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数控加工在轮胎模具花纹加工中应用 |
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作者：广东巨轮模具股份有限公司 陈志勇 曾旭钊 |
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轮胎模具的花纹本来就复杂多变，而随着各大轮胎厂商为了提高竞争力，都加大轮胎花纹的复杂性和对轮胎模具的要求，轮胎花纹变化相当快，品种多样化，模具的交货期也越来越短。在采用高速数控加工的手段来加工轮胎花纹过程中，往往要根据模具花纹型腔的特殊结构快速地做出工艺调整，这给技术人员带来了麻烦。因此，针对轮胎花纹的特殊性以及可循的规律性，我们通过分析其加工工艺性问题，并进行相关的优化，以此提高了加工效率。
数控加工和传统加工一样都有着特有的加工工艺性，轮胎花纹数控加工也不例外，下面就轮胎花纹数控加工的工艺性、加工特点及其工艺优化等问题进行简单分析。
轮胎花纹结构的工艺性分析
熟悉轮胎模具结构及其加工的人都知道，轮胎花纹块内腔的结构工艺性符合数控加工的特点，即：
(1) 块的内腔和外形具有统一或近似的结构和尺寸，该结构可减少刀具规格和换刀次数，使编程方便，生产效益提高。
(2) 轮胎花纹形状虽然千变万化，但很多花纹具有圆角转角，其适合采用刀具直接加工。
(3) 模具花纹块，加工时都能采用其背面做为统一的基准定位，以保证多次装夹加工後其精度相对准确。
(4) 纹块背面有合适的孔作为定位基准孔，或者有定位凸台作为统一基准，是花纹块达到一次装夹後完成所有加工位置，提高其加工的刚性和可加工度。
轮胎花纹数控加工的工艺特点
轮胎花纹的数控加工与常规数控加工原则上没有差别，也和传统加工的原则基本上是一致的。但因为轮胎花纹具有其特殊结构，因此具有自身的特点：
多弧度多角度的特点，只有采用数控加工才保证精度
轮胎花纹具有弧度多、角度多的特点（见图1），采用传统的加工手段无法精准完成，即使采用目前流行的电火花加工工艺也存在一些无法解决的问题，例如无法解决每个位置保持方向的加工问题，更不用说采用三轴或四轴等常见的数控加工了。
图1 轮胎模具花纹块
工序高度集中，适合数控加工
在轮胎花纹的加工过程中，其加工工序高度集中，主要以铣加工为主，但因为加工的角度、转角等不统一，有些花纹还有薄而高的小筋条或者窄而深的小槽，甚至是表面不规则的坑坑洼洼结构，所以其对刀具的要求比较高。五轴数控加工中心通常载有刀库，并具有多维转换的功能，可以完成自动换刀，实现工序复合，实现工序的高度集中。
数控加工应用於轮胎模具的特点
(1) 工件的加工时间缩短。对一副轮胎模具的花纹圈，若采用铸造技术要30天的时间，采用电火花技术则需要20天的时间。若采用高速加工的直接雕刻模具，一般为10天，可见能大幅减少加工时间。
(2) 工件一次装夹後既可以进行粗加工，也可以进行精加工，对花纹角落的处理更是灵活多变。轮胎花纹多为小块状，拐角特别多，用五轴加工中心只需一次装夹就能把所有的花纹都雕刻出来。
(3) 由於切削力和切削温度的降低，使得刀具磨损降低，使用寿命延长。而刀具的造价在工件加工的成本价中占有一定的比例。
(4) 数控加工可以实现以切代磨。用切削工艺代替磨削工艺具有刀具结构简化，工艺灵活性强、节省能源等优越性，这些都使得工件的加工成本降低。
(5) 与常规加工工艺比较，可以简化加工工序从而降低加工成本。如模具型腔的加工，用常规加工工艺是：毛坯退火—粗加工—调质处理—半精加工—电极加工—电火花加工—人工抛光等。而采用数控加工技术，则加工工艺可简化为：毛坯退火—粗加工—调质处理—精加工—超精加工。这样就省去了电极制作的加工工序，降低了生产成本，也消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工。
(6) 提高了加工质量。因为数控加工时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由於切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。从动力学角度分析频率的形成可知，切削力的降低将减小由於切削力产生的振动（即强迫振动）的振幅；转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的固有频率，避免共振的发生。因此数控切削可大幅度降低加工表面粗糙度，提高加工质量。
图2 轮胎花纹模具
优化工艺，提高效率
高效刀具的选用
在数控加工中，正确地选择数控刀柄、刀具是很重要的。对数控刀具总的要求是安装调整方便、刚性好、精度高、耐用度好，在此基础上综合考虑工件材料的切削性能，机床的加工能力，数控加工工序的类型，切削用量以及与机床和数控装置工作范围有关的诸多因素。
对於轮胎模具的数控加工来说，为缩短生产周期，降低加工成本，我们在数控雕刻中选用了以下几种比较适合高速切削加工用的刀柄系统（图3-图7）。
图3中是适合高速加工的刀柄系统弹性夹套和热缩式刀柄。弹性夹套，这种夹紧系统是当前较流行的。由於其性价比较高，在欧美及中国市场广泛认同。尽管其价格高於PG/TG弹性夹套，但因其精度高，所以适合於高速切削加工。该系统的优点是：同心度较好；相对小的本体直径；夹紧力大；需要一个平衡的螺帽系统；不同类型的密封圈。
热缩式刀柄采用新的技术和设计。尽管它对所夹持的刀具有一定的要求，且需特殊的设备，但它具备了以下特点，所以备受某些领域特别是模具工业越来越多用户的青睐。其优点是：同心度较好；相对小的本体直径；离心力低；均匀的材质；夹紧力大；动平衡度很高；本体经热处理；有加热系统。
高精度HP（High Precision）夹套，采用新的技术和设计。尽管与ER弹性夹套相似，但夹紧方式是通过定位而不是螺纹，其精度可提高3倍，其价格比液压夹套低。该夹套的主要优点是：同心度好、夹紧力大、本体直径小、易於清洗、离心力小、易做动平衡。
液压刀柄采用新的技术和设计。由於采用了液压技术，所以装卸方便，定位准确。其优点是同心度好、本体直径小、易於清洗、拆卸方便等。
而对於铝材质的花纹块，加工时我们选用刀具时则兼顾了效率和成本，主要采用了螺纹铣刀（如图6），它的优点主要就是排屑性能很好，防止铝在切削过程中产生粘刀现象。
对於精加工的一些曲面，我们主要采用了加工性能比较优异的铝合金铣刀，这种刀具的主要优势就是比较耐用，可以减少换刀测刀的次数，提高了效率。
加工程序刀路的优化
在轮胎模具花纹数控编程加工的操作过程中，首先需要加载毛坯，定义工序加工的对象，设计刀具，定义加工的方式并生成相应的加工程式。然後依据加工程式的内容，如加工对象的具体参数、刀具的导动方式、铣削步距、主轴转速、进给量、铣削角度、进退刀点、干涉面及安全平面等详细内容来确立刀具轨迹的生成方式。最後再通过後处理生成机床能够识别的程序，实现对产品的加工。在这一过程中可以逐一分析问题的关键点，实现程序的优化，从而达到提高效率的目的。
我们在加工过程中需要不断优化刀路，必须做到以下几点：
进刀方式
以前我们在编程中通常是采用螺旋进刀的方式，这样做很浪费时间，通过不断的尝试，采用了坡铣进刀的方式。
由图8看出刀具始终保持连续切削，这样加工每个槽的时间大为缩短，提高了加工效率。
减少进退刀，尽量保持刀具的连续切削
由图9可见刀具始终保持连续切削，从头到尾刀具只有一次进刀和退刀的过程，节省了很多时间，提高了生产效率。
刀路优化後尽量减少走空刀
(1) 在加工过程中，尽量保持最大和稳定的切削速度，充分发挥机床和刀具的性能。
(2) 避免加工过程中加速度的不连续和突变，可在程序段中加入一些圆弧过渡段。
(3) 刀具运动时，保持恒定的主轴进给，产生相同体积的切屑。
(4) 尽可能减少铣削负荷的变化，使加工余量控制均匀。
(5) 减少无切削运动，无垂直方向的跳动，无切削方向的剧变。
(6) 小切削量大进给速率，高效切削，同时提高刀具寿命。
(7) 在保证插值公差的前提下，尽可能减少程序长度。
(8) 提供高度连续的光顺刀路轨迹。
数控机床作为一种高效率的设备，要充分发挥其高性能、高精度和高自动化的特点，除了必须掌握机床的性能、特点及操作方法外，还应在编程前进行详细的工艺分析和确定合理的加工工艺，以得到最优的加工方案。
本文通过对刀具的正确选择和对加工刀路的优化结果的对比，可以知道轮胎花纹模具在数控加工中必须针对其结构的特殊性、复杂性、多变性等特点，选择正确的刀具，同时改善其加工过程的刀具路线，以此来提高加工效率，体现出数控加工的效率和优点。
其实，在轮胎花纹模具加工过程中还能通过优化很多其它的内容来达到提高效率，比如采用高效率的编程软件、利用快速装夹和快速定位的工装夹具等。(end)
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(1/4/2012) |
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