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        破壞性測量系統(tǒng)能力分析在橡膠材料摩擦系數測試中的應用

        2023-08-15 11:47:58鄧昌友
        橡塑技術與裝備 2023年8期
        關鍵詞:量具橡膠材料摩擦系數

        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,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[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,國內沒有橡膠、輪胎行業(yè)測試領域的專用測定標準,為填補國內在橡膠、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,依據該標準開展的關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)對工序質量改進的保證程度,確保測試所得數據的真實性與可靠性[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連續(xù)取樣,或者同一產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 破壞性項目測量設備選用策略

        優(yōu)先選擇自動化程度較高的設備,這種設備往往具備自校準、自動測試與分析功能,可以按照預設程序給出測試結果,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

        在摩擦性能相關技術研究中,都需要用到摩擦性能測試設備,主要以測定摩擦系數為目標,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;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[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,根據促使兩表面相對移動的力值測算摩擦系數”的原理進行摩擦系數測試,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,重點闡述的內容是安裝不同試驗軌道中出現的問題以及解決方法。

        3.1 測試標準

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

        3.2 測試設備

        采用SP-2100-IMASS 磨擦系數測試儀,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。

        圖1 SP-2100-IMASS 磨擦系數測試儀

        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,試樣數量為45 的倍數,在連續(xù)生產的成品樣品中取樣,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 測量與數據收集

        依據GB/T 40721—2021 第11~16 步驟進行測量,讀取動摩擦系數結果,并記錄數據。

        3.6 量具測量能力Cg/Cgk

        由于自動測量設備受測試人員的干擾較少,因此從經濟性、便捷性的角度出發(fā),先進行量具Cg/Cgk評估,這是檢測設備的測量能力是否滿足被測質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,本實驗采用取連續(xù)生產的成品局部采樣制成平行樣的方法,根據實際經驗,“ 參考值” 選項可以填寫45 個數據的平均值,在數據分析環(huán)節(jié)重點關注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的形變,推測該形變與磨損有關。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,經調研與試驗,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果

        結合不銹鋼軌道的動摩擦系數明顯偏低的試樣對應的測試過程,發(fā)現不銹鋼軌道的緊固裝置需要改進,一是調平,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域,測試人員發(fā)現,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過程的要求也同時降低了,反而要求更高了。實際生產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過程能力,生產過程中理應有合理地、系統(tǒng)地關鍵控制點確保生產過程穩(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

        GB/T 40721—2021《橡膠 摩擦性能的測定》標準的發(fā)布實施,填補了國內在橡膠、輪胎行業(yè)摩擦性能測試標準的空白,依據此標準,結合輪胎領域橡膠材料的摩擦系數測試的特點與難點,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。

        (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,這是檢測設備能力是否滿足被測質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,需要依據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。

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