（机械设计及理论专业论文）激光测厚在胎面挤出中应用的研究.pdf

摘要 摘要 挤出是胎面成型的主要工艺。目前胎面挤出生产中有两个主要问题：一是生 产率浪费过大，每天浪费在换口型和换胶料上的工艺调整时间有3 4 小时；二是 合格率有待提高，目前工厂中的合格率为8 6 左右。这两个问题直接影响生产成 本，一年之中由于生产不合格胎面浪费的人工费有1 5 0 万以上，而且不合格胎面 返回再用也会降低胶料的物理性能和挤山性能，从而影响胎面的成型质量。出现 这两个问题的根本原因是工厂现有的工艺方法不能很准确地实时测量胎面的断面 尺寸。针对这个不足，本文把激光测厚技术引入胎面挤出生产线，对它在胎面挤 出中的应用进行实验研究。 运用胎面挤出胀大和收缩的相关理论对上述问题进行了分析，认为裁断后胎 面的重量和长度出现较大波动的主要原因是挤山端胎面的断面面积和断面尺寸波 动比较大。提出把激光测厚技术和工厂现有的工艺和没各结合起来，通过设置胎 面断面的控制界限值来控制胎面重晕和长度的波动。 采用华工百川自控科技有限公司研制的激光测厚仪对激光测厚在胎面挤山中 的应用进行了实验研究。主要研究了激光测厚仪的应用条件，并根据实验数据对 胎面的重量、断面面积和断面尺寸的波动情况进行分析，提出把挤出端断面面积 和冠宽、肩宽作为控制和减小胎面断面波动的对象，并以两种规格胎面为例，利 用统计的方法求出了胎面断面的控制界限值；同时还对超值报警进行了分析。 分析了激光测厚的应用效果，认为在胎面挤出生产中应用激光测厚技术后， 可以提高胎面的合格率至9 5 以| 二；每天可以节省生产时间1 5 - 2 小时：可以提 高胎面成型质量和尺寸精度；每条生产线可以节省1 6 0 万以上的生产成本。 关键词：激光测厚；胎面挤出；实验研究 华南理工大学工学硕士学位论义 a 8 s t r a c t e x t r u s i o ni st h em a i n p r o c e s s i n gt e c h n i q u eo ft r e a d n o w i nt h e e x t r u d i n g p r o d u c t i o n ，t h e r ea r et w om a i np r o b l e m s o n ei s t h ee x c e s sw a s t eo fp r o d u c t i o nr a t e ， b e c a u s ee v e r y d a ya b o u t3t o4h o u r si sw a s t e di na d j u s t i n gp r o c e s sw h e n c h a n g i n gd i e o rr u b b e rc o m p o u n d 。t h eo t h e ri st h a te l i g i b l er a t es h o u l db ei m p r o v e d ，b e c a u s et h e p r e s e n te l i g i b l e r a t ei s8 6 p e r c e n t o rs o t h et w o p r o b l e m s h a si n f l u e n c e dt h e p r o d u c t i o n c o s t d i r e c t l y ，e v e r yy e a rt h e w a s t e m o n e yi n t h e r e j e c t t i r ei sa b o u t l ，5 0 0 ，0 0 0y u a n 。a n dw h e nt h er e j e c tt i r ei s r e c y c l e d ，i tw i l ld e p r e s sp h y s i c a l a n d e x t r u d i n gp r o p e r t yo f r u b b e rc o m p o u n da n di n f l u e n c et h ep r o c e s s i n gq u a l i t yf u r t h e r t h eu l t i m a t er e a s o nw h i c hc a u s e dt h et w op r o b l e m si st h ep r e s e n tt e c h n i q u el a c k e d r e a l t i m ea n dp r e c i s em e a s u r e m e n to ft h ec r o s ss e c t i o ns i z e t ot h i sl a c kt h i s p a p e r w i l li n t r o d u c et e c h n o l o g yo fl a s e rm e a s u r i n gt h i c k n e s si n t ot i r ee x t r u d i n gp r o d u c t i o n a n ds t u d yt h ei t sa p p l i c a t i o ne x p e r i m e n t a l l y t h i s p a p e ra n a l y z e dt h et w op r o b l e m si n c o r r e l a t i v et h e o r yo fd i es w e l la n d s h r i n k a g e o ft r e a d ，a n dc o n c l u d e dt h em a i nr e a s o n c a u s i n gl a r g e r f l u c t u a t i o no f w e i g h t a n d l e n g t ho f t r e a da f t e rb e i n gc u ti st h a tc r o s ss e c t i o na r e aa n ds i z eo ft r e a di n e x t r u s i o n r e g i o n f l u c t u a t em o r e c o m p r e h e n s i v e l y t h i sp a p e rt h o u g h t i ft h e t e c h n o l o g yo fm e a s u r i n gt h i c k n e s si nl a s e rc a nb ei n t e g r a t e dw i t hp r e s e n te q u i p m e n t a n dc r a f t ，w e i g h ta n dl e n g t ho ft r e a dc a nb ec o n t r o l l e db ys e t t i n gc o n t r o l l i n gl i m i t so f t r e a dc r o s ss e c t i o n t h i sp a p e ru s e dt h ei n s t r u m e n to fm e a s u r i n gt h i c k n e s si nl a s e r d e v e l o p e db y g u a n g z h o us c u tb e s t - t r ya u t oc o l t dt os t u d y i t s a p p l i c a t i o ni n t i r e e x t r u d i n g p r o d u c t i o ne x p e r i m e n t a l l y t h i sp a p e rs t u d i e di t sa p p l i c a t i o nc o n d i t i o n sa n da n a l y z e d d i s t r i b u t i o no fc r o s ss e c t i o na r e aa n ds i z ea n dw e i g h ta n dl e n g t ho ft r e a d 。t h i sp a p e r p u tf o r w a r dt a k i n gs h o u l d e rw i d t h ，c r o w nw i d t ha n dc r o s ss e c t i o na r e ai ne x t r u d i n g r e g i o na sc o n t r o l l i n go b j e c t sa n dc a l c u l a t e di t s c o n t r o l l i n gl i m i t si ns t a t i s t i c a lm e t h o d w i t ha ne x a m p l eo ft w ot y p e so ft r e a d ，a n di na d d i t i o na n a l y z e do v e r f l o wa l a r m t h i sp a p e ra n a l y z e di t s a p p l i c a t i o ne f f e c t sa n dc o n c l u d e da f t e rt e c h n o l o g yo f m e a s u r i n g t h i c k n e s si nl a s e r b e i n ga p p l i e d i n t ot r e a d e x t r u d i n gp r o d u c t i o n ，t h e e l i g i b l er a t ec a l lb ei m p r o v e dt o9 5p e r c e n ta n d1 5t o2h o u r sc a nb es p a r e de v e r y d a y ， a n da l s ot h e p r o c e s s i n gq u a l i t ya n ds i z ep r e c i s i o no ft r e a dc a nb ee n h a n c e da n d t h r o u g hc a l c u l a t i o n ，1 , 6 0 0 ，0 0 0y u a np r o d u c t i o nc o s tc a nb es p a r e df o re a c hl i n e k e y w o r d s ：m e a s u r i n gt h i c k n e s si nl a s e r ；t r e a de x t r u d i n g ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：夕巍日期：加砗月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名：7 辰 必 魏日期：加3 年月争日 台吼夕哆年多月岁日 物理量名称及符号表 b s r r p 厶p p e n t 厶j d c 厶p e x p v p u d 2c i 2o0 w i w ? h i h 3 l s7 l 2 s ， 厶l ， 厶l ， 厶l 口 7 _ ， 乃 a 1 a 2 a 3 b 1 h 3 物理量名称及符号表 挤出胀大比 收缩率 松弛时间 可恢复弹性形变 口型内的胶料温度 剪切速率 机头压力 总的压力降 入口压力降 口型内的压力降 出口压力降 粘性入口压力降 弹性入口压力降 口型长径比 口型入口角 入口自然收敛角 冠宽 肩宽 肩厚 冠厚 裁断长度 胎面裁断后的断面面积 胎面停放后的长度 胎面停放后的断面面积 胎面停放过程中的内在收缩量 胎面停放过程中的热收缩量 胎面停放过程中的总收缩量 胶料的线性胀大系数 裁断后的胎面温度 停放后的环境温度 胶料代号 胶料代号 i l l 华南理工大学工学硕士学位论义 p r s s p d f a n a y r t i t 2 t 3 t 4 s w p s ， s s 厶s 厶w 阱 胶料品牌 胶料品牌 断面尺寸平均值 断面尺寸变化范围 记录时间 挤出端胎面断面面积 胎面重量 比例系数 挤出端断面面积的控制下限值 挤山端断面面积的控制上限值 挤出端断面面积的控制中间值 挤出端面积公差 裁断后的重量公差 胎面重最合格标准下限值 第章绪论 第一章绪论 1 1 前言与综述 挤出是橡胶工业的基本工艺之一，也u q 压山工艺。它是指利用挤出机使胶料 在螺杆推动下，连续不断地向前进，然后借助于口型挤出各种所需断面形状的半 成品，以完成造型或其它作业的工艺过程。挤出工艺的优点是操作简单，经济， 半成品质地均匀、致密，容易变换规格和断面形状，设备占地面积小，结构简单， 造价低，灵活机动性大，而且能连续操作，生产能力大。因此j 、泛用来制造胎面 胶条、内胎胎筒、胶管、电线电缆和各种复杂断面形状的半成品。 1 1 1 橡胶挤出机 橡胶挤出机是挤出工艺的主要设备，它的基本结构如图l l 所示，它主要包 括挤压系统、口型、传动系统、加热冷却系统和电控系统。挤压系统主要由螺杆、 机简和机头组成。传动系统包括电机、减速器和凋速装置，用于驱动螺杆，保证 螺杆工作时的扭矩和转速。加热冷却系统由管道及各种加热、冷却器件组成，用 于控制操作过程的温度。控制系统由电器、仪表和执行机构组成。 2 ，34 6 7 l 一电机；2 机头：3 一螺杆：4 机筒：5 一喂料 _ | ；6 一减速器；7 一底摩 图l l 橡胶挤山机基本结构 f i g 1 一lb a s i cs t r u c t u r eo fr u b b e re x t r u d e r 华南理工大学工学硕士学位论文 螺杆是挤出机的主要工作部件，它由螺纹部分( 工作区) 和与传动装置联接 的部分组成。螺杆端部，一般制成弹头型或锥形，以避免死角、停滞区而使胶料 产生焦烧。螺杆有很多种类型，比如分流型螺杆，剪切型螺杆，剪切分流复合型 螺杆，传递型螺杆。螺杆螺纹部分的工作艮度和螺杆外直径之比为长径比，它为 挤出机的主要参数之一。长径比越大，胶料在挤出机内走的路程长，受到的剪切、 挤压和混炼作用就大，但阻力也大，消耗的功也多”1 。 机头的主要作用是将挤出的胶料引导到口型部位，同时形成必要的压力。将 离开螺槽的不规则、不稳定流动的胶料，引导过渡为稳定流动的胶料，使之挤出 口型时成为断面形状稳定的胶条。机头结构随挤出机用途不同而有很多种。锥形 机头用于挤山胶管、内胎胎筒。喇叭形机头可用于挤出轮胎胎面、胶片等扁平胶 条”1 。 机头前安装有口型。口型是决定压出半成品形状和规格的模具。通过口型的 变换，一台挤出机就可以挤出不同规格和形状的半成品。它一般可分为两类：一 类是挤出中空半成品用的，由外口型、芯型以及支架组成，如内胎胎筒、胶管； 另一类是挤出实心或片状半成品用的，它是一块有一定几何形状的7 l 板，也叫口 型板，如胎面等n 。 橡胶挤出机根据喂料方式的不同，可以分为热喂料挤出机和冷喂料挤出机两 大类。热喂料挤出机加入的是经过热炼工序的具有较高温度和可塑度的胶条。它 的长径比较小，一般在3 8 之间，螺纹沟槽的深度较大。由于热喂料挤出机的塑 化可以通过热炼机得到很好的控制，所以它的主要作用是补充塑化胶料和半成品 的成型，这是它的最大优点“。 冷喂料挤出机加入的是处于室温状态的较硬的胶条或块状橡胶。它的长径比 较大，一般在8 2 0 之间，螺纹沟槽的深度较浅。冷喂料挤出机的螺杆除了压实 和输送胶料外，还必须塑化胶料。这是它的特点，也是它的难点。传统的冷喂料 挤山机没有解决胶料的塑化问题和混合均匀性问题，所以没有得到广泛的应用。 直到2 0 世纪7 0 年代后期出现了销钉冷喂料挤出机以及2 0 世纪9 0 年代出现了传 递式销钉冷喂料挤出机，才开始慢慢解决了塑化问题，使冷喂料挤出机得到了广 泛的应用n 。 1 1 2 挤出原理 1 1 2 1 胶料的挤出过程 如图1 2 所示，胶料白加料口进入后，通过螺槽底部表面与机筒内擘之f 司间 隙产生摩擦作用，在螺杆挟带和推挤作用下向前运动。开始时并不充满螺槽，随 后在螺杆的压缩，剪切和搅拌作用下，逐步升温产生塑性变形，充满螺槽，呈现 粘性流动状态。到达机头时，胶料彼充分压缩，并以一定压力和温度通过机头、 口型，得到不同形状的半成品n - 。 a 一开始胶料状态；b 一经过转动后胶料形成团状前进 c 一胶料渐成流动状态但仍有空隙；d 一胶料完全形成流动状态 图i 一2 胶料的挤山过程 f i g 1 - 2e x t r u d i n gp r o c e s so fr u b b e rc o m p o u n d 在挤出过程中胶料所受压力是不断变化的。由于螺杆旋转的推力和机头口型 的阻力，因而产生了挤山中的压力。它与胶料硬度、螺杆的几何参数，以及机头 口犁的通流截面的大小以及螺杆转速等有关。螺杆转速对挤出压力的影响不太显 著，而口型截面对挤出压力的影响就较为显著m 。 在挤山过程中，挤出机内温度变化是不均匀的。一般来说，由于螺杆的强烈 剪切和压缩作用，胶料温度从加料口到口犁处是逐渐升高的。即加料口最低，机 筒段较高，机头口型处最高。 1 1 2 2 胶料在螺杆和机简间的流动 胶料在螺杆和机筒间的流动，既具有固体沿轴向运动的特征，又具有流体运 动的特征，这两种特征在螺杆的不同部位表现不同。螺杆依其作用的不同大体上 可分为加料段、压缩段和挤出段等三个工作段。在冷喂料挤出机中，这三段较为 明最，而热喂料挤出机中喂料段和压缩段似乎难以分开。 加料段的作用是吃进胶料。胶料在螺杆的推挤作用下，在螺杆螺纹沟槽表面 与机筒内表面之间形成相对运动，在喂料l j 处连续形成胶团，这些胶团边转动边 前进，逐渐压实。胶料由硬变软，开始塑化。 塑化段的作用是压缩、加热、塑化胶料，并把胶料中夹带的空气经加料段排 f ：。由加料段送来的胶团互相粘结，在螺杆轴向力作用下逐渐压实。被压实的胶 料在螺杆与机筒之问受到摩擦力的作用，使胶料继续受到压缩与剪切变形，受热 华南理工大学工学硕士学位论文 并塑化，胶料由高弹的固体状态向粘流态转化。 挤出段的作用是将粘流态胶料进一步塑化均匀，并输送到机头和口型挤出。 在挤出段中，胶料向前流动时，会受到机头和口型的阻碍，大量胶料停滞于机头 处，产生较大流体静压力。它一方面阻碍胶料向前流动( 产生反压力) ，另一方面 又推动胶料流过口型。 在挤出段中胶料的流动大致可分解成两个方向上的流动；一是垂直于螺纹线 方向的流动，一是平行于螺纹线方向的流动，沿平行于螺纹线方向的流动使胶料 向前推进。但由于机头的反压力作用，又会使一部分胶料向相反方向流动。沿垂 直螺纹线方向的流动，则会使胶料在螺槽空间形成环流。 总之，胶料在螺杆和机筒问的流动可分解为顺流，逆流，横流和环流四种形 式，但实际上，胶料的运动是这几种运动的综合。因此胶料在挤出机中能受到剪 切、挤压及混炼作用。 1 1 2 3 胶料在机头中的流动 胶料离开螺槽到口型板挤出之前区间的流动，称为机头内流动。胶料在以长 条形的胶团向前推进中，不断受到挤压和压缩，在离开螺槽进入机头时，己被压 缩成一整体，但是形状不规则，表面不光滑。 为了使压出的胶条断面形状固定，胶料在机头内的流动必须是均匀和稳定的。 为此机头的结构要使胶料在由螺杆到口型的整个流动方向上受到的推力( 压力) 也流动速度尽可能保持一致。例如，在设计轮胎胎面胶条挤出机头时，如果根据 口型板和胎面胶的形状，将机头的那腔曲线设计为中间缝隙大，两边缝隙小的通 道，就会造成中间阻力小、流速大，很易挤出：两边阻力大，很难压山。这样挤 山的胶料变形收缩很不规格。故从离开螺槽末端开始，增加中间的阻力，减小两 边缝隙的阻力。方法是减小中间缝隙，加大两边缝隙。到口犁板时，才逐渐变为 胎面胶所要求的形状。这样胶料流动速度和压力比较均匀一致w 。 图l 一3 不同的胶料在口型内流动速度分布 f i g 1 - 3d i s t r i b u t i o no ff l o ws p e e di nd i eo fd i f f e r e n tr u b b e rc o m p o u n d 1 1 2 4 胶料在口型中的流动 胶料在口型中的流动是胶料在机头中流动的继续，它直接关系到挤出物的形 第一学绪论 状和质量。胶料是在在机头所形成的流体静压力作用下流过口型的，因此，胶料 在口犁中流动只表现为轴向运动。由于口犁的横截面一般都比机头的横截面小， 而且口型壁的长度一般都很小，胶料在口型中的流速很大，形成的压力梯度很大 ( 从口型入口处的最大值到口型山口处降至零) ，所以胶料的流动速度是呈辐射状 的，如图1 3 所示m 。 1 1 3 胎面的挤出成型工艺 轮胎一般由外胎、内胎和垫带组成。外胎由胎体、胎面和胎圈三部分组成。 其中胎面是外胎与地面直接接触部分，它承受摩擦、刺扎。减弱来自路面的冲击 与振动，传导车轮的牵引力和制动力。 一直以来，胎面胶半成品都是用挤出工艺生产：的。它具有很多优点：操作容 易，更换胎面规格迅速，挤出胎面质量好；能同时挤出多种配方的胎面，容易实 现自动化、联动化和连续化的流水作业。 根据使用的挤出机的不同，胎面的挤出成型工艺可以分为热喂料挤出成型和 冷喂料挤出成型。热喂料挤出成型使用的是热喂料挤出机。这里热喂料挤出机主 要起的作用是补充塑化胶料和半成品的成型，这也是热喂料挤出成型工艺最大的 特点，也是最大的优点。所以热喂料挤出成型工艺一直在橡胶工业使用了1 0 0 多 年，目前在中国仍占有一定的地位。然而，热喂料挤出成型工艺除了工艺流程复 杂，电能消耗大外，还有两个不可克服的问题：一是由于螺杆长径比较小，机头 压力容易受到喂料条件的影响导致机头压力波动，使半成品质量的均匀性卜降； 二是由于喂入的胶料可塑性高，流动性相对较大，受机头压力影响产生回流，很 难建立较高的挤出压力，使机头压力偏低，导致挤出半成品质地疏松，宜接影响 成品质量的提高。为了克服上述问题，在2 0 世纪4 0 年代出现了冷喂料挤出成犁 工艺“。 冷喂料挤出成型使用的是冷喂料挤出机。胶料通过大k 径比的螺杆一机筒系 统的剪切、混合、挤压的联合作用，使胶料达到预期的塑化程度，然后通过机头 的成型而获得致密性好质量高的半成品。由于冷喂料挤出工艺使用了冷胶料和大 直径比的螺杆，使其具有两个特点：一是机头压力受喂料条件影响较小，机头压 力容易保持稳定，则其挤出半成品质量均匀性好；二是冷喂料喂入，其在加料段 的挺性较好，容易建立起压力，而且机头压力对回流影响较小，敏感性较低，则 其机头压力比较高，一般比热喂料的机头压力高出2 4 倍。使得挤山的半成品在 较高的机头压力作用下而获得致密性好的质量效果。因此从简化1 二艺过程或提高 半成品质量来看，冷嗤料挤山工艺将会取代热喂料挤出工艺m 。目前冷喂料挤山 是胎面挤出的主要成型工艺。 从使用性能看，胎面胶叮分为胎冠、胎冠基部和胎侧三部分。普通轮胎是将 华南理工大学工学硕士学位论义 三部分制成一个整体，供成型时使用，而子午线轮胎分胎冠( 包括胎冠基部) 和 胎侧两部分，供成型时使用“1 。 胎面胶的挤出方法，可分为整体胎面挤出和复合胎面挤出两类。在复合挤出 中又可分为外复合挤出和内复合挤出。 1 1 3 1 整体胎面挤出 胎面整体挤山可用同一种胶料，在一台挤出机上用扁平机头压出成型，电可 用两种胶料、两台挤出机、用复合机头挤出。两种胶料为胎冠和胎侧( 包括胎冠 基部) ，或胎冠( 包括胎冠基部) 和胎侧m 。 ( a ) 两方两层复合胎面：( b ) 两方三块复合胎面；( c ) 三方四块复合胎面 图1 4 斜交胎复合胎面示意图 f i g 1 - 4c o m p o u n dt r e a ds k e t c ho fc r o s s b i a st i r e ( a ) 胎面胎冠复合胎面；( b ) 胎冠胎底复合胎面；( c ) 胎冠胎底胎侧复合胎面 图i 一5 子午线胎复合胎面示意图 f i g 卜5c o m p o u n dt r e a ds k e t c ho fr a d i a lt i r e 1 1 3 2 外复合胎面挤出 复合胎面挤出成型是由两台和两台以匕的挤山机分别挤出胎面有关部件的形 状和尺寸，然后进行复合而形成所需形状和尺寸的胎面。胎面复合挤出成型按胎 第一争绪论 种结构分有斜交轮胎复合胎面和子午线轮胎复合胎面。按配方的数量和零件的块 数一般分有：两方两层复合胎面，两方三块复合胎面、三方四块复合胎面以及四 方五块复合胎面。两方两层复合胎面即采用两种配方，进行上层和底层的的复合。 两方三块复合胎面即是采用两种配方，进行胎冠和两胎侧的复合。三方四块复合 胎面即是采用三种配方进行胎面复合，由胎面胶配方、胎面下层胶配方和左右两 块侧胶配方的复合，见图l 一4 和图l 一5 所示。四方五块复合胎面由四种不同 的胶料以五块胶片形式组成，这样的胎面能够充分利用各种胶料的特性，发挥各 自作用，提高胎面的质量，其结构如图3 一l 所示”1 。 根据胎面的复合方式可分为外复合和p , s 复合两种。外复合胎面挤山成型最常 用的是胎冠与j t 台f , 1 0 的复合。由一台挤出机进行胎冠的挤山成型，由另一台挤出机 进行胎侧的挤出成型，然后在机外由压合装置将胎冠与胎侧压合成一体的胎面。 这种外复合胎面挤出成型可以降低成本，挤出设备比较简单，技术上比较容易实 现。但是复合的表面容易受外界条件的影响，而且压合合压力比较低，因此结合 面容易产生气泡、粘结不牢以及尺寸误差较大等弊病。目前这种方法仍然在许多 轮胎厂中使用，这是因为这种方法比较经济，同时使用经验也比较成熟和易于掌 握。不过外复合挤出工艺所挤出成型的胎面质量很难满足现代轮胎高质量的要 求。这是一种过渡性的工艺方法，其将为胎面内复合挤出成型工艺代替“】。 1 1 3 3 内复合胎面挤出 内复合胎面挤山是指胎面的各部件分别由相应的挤出机塑化和挤出，然后在 机头中通过各自的流道进入预口犁板，最后在同一口型中进行复合，此时从机头 中出来的胎面则是一条完整的复合胎面。这种胎面复合挤出工艺，因为其复合是 在机头内进行的，不受外部环境的影响，而且是高压的机头压力下压合的，因此 从工艺特点来看，其复合质量高，不易夹气，粘结牢固以及尺寸精确。 内复合胎面挤出又可分为双复合、三复合和多复合胎面挤出。轮胎厂常用的 是双复合和三复合胎面挤出。由于此法技术上比较复杂，所以这种工艺方法在轮 胎工业中，尚未得到广泛的应用，只是在一些特大型工厂和经济实力雄厚的企、l e 中局部使用。但从宏观和发展眼光来看，这种方法对提高产品质量，提高，“品质 量，提高生产效率、降低能耗、实现机械化、连续化、自动化、智能化是一个发 展方向。尤其是胎面内复合冷喂料挤出成型工艺将会有突破性的进展和得到广泛 的应用w 。 1 1 3 4 胎面的挤出工艺过程 以冷喂料挤出成型为例，它主要包括以下几个基本工艺过程n t 】： ( 1 ) 预热加料前，先预先加热机筒、机头和口型，以使它们达到规定的温度， 使胶料在挤 机的工作范围内处于热塑性流动状态。 ( 2 ) 供胶冷喂料挤出成型时主要三种供胶方式：人工供胶、辊式供料装胃供胶 华南理工大学工学硕士学位论文 和恒应力运输带供料装置自动供胶。人工供胶一般用在小型冷喂料挤山机中，辊 式供料装置一般用在中小型冷喂料挤出机中。恒应力运输供料装置一般用在大中 型的冷喂料挤出机中。 ( 3 ) 挤出挤出操作开始后，要调节挤山机的转速、挤山温度和接取速度，并测 定和观测挤出胎面的尺寸、表面状态、厚薄均匀程度，直到符合要求的公差范围 为止。 ( 4 ) 预缩为了防止胎面收缩过大，一般要使挤出胎面经过强制收缩辊道装置， 使其在长度方向强制收缩，预缩率可达5 一1 2 。 ( 5 ) 冷却挤出胎面在离开口型时，温度较高，达1 0 0 以上。为了防止胎面在 存放时产生自硫，使胶料恢复一定的挺性，防止变形，并使挤出的断面尺寸稳定， 必须对胎面进行冷却。常用冷却方法有水槽冷却和喷淋冷却。 ( 6 ) 裁断、称量和收集经过冷却后的胎面半成品，需横向定长裁断。然后检查 称量重量、长度，合格的进入胎面收集辊道装置，被放到有隔离垫布的百叶车上 停放，等待使用。不合格的就经纵向裁断后，返同再用。 ( 7 ) 停放胎面收集后要经过一定时间停放，以稳定其变形。停放时不得相互挤 压。停放环境温度宜较低，以防止焦烧。 1 1 4 胎面挤出联动线 完成胎面挤出成型的所有工艺流程的整个胎面挤山生产线，一般称为胎面挤 出联动线。下面以广州珠江轮胎厂胎面挤出车间的冷喂料复合挤出联动线为例， 说明它的工艺流程和原理。 如图l 一6 所示，两种胶料通过供料装置分别喂入冷喂料复合挤出机l ，再由 双复合挤出机头挤出。挤出胎面胶条由接取装置3 进行接取和输送，然后挤出胎 面经强制收缩辊道4 ，使其初步收缩，以拉高胎面的定长= 精度。在打印装置5l - 打印标记，可打印多种眼色，以辨认各种不同规格的胎面，陔装置还可以打印字 母和数字，以区别胎面产成班次等。挤出胎面连续通过连续自动称嚣装置6 ，初 步检查挤山胎面的单位k 度重量，以便于及时凋整挤出机的速度。对于需要贴和 胎侧胶的胎面，就会和由胎侧挤出机2 挤出的胎侧在7 处进行贴雨1 。随后挤出胎 面经过翻转装置8 ，可使胎面沿轴向连续翻转1 8 0 。，使胎面的下面翻到上面，以 便于在胎面贴和所需的胶片。胎面通过定中心的辊道9 ，使胎面保持在辊道的c 1 心位置。其后通过压延机上面的辊道，与由两辊压延机l o 压出的缓冲胶片在辊道 e 复合，再经过压实辊压实贴和。压合后的胎面通过上升输送带l l 上进入冷却水 槽1 2 ，使其充分冷却，然后经倾斜运输装置进入定k = 截断装置1 3 ，按给定k 度对 胎面进行横向裁断，裁断完的胎面进入快速分离辊道1 4 。接着送入辊道称1 5 ，进 行重最检查。合格品则进入胎面收集装置1 6 ，不合格品则经纵向切割后，可吲收 第一荜绪论 再用”。 l 一胎冠胎肩复合挤出机；2 一胎侧挤出机；3 一接取装置；4 一强制收缩辊道 5 一打印装置：6 一连续自动称量装置；7 一接取贴和装置：8 一翻转装置； 9 一辊道：1 0 一贴缓冲层装置：1 1 一上升运输带；1 2 一冷热装置； 1 3 一定氏切割装置；1 4 一快速分离辊道；1 5 一辊道称；1 6 一胎面收集装置 图卜一6 胎面挤出联动线示意图 f i g 1 6s k e t c hm a po fl i n k e dp r o d u c tl i n eo ft r e a de x t r u s i o n 1 2 胎面挤出过程中的问题 胎面挤出过程中，会出现许多问题，比如产率，尺寸稳定性，过热，畸形与 挤出不稳定性以及挤山半成品表面粗糙等等。一直以来，许多工厂、科研单位的 技术员、研究员都一直在研究如何从设备、工艺、配方等各个方面提高胎面的挤 出质量，增加工厂的效益。在几代人的努力下，现在的挤出生产线和以前的相比， 有了很大的改进，比如用冷喂料挤山机代替了热喂料挤出机，水喷淋冷却代替水 槽冷却，计算机屏幕监控，生产线的联动化和自动化等，这些改进不仅在一定程 度上提高了胎面的挤出质量和劳动生产率，而且为工厂带来了一定的经济效益。 虽然有上述的许多改进，但随着轮胎工业的发展，对胎面挤出的质量要求也 越来越高，而且目前在胎面挤出生产中还有一些问题没有解决。下面以j “州珠江 轮胎厂为例进行说明。 华南理工大学工学硕士学位论文 一是生产率浪费过大。目前工厂每班生产9 一1 2 种规格的胎面，平均每天换 3 4 次口型，每次换口型到稳定生产大约要1 5 分钟左右，如果不换口型只换胶 料也需要1 0 分钟左右达到稳定生产。可见生产率的浪费是很大的。 二是胎面的合格率有待提高。目前在胎面挤出生产中，对胎面质量的要求主 要有两方面：胎面的重量和胎面的长度。表l l 是工厂的工艺标准，如果胎面的 重量和长度波动太大，超过工艺标准，就会出现不合格胎面。据统计目前工一稳 定生产时的合格率大约为8 6 上下。如果加上稳定生产之前浪费的胎面数，合格 率则更低。 表1 1 工艺标准( 摘录) t a b l e l 一1t e c h n i c a ls t a n d a r d ( e x c e r p t ) 品牌p r 规格 1 0 o o 一2 0 层级1 6 p r成型方法套筒法 项目冠胶肩胶底胶侧胶 胶料代号 a la 2b lh 3 螺杆转速( r m i n )6 0 33 9 33 0 3 总重量( k g ) 2 3 0 0 鬈 净长度2 1 0 0 + t 2 0 切割氏度2 1 3 0 ：1 2 0 生产一条不合格胎面浪费的人工费大约为7 元人民币左右，工厂年产1 5 0 万 条胎面以上，一年之中浪费的人工费至少也有1 5 0 万元人民币。而且不合格胎面 经返回再用也会降低胶料的物理特性和挤出性能，从而影响胎面的成型质最。 这些问题出现的原因是由于工厂现有的工艺方法不能满足现代胎面挤出生产 的需要，需要对它进行改进。 1 3 课题来源和研究意义 为了提高生产率，降低原材料消耗，提高胎面的尺寸精度和成型质量，需要 对目前的工艺方法进行改进。我的导师张海教授和其它几位老师一起承担起这个 项目的研究。目前这个项目是广东省的重点攻关项目，并和工_ r 签订r 有关的合 同。据初步统计，改项目研究成功至少一年可以为工厂节省2 0 0 2 5 0 万元人民币。 本课题是该项目中的。一部分。主要是针对工厂现有的工艺方法的缺点，把激 光测厚技术引入到胎面的挤出生产线，对激光测厚在胎面挤出生产中的应用进行 实验研究。而且本课题的研究为该胎面挤山生产线的智能化的进一步研究做r 铺 垫，所以本课题的研究是很有实际价值和经济前景的。 o 第一葶绪论 1 4 研究内容 一直以来胎面挤山生产线上都没有应用过激光测厚技术，所以在正式应用之 前，必须对它在胎面挤出生产线上的应用进行实验研究。本课题主要根据胎面挤 山的胀大和收缩理论，研究激光测厚技术在胎面挤出生产线上的应用条件、应用 目的、应用后的效果等相关内容。 1 5 本章小结 本章是绪论，主要叙述了胎面挤山工艺的相关背景理论，并讨论r 胎面的几 种挤出成型工艺和方法，同时还分析了目前胎面挤出生产中的主要问题，从而引 出本课题的来源，研究意义和研究l = | 容。后续各章将具体讨论胎面的挤出胀大和 收缩理论、激光测厚在胎面挤山中的应用以及实验研究和实验数据的处理和分析。 华南理工大学工学硕士学位论文 第二章胎面的挤出胀大和收缩 裁断后胎面的重量和艮度是评定胎面合格的主要指标，如果胎面的重量和氏 度出现了较大的波动，就会影响胎面合格率。胎面的重量和长度则和挤出过程中 发生的挤出胀大和收缩变形有关系。胎面挤出的全过程主要包括挤出、冷却、裁 断、停放至胎面尺寸稳定。在整个过程中，胎面虽然经历各种复杂的变形，但主 要表现为胀大和收缩。挤山胀大是指胶料从口型挤出后，挤山物的断面尺寸较口 型断面尺寸的增大的现象，如图2 1 所示。它通常用挤出胀大比b 来表示，即 挤出物半成品尺寸与口型相应部位断面尺寸之比： 。挤出物断面尺寸 ( 2 一1 ) 口型断面尺寸 7 ，； _ ”脚 ，t 7 。， ， t 、2 、3 一不同胶料 图2 一l 不同的胶料的挤山胀大变形 f i g 2 ld i e s w e l lo fd i f f e r e n tr u b b e rc o m p o u n d 挤出收缩是指挤出后的半成品在停放过程中发生的厚度增加，长度和宽度变 小的现象，它通常用收缩率r 来表示： 。：兰堕生堕望! i ! ! 攀三；篁氅! ：! 塑厦堡壁1 0 0 ( 2 2 ) 半成品停放前长度 。 挤出胀大和收缩是挤出半成品尺寸稳定性问题的两个主要表现。从流变学的 观点看，胀大和收缩现象的出现都是由于胶料具有粘弹性，在加工过程中，不仅 发生不可逆的塑性形变，而且还发生可逆的弹性形变：离开口型后，一部分弹性 形变在半成品离开口型后就发生恢复，从而产生挤出胀大；而另一部分弹性形变 由于受到分子链的粘滞或滞后作用，需要经过一段时间才能恢复平衡，也就是说 在挤出半成品的停放过程中产生恢复，从而导致收缩。从分子结构观点看，是分 子链在挤出过程中受到剪切或拉伸的作用而舒展和取向，由于在口型中来不及松 弛和解取向，在离开口型之后继续松弛和解取向，在不同时间的恢复就导致_ r 胀 第二章胎面的挤出胀大与收缩 大和收缩现象的出现”“。 2 1 挤出胀大 2 1 1 产生机理 要深入理解挤出胀大的实质，就必须了解可恢复弹性形变的产生机理，它可 以归结为一下两点n ，： ( 1 ) 入口效应。物料进入口型之前，由于机筒尺寸较大，流动速率较小，进入 口型后，尺寸比较小，流动速率较大。在口型入口处的流线是收敛的，所以在口 型入口处产生收敛流动，在流动方向产生速度梯度，对高分子链起拉伸作用，使 分子链部分地拉直( 构象变化) ，在体积基本不变( 体积变化仅o 0 5 左右) 的情 况下，产生可恢复的弹性形变。由于挤出流速快，在口型内的停留时间短，部分 拉直了的分子链来不及在口型里松弛图l 缩，就把弹性形变带出口型之外。实际上， 在入口效应中，不仅有拉伸，也有剪切作用。 ( 2 ) 剪切流动。高分子链在口型中的剪切流动也伴随有弹性形变，即在口型中稳 定流动时，由于切应力、法向应力差会使分子链的构象变化，产生可恢复弹性形 变，它在离开口型后也会恢复，产生挤出胀大。 从高聚物的分子结构理论”。来看，胶料作为一种粘弹性高聚物，它的可恢复 弹性行变的恢复过程实际上是分子运动的过程。高聚物的分子运动大致分为两种 尺寸的运动单元，即大尺寸单元和小尺寸单元。前者是指整个大分子链，后者是 指链段和链段以下的小运动单元。由于高聚物的分子很大，具有明显的不对称性， 分子间和分子内相互作用很强，本体粘度很大。所以不管是大尺寸单元还是小尺 寸单元的运动，都不可能瞬时完成，是需要一定时间的，只不过长= 短不一样，我 们把这个时间统称为松弛时间，用r 来表示。它可以从与小分子相似的松弛时间 起一直到几个月，几年，甚至更长。由于温度升高，分子的热运动能和活动空间 增加，松弛时间减小。所以可恢复弹性形变的恢复过程是一种松弛过程，它具有 时间依赖性和温度依赖性。 2 1 2 影响因素 由上述知道，挤出胀大比b 主要取决于挤出时产生的可恢复弹性形变s 。的大 小、物料松弛时间r 的氏短以及联动设备等因素。s r 大，胀大比b 就大。松弛时 间较短，弹性变形恢复得快，胀大比b 就小。总结起来，包括以下几个因素： 2 1 2 1 胶料性质 ( 1 ) 化学结构“1 不同聚合物的化学结构不同，具分子运动的阻力不同，最大松 弛时间不同，在加工过程中的变形大小也4 i 样。例如天然橡胶的挤山胀大一股 华南理工大学工学硕士学位论文 比丁苯橡胶，丁晴和丁基橡胶大。 ( 2 ) 分子量n 分子量越大，可塑度变小，分子问的作用力变大，熔体的切粘度 变大，松弛时间变长，弹性形变松弛变慢，胀大比越大。 ( 3 ) 分子量分布分子量分布越宽，高分子量级分子越多，松弛时间越k ，胀 大比大。分子量分布对胎面挤出胀大的影响比分子量要大。 ( 4 ) 支化程度“。支化程度高，k = 支链支化会产生分子链缠结，使松弛时间延长， 故胀大比大。 ( 5 ) 胶料配方加入填充剂，补强剂可以减小橡胶挤出的胀大比。这是因为碳黑 能吸附橡胶分子，而且优先吸附高分子量级，产生吸留橡胶，吸留橡胶是不能移 动的，吸留橡胶越多，自由橡胶越少，从而降低胶料的弹性。而且经研究发现减 小碳黑粒径和提高碳黑填充量可减少橡胶挤出的胀大比o 。 加入软化剂，包括增塑剂，可以减小分子间的作用力，缩短橡胶大分子松弛 时间，也能降低胀大比”。 加入再生胶，可改善挤出性能，减小胀大比。这是因为再生胶绝大部分是不 太氏的支链，流动性好，再加上再生胶本身有油，故挤山性能好w 。 除了以上主要因素外，y s a s a k i 和m r k a m a m - 等人研究了惯性和重力对挤出 胀大的影响，认为重力将减小胀大比。 2 1 2 2 工艺条件 ( 1 ) 挤出速度n 】当其它的参数不变的情况下，挤出速度高，剪切速率t 高，口犁 内的停留时间缩短，来不及松弛，同时产生的可恢复弹性形变s r 增大，故胀大比 增大，反之则减小。 ( 2 ) 温度t ”。温度r 升高，胀大比减小。因为温度高，分子活动能量增大，分 了_ 间距离增大，分子间作用力变小，松弛时间缩短；同时温度升高胶料变软，易 流动，弹性变小，故胀大比变小。 ( 3 ) 挤出压力”“1 挤出压力是由于螺杆旋转的推力和机头口型的阻力而产生 的。它在螺杆端部附近压力达到最大值，到离开口型压力降至零。螺杆转速对机 头压力影响不太显著，但口型截面对机头压力的影响较为显著。总的压力降厶p ， 包括入口压力降厶p e r 、口型内的压力降厶p c 和山口压力降p e x 。入口压力降 由包括粘性入口压力降厶j d ，和弹性入口压力降厶p e 。试验研究表明胀大比b 随入 口压力降厶尸“r 的增加而增加。 2 1 2 3 口型的尺寸 ( 1 ) 长径比l