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編者按

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序言

輪胎模具工藝

輪胎模具的花紋塊多為8～12塊，從客戶來(lái)圖開(kāi)始,，需要經(jīng)過(guò)“3D造型→下料→五軸加工→鉗修”等階段,。通常客戶來(lái)圖包括輪胎截面輪廓圖,、輪胎花紋平面展開(kāi)圖（見(jiàn)圖1）和花紋排布順序圖（見(jiàn)圖2）,?；y展開(kāi)圖一般由幾個(gè)大小不同的基本節(jié)距組成，通常為3～5個(gè)節(jié)距,，我們將這些基本節(jié)距定義為“P1,、P2、P3……”,，這些節(jié)距會(huì)在胎面上按照一定順序旋轉(zhuǎn)排列形成整圈花紋,，整圈根據(jù)不同需要被分割成8～12個(gè)段塊，通常我們用“SEG_1,、SEG_2,、SEG_3……”表示。如圖2所示,，三個(gè)節(jié)距組合后,，不同大小節(jié)距相間，錯(cuò)落有致,，形成完整的輪胎花紋,。花筋尺寸有時(shí)需要由兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)距尺寸決定,，稱為組合節(jié)距,，節(jié)距與節(jié)距之間存在一定關(guān)系，基本節(jié)距越多,，出現(xiàn)的組合節(jié)距情況就越復(fù)雜,。面對(duì)復(fù)雜多變的節(jié)距排列，U G,、PowerMILL等常規(guī)編程軟件通常是對(duì)單節(jié)距進(jìn)行編程,，然后手動(dòng)或通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，對(duì)單節(jié)距程序復(fù)制變換,、裁剪刀路形成段塊程序,；對(duì)于組合節(jié)距類編程，則需要在段塊中完成,，這樣每個(gè)段塊都需要進(jìn)行一次編程,，此類編程方法工作量大，刀路復(fù)雜,，刀路可能存在重復(fù)搭接,，導(dǎo)致加工效率降低。在hyperMILL中我們使用Tireclock對(duì)花紋排布順序,、組合方式進(jìn)行定義,，對(duì)單節(jié)距進(jìn)行編程，并自動(dòng)生成段塊程序,，簡(jiǎn)化編程過(guò)程,，提高編程及加工效率,。

圖1  花紋展開(kāi)

圖2  花紋排布順序

花紋塊編程

先將客戶提供的花紋展開(kāi)圖導(dǎo)入U(xiǎn)G進(jìn)行三維造型,，然后將三維模型導(dǎo)入hyperMILL中對(duì)花紋塊進(jìn)行編程,，詳細(xì)步驟如圖3所示。將單節(jié)距模型導(dǎo)入hyperMILL中,，依據(jù)節(jié)距排列順序及段塊分割角度創(chuàng)建整體模型,；新建加工工單并設(shè)置加工坐標(biāo)、刀具,、加工參數(shù),、加工策略等，然后計(jì)算生成單節(jié)距刀具路徑,；根據(jù)排列模型生成段塊刀具路徑,；使用hyperVIEW進(jìn)行模擬仿真，若出現(xiàn)干涉可重新對(duì)單節(jié)距編程進(jìn)行設(shè)置,，沒(méi)有出現(xiàn)則直接后處理生成NC代碼,，并導(dǎo)入機(jī)床開(kāi)始加工。

圖3  hyperMILL編程步驟  

3.1 創(chuàng)建節(jié)距排序

將前期處理好的單節(jié)距花紋造型及毛胚截面圖導(dǎo)入到hyperMILL中,，再將客戶提供的節(jié)距角度,、排列順序及分塊角度以Excel形式復(fù)制到Tireclock模塊內(nèi)（見(jiàn)圖4），此模塊會(huì)根據(jù)輸入內(nèi)容自動(dòng)輸出整體輪胎花紋模型（見(jiàn)圖5）及段塊模型,，用于后續(xù)段塊程序生成及模擬仿真,。

圖4  利用Tireclock設(shè)置輪胎花紋排布 

圖5  整體輪胎花紋模型

3.2 單節(jié)距編程

（1）加工坐標(biāo)　由于單節(jié)距刀路生成段塊刀路采用的是沿回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)復(fù)制的原理，所以此處加工坐標(biāo)應(yīng)該與工件坐標(biāo)重合,，統(tǒng)一放在輪胎回轉(zhuǎn)軸中心點(diǎn),。

（2）刀具　半鋼花紋塊材料多為鋁合金材料，優(yōu)先選擇鋁合金專用刀具,，更大的排屑空間和鋒利的切削刃可以提高切削效率,，避免粘刀。加工花紋塊所用刀具按照刀具形狀分為圓鼻刀,、立銑刀,、球頭銑刀和錐度銑刀等。圓鼻刀主要用于花紋塊上,、下端面及分割面等平面的加工,，通常選用D32mmR6mm的刀具；立銑刀主要用于加工花紋塊花筋及子口圓弧面,，通常選用D12mm,、D6mm、 D3mm的刀具,；球頭銑刀及錐度銑刀則主要用于花筋精加工,。

（3）加工參數(shù)　加工參數(shù)（見(jiàn)表1）的選擇過(guò)程中要根據(jù)材料,、機(jī)床性能及刀柄結(jié)構(gòu)等因素，結(jié)合刀具樣冊(cè)進(jìn)行選擇,。在機(jī)床功率滿足的情況下,，優(yōu)先選用大切削深度、小切削寬度的參數(shù),，這樣可以充分發(fā)揮刀具側(cè)刃的加工性能,，提高加工效率,。

表1　主要刀具加工參數(shù)

（4）加工策略　毛坯粗加工：花紋塊屬于回轉(zhuǎn)類工件,，可以通過(guò)整圈車(chē)削方式或單塊銑削方式去除多余毛坯。為了減少工序周轉(zhuǎn)及裝夾次數(shù),，這里采用單塊銑削的方式進(jìn)行花紋塊開(kāi)粗，主要使用3D任意毛坯粗加工配合圓鼻銑刀,，快速去除大部分余料,，方便后續(xù)花筋加工,。

花筋開(kāi)粗：粗加工以快速去除多余毛坯為目的,，加工出花紋塊的大概花紋形狀，加工策略及刀具參數(shù)應(yīng)優(yōu)先考慮加工效率,。本例中相鄰節(jié)距胎側(cè)花筋距離及胎頂花筋距離均在20mm左右,，優(yōu)先選用D12mm刀具開(kāi)粗；底面開(kāi)粗刀路軌跡如圖6所示,，使用偏置粗加工策略,，選底面為驅(qū)動(dòng)面,，采用擺線銑方式快速去除花筋底面余料,，底面保留0.15mm余量用于底面精加工；根據(jù)花筋?yuàn)A角大小選用D6mm,、D3mm刀具進(jìn)行等高二次粗加工,，使花筋側(cè)面余量保持均勻。底面開(kāi)粗完成后會(huì)獲得基礎(chǔ)花筋模型,，但花筋頂部圓角部分余料仍然較大,，可選用D6mmR3mm球頭銑刀，采用投影精加工策略或等高銑策略去除花筋頂部余料,，獲得余量均勻的花筋形狀。

圖6  底面開(kāi)粗刀路軌跡

花筋底面精加工：花筋底面屬于規(guī)律變化的曲面,，且曲率較大,，加工策略的選擇上應(yīng)盡可能發(fā)揮五軸機(jī)床的聯(lián)動(dòng)優(yōu)勢(shì)。使用立銑刀進(jìn)行底面精加工,，在保證加工精度的前提下,，切削寬度可盡量放大，相比球刀投影精加工可大幅縮短加工時(shí)間,。本案例中,，使用D3mm立銑刀作為底面精加工刀具，策略上選擇底面作為驅(qū)動(dòng)底面,，將其他花筋選為停止曲面進(jìn)行安全避讓,，刀具路徑如圖7所示。

圖7  底面精加工刀具路徑

花筋頂面精加工：花筋頂面的圓弧面可以根據(jù)曲面的完整程度選擇加工策略,，對(duì)于完整的周向貫穿花筋,，優(yōu)先選用3D ISO曲面加工，使用加工曲面U/V線作驅(qū)動(dòng)體,，采用3D步距,，縮短加工時(shí)間。對(duì)于其他花筋頂面,，可采用3D投影精加工,。

花筋側(cè)壁精加工：花筋頂面加工完成后，僅剩下花筋側(cè)壁的余量需要去除,，加工此類部位應(yīng)盡可能減少等高策略的使用頻率,，縮短程序時(shí)間。本案例我們采用五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)刃加工方式進(jìn)行花筋側(cè)壁的精加工,。驅(qū)動(dòng)曲面選擇要加工的花筋側(cè)壁,，底部曲面選擇花筋底面，刀軸方向選擇自動(dòng)，使得刀具側(cè)刃與側(cè)壁貼合,，刀具底刃與底面接觸,，進(jìn)而生成單刀路的側(cè)刃精加工程序，刀具路徑如圖8所示,。

圖8　花筋側(cè)壁精加工刀具路徑  

3.3 生成段塊路徑

對(duì)于獨(dú)立于單節(jié)距內(nèi)的花筋,，簡(jiǎn)單地采用單節(jié)距編程即可完成；對(duì)于組合節(jié)距的花紋,，軟件會(huì)根據(jù)節(jié)距排列順序,，篩選出會(huì)出現(xiàn)的節(jié)距組合形式，形成組合節(jié)距,，采用與單節(jié)距編程相同的方式,，對(duì)組合節(jié)距中需要加工的部位進(jìn)行編程。將每個(gè)節(jié)距類似的花筋部位定義為特征,，所有的單節(jié)距與組合節(jié)距僅需要使用特征編制其中的任意一個(gè)節(jié)距,，并通過(guò)特征形成程序宏文件，然后把剩余需要編程的節(jié)距采用應(yīng)用宏的方式完成程序編制,。如圖9所示,，所有的節(jié)距編程完成后，根據(jù)需要選擇段塊號(hào)輸出段塊刀具路徑,，軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)Tireclock中設(shè)置的輪胎排布順序及段塊角度在hyperVIEW中生成刀具路徑,，對(duì)于兩側(cè)對(duì)稱的花紋，可進(jìn)行單側(cè)編程后180°復(fù)制刀具路徑,。

圖9 生成段塊刀具路徑 

3.4 碰撞仿真

輸出的程序在正式上機(jī)加工前需要對(duì)工件,、機(jī)床、刀具,、刀柄及夾具等進(jìn)行碰撞干涉檢查,。在hyperMILL中可以采用內(nèi)部模擬、內(nèi)部機(jī)床模擬和hyperVIEW三種方式對(duì)形成的刀路進(jìn)行模擬仿真,，其功能對(duì)比見(jiàn)表2,。本案例中我們將段塊毛坯尺寸、機(jī)床模型,、刀具,、刀柄及夾具提前設(shè)置完成，連同生成的段塊程序在hyperVIEW中進(jìn)行碰撞干涉檢查,，程序檢查后通過(guò)軟件自帶后處理生成NC代碼文件及程序單,。NC操作人員將NC文件上傳至機(jī)床，并根據(jù)程序單配置刀具完成加工,。本次加工使用的機(jī)床是DMG MORI HSC75 linear,，配置海德漢530系統(tǒng)，主軸使用的刀柄是HSK-A63，最高轉(zhuǎn)速18000r/min,。加工完成后的產(chǎn)品如圖10所示,。

表2　三種仿真功能對(duì)比

圖10  五軸加工完成花紋塊

結(jié)束語(yǔ)

花紋塊五軸直雕工藝核心在于運(yùn)用軟件將繁瑣的編程過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過(guò)控制刀軸發(fā)揮出五軸機(jī)床的聯(lián)動(dòng)優(yōu)勢(shì),，優(yōu)化加工策略,，生成簡(jiǎn)潔的刀具路徑，利用創(chuàng)新的切削思路發(fā)揮出刀具的切削性能,，從而達(dá)到提高花紋塊加工效率和加工質(zhì)量,、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的目的，使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地,。