中，確保其結構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生的內部缺陷，如縮松孔、氣孔、夾渣等，均會對支架的整體機械性能和耐久性造成負面影響。以A356 鋁合金為例，在高壓鍛造生產此類輥壓支架時，特別是在薄壁區(qū)域，材料容易形成間質裂紋，不僅會顯著降低屈服強度（最高可下降18%），而且裂紋尖端處的高度應力集中更容易在反復的動態(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管效應會誘發(fā)顯微縮松現(xiàn)象，從而促進疲勞裂紋的萌生和發(fā)展，而在采用焊接技術進行接頭連接時，難以避免引入新的缺陷。例如，相關文獻指出，使用CO2保護氣體焊接方法時，接頭部位裂紋的發(fā)生率高達12%。此類焊接缺陷嚴重削弱了支架結構抵抗疲勞負荷的能力，成為潛在故障的高發(fā)區(qū)域。在長時間重復加載的作用下，焊接接頭容易失效。鑒于輪胎生產線需要長期連續(xù)穩(wěn)定運行的特點，確保輥壓支架無內在質量問題是延長其使用壽命和保障輪胎品質的關鍵因素。

3 輪胎成型機輥壓支架結構優(yōu)化方法

3.1 增加支架橫梁，提高剛度

輪胎成型機輥壓支架作為支撐輪胎胎體形狀的關鍵部件，其剛度對輪胎成型質量極為重要。如果支架橫梁截面尺寸和支架整體截面模量選擇不當，那么會造成支架剛度不足，在工作載荷作用下容易發(fā)生變形。支架變形后無法為輪胎胎體提供均勻的支撐，導致輪胎厚度分布不均勻，甚至造成產品報廢。由于中間區(qū)域承受的外載荷最大，在支架設計中應適當增加該區(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焊縫，防止應力集中。橫梁位置、截面參數(shù)及縱梁截面積應經專門的有限元仿真軟件求解計算，確保剛度、強度滿足設計要求。

針對中間區(qū)域，可采用蒙皮桁架形式，使用軸力最大張拉桁架來提高剛度。第一，合理安排斜桿力流，充分發(fā)揮材料強度，提高剛度與強度。第二，中間區(qū)域可連續(xù)加長，形成空間3D 網架結構，一次性提高大段區(qū)域的剛度。第三，結構整體質量輕，有利于降低慣性力對剛度的影響。斜桿設計時，可以采用可變截面參數(shù)優(yōu)化方法，即分段設置不同截面參數(shù)（如壁厚、寬度等），適當增大受力最大區(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于確保輪胎成型質量至關重要，但是焊接接頭在反復載荷作用下極易發(fā)生疲勞裂紋，從而影響支架的整體剛度與可靠性。針對此問題，優(yōu)化焊縫幾何形狀、采用適當?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鍵措施。首先，焊縫幾何參數(shù)對疲勞性能影響顯著。理論分析與試驗研究表明，優(yōu)化焊縫夾角、焊縫尺寸及過渡曲率半徑可以顯著降低焊趾處的應力集中程度。例如，增大焊縫夾角可減小焊縫尖端處應力，提高疲勞性能。建立有限元模型分析不同焊縫夾角下的應力分布，結果顯示，傳統(tǒng)的60°夾角增加至90°，焊趾應力峰值降低40%以上。其次，焊縫尺寸對應力分布具有很大影響。研究發(fā)現(xiàn)，將焊腳長度縮小至1.5 mm，對焊趾應力集中并無顯著影響，但是當焊腳長度繼續(xù)減小時，焊趾將迅速成為應力集中區(qū)[5]。因此，可以適當縮小焊腳尺寸，但應控制在一定范圍內。同時，可采用圓滑過渡曲線連接焊縫與母材，避免尖銳的幾何形狀，顯著改善應力分布。再次，選擇合適的焊接工藝是提高疲勞性能的有效途徑。相對于普通的手工電弧焊，冷金屬過渡（Cold Metal Transfer，CMT）焊接工藝可以減少冶金缺陷，提高疲勞性能。通過引入一系列彌散陰極電流脈沖控制短路期間的金屬轉移過程，CMT 工藝具有低熱輸入、熔池形狀優(yōu)良等優(yōu)點，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度、延展性及抗沖擊性能。添加Sc、Zr 微量元素可引入熔體過剩空位，減少氣孔。加入Sr 元素可改善流動性和濕潤性，減少疏松缺陷。同時，Ti、B 等元素形成顆粒細化相，能夠增強基體強度，從而提高焊縫韌性。

3.3 選擇高質量材料，減少內部缺陷

對于輥壓支架這一關鍵部件，確保其結構完整性與內部質量是改善輪胎成型效果的關鍵前提。在選材和成形加工工藝的把控上需要注重內部質量，盡可能避免和減少縮松缺陷、夾雜物、間隙和裂紋等內在缺陷，提升輥壓支架的整體強度。首先，在原材料選擇上，應從化學成分上把控合金中的有害雜質含量，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程中析出，誘發(fā)顯微裂紋。同時，選擇合適的增韌元素如Zr、Sc、Sr 等，對材料強度和韌性起到關鍵作用。微量Zr 元素生成AlZr 相，可以有效固溶強化基體，提高材料抗疲勞性。Sc 元素形成Al3(Sc,Zr）納米顆粒，細化晶粒以增強材料屈服強度。其次，精心設計和控制材料成形工藝。對于輥壓支架這種薄壁箱型結構，采用高壓半固態(tài)成形工藝可以有效抑制縮松、氣孔等內在缺陷。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用及優(yōu)化切削參數(shù)可以避免因加工過程中的熱影響導致微裂紋萌生，通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)減少焊接熱影響區(qū)，降低合金組織過燒的概率。

4 結語

綜上所述，輥壓支架對輪胎成型質量起著至關重要的作用。針對現(xiàn)有輥壓支架存在的剛度不足、連接處疲勞強度不足和材料內部缺陷等問題，提出增加橫梁、采用蒙皮桁架結構、優(yōu)化焊縫幾何形狀、選擇先進焊接工藝、控制原材料雜質含量以及優(yōu)化成形工藝等一系列優(yōu)化措施。通過這些方法，輥壓支架的承載能力、疲勞性能和材料內在質量均得到顯著改善，為提高輪胎成型效率和產品質量奠定了堅實的基礎。