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    廣東巨輪模具對機床和刀具的具體要求有哪些?
    2013-5-7  來源:廣東巨輪模具股份有限  作者:總工 曾旭釗
           隨著全球公路建設和世界汽車工業飛躍式的發展,汽車的類型越多,行駛速度也越來越快,汽車對輪胎的性能要求在不斷提升,輪胎結構也在不斷改進,花紋樣式更是持續更新,因此對輪胎模具特別是高精密子午線輪胎模具的質量要求越來越嚴格。對于精密汽車子午線輪胎而言,輪胎花紋的加工精度只要差一點,將直接影響到輪胎的性能。因此輪胎模具的制造必須滿足輪胎的高精度要求,這將使模具制造商面臨著前所未有的考驗。
          

      輪胎模具在模具大家族中個性化較強,是一種“動態”模具。不同的規格型號、不同的用途、不同的路面狀況、不同的配套車輛、不同的氣候環境、不同的性能要求對輪胎的花紋設計和加工提出迥然不同的要求,因此輪胎模具的設計和加工有它獨特的一面,它的技術含量一點不亞于金屬沖壓模具,其加工精度特別是子午線輪胎模具的型腔花紋的加工精度,每一處的精度都可能關系到輪胎的使用性能,如抓地性能、動平衡性能、靜平衡性能、均勻性、散熱性、轉彎性能、防滑性能、噪音度、排水性及氣密性等,因此輪胎模具在制造技術上也相應具有一些獨特的工藝技術。


         國內外輪胎模具加工技術比較

      目前國內外輪胎模具的花紋加工方法總體上來講有下面幾種:貼花、EDM(電火花腐蝕加工)、精密鑄造、專機數控雕刻。

      1.貼花

      貼花工藝是在設計模具時將輪胎花紋筋條和模具本體分開,不按常規那樣加工一體,而是沿著模具本體的胎頂曲面粘貼或鑲嵌花紋筋條,使之形成整體的一種工藝。

      這種工藝技術在一定范圍內方法簡單、容易操作,加工周期也短,特別是工程車輪胎模具比較適合。但是存在鑲嵌間隙,容易在輪胎產生局部膠邊,影響輪胎外觀,另外也由于改變了模具的整體結構強度,不適合于壁厚較薄的模具,對于復雜花紋更不適合。

      由于該技術的極限性,因此目前國內使用該工藝技術的模具廠家并不多,國際上也不多見。

      2.電火花加工

      輪胎模具的電火花加工位置就是與輪胎花紋相對應的部位,其結構復雜多變,花紋的結構往往有呈現空間三維扭曲、多角度、多方向、尺寸大小不一、深淺不一等特點(見圖1)。

    輪胎模具花紋加工
     
    圖1
     
       在輪胎模具行業中,電火花加工只是一般的成形加工,再經過鉗工拋光,最終由人為因素決定模具質量。在加工輪胎花紋過程中,電火花工藝存在以下的問題:

     ?。?)輪胎模具花紋復雜多變,結構奇特,很多結構是不能電火花一次性加工出來的,電極的分割需要有很好的技巧,否則將形成因花紋結構倒扣而過切,直接影響輪胎花紋的形狀和精度。

     ?。?)電火花加工后表面往往顯得粗糙,需要人工研磨拋光,效率低,表面粗糙度也難以達到均勻一致,滿足不了精度要求,質量不穩定,影響輪胎表面質量。

     ?。?)電火花加工本身也能夠保證輪胎花紋表面的粗糙度和精度,但一般是極限于較慢速的加工,其效率滿足不了市場需求。而按照目前的工藝水平,采用高速電火花加工,則不能很好控制表面質量。

     ?。?)花紋整圈電火花加工后再切割成塊,因切割所產生的切割縫將直接影響輪胎模具內腔的圓跳動精度,同時對于生產管理來說,在機時間長,轉序速度慢,直接影響交貨期。

     ?。?)一般來說,電火花加工工藝適用范圍比較廣,但是對于冬季輪胎來說,由于花紋結構十分復雜,而且鋼片特別多(見圖2),因此電火花加工就發揮不出其優點,特別是批量生產的時候。

    輪胎模具加工
     

      綜上所述,傳統的電火花加工工藝已經變得跟不上市場要求的步伐,其在輪胎模具花紋加工中也將被逐步限制。

      3.精密鑄造

      精密鑄造工藝在輪胎模具制造中是最重要的制造技術之一,在零件的復雜性和材料適應性方面具有無可比擬的優勢,但鑄型的制造往往需要一個較長的周期,鑄造工藝裝備較多,成本較高,鑄件的結構和尺寸的改變將會直接影響鑄型的設計、制造、裝配等較長和較復雜的工藝過程。

      目前,精密鑄造技術通常用于生產半鋼輪胎模具,全球至少有90%以上的半鋼子午線輪胎的生產采用精密鑄造鋁合金模具。由此可知,精密鑄造技術在半鋼子午線輪胎的生產中占有絕對主導的地位。

      4.專機數控雕刻

      這是一種采用專用數控雕刻機床來加工輪胎模具花紋的工藝(見圖3)。這種加工工藝是利用微機控制專用銑床進行四軸二聯動或三聯動,并根據預編程序進行自動刻花。數控雕刻工藝技術代替了傳統的仿形雕刻技術,在某一程度上提高了輪胎模具的加工質量和加工效率。

    輪胎模具加工
     

      由于專機數控雕刻所使用的機床其專用性很強,而且一般情況下采用三軸或四軸加工,其主軸轉速能達到10 000r/min就已經算不錯的了,一般情況只有幾千轉/ 分鐘的轉速。而且機床的聯動性能也不是很優化,因此一般只能做到半精密加工,然后再配合電火花進行精密加工。同時,這種加工工藝要求花紋不能分塊,而且需要整圈加工,因此這種加工工藝還有一定的局限性,不管從加工精度上還是加工效率上,都無法做到滿足高等級性能輪胎模具特別是高等級性能的半鋼絲子午線輪胎模具的要求。


     高速切削技術在輪胎模具加工中的應用

      輪胎影響著汽車諸多方面的性能,高精密的輪胎模具對于生產優質的輪胎尤為重要。高速切削加工技術應用于輪胎模具的生產中,不僅突顯出其切削效率高、加工精度高、表面質量好的特點,而且也體現出其大大縮短了機械后加工、人工后加工和取樣檢驗輔助工時的優勢。

      目前,隨著技術性能要求的提升,汽車輪胎胎面的花紋圖案變得愈加復雜和精致,原有的鑄造模具和電火花加工模具已不能滿足各種高精度輪胎制造的要求,取而代之的便是采用高速切削加工技術制造的高速直接雕刻模具。這種模具不僅精度高而且外觀質量出色,完全消除了傳統鑄造和電加工過程中容易產生的潛在弊端。

      高速切削(HSC)是近幾年發展起來的一種集高效、優質和低耗于一身的先進制造工藝技術。高速切削是指采用超硬材料刀具和能實現高速運動的高精度、高自動化、柔性的設備,以極大地提高切削速度來達到提高材料切除率、加工精度和加工質量的現代制造技術。

      高速加工技術用于制造模具,具有切削效率高、加工精度高和表面質量好等顯著優勢,還可以大大縮短機械后加工、人工后加工和取樣檢驗輔助工時。

      高速加工技術是一項先進的、不斷發展的綜合技術。要充分發揮高速加工技術的優勢,除必須具備高速加工機床外,還必須綜合應用高速加工刀具技術、高速加工工藝技術、高速加工CAD/CAM技術以及冷卻潤滑技術。隨著高速加工技術的不斷發展,高速加工的優勢和作用將越來越明顯。

      輪胎模具行業的特點是單件小批量生產,因此,高速加工技術在輪胎模具行業的推廣使用,有著非常巨大的發展潛力和發展空間。

      高速雕刻技術的問題點主要是設備和刀具的成本高昂,一般企業不敢輕易投入。另外,對于花紋鋼片比較多的、花紋銳角較尖的花紋圖案,采用這種工藝技術也不大適合,理由是加工難度很大,且再小的刀具也不能加工出內尖角, 還是必須結合電火花加工來完成最后成形(見圖4)。

    輪胎模具加工
     

      高速切削技術在輪胎模具加工中的要求
     
         
      高速切削技術作為高效加工的重要手段之一應用于輪胎模具花紋的加工中,其技術含量相當高,涉及到多方面的內容,包括快速的規范的編程、多軸聯動加工、細微刀具應用、標準化操作、并行加工等方面,可以減少了以往電火花加工和人工修整的工作量,還可以保證模具制造的高度一致性,確保模具精度,縮短加工周期,從而提高生產效率,實現高效加工。

      隨著汽車輪胎胎面的花紋圖案變得愈加復雜和其技術要求變得越來越嚴格,高速切削加工已經被逐漸應用到輪胎模具花紋的雕刻加工中。而由于輪胎模具花紋具有明顯不同于常規模具結構的特殊性,因此高速切削技術在輪胎模具加工中具有一定的技術要求。

      1.對機床的要求

      為了適應粗精加工、輕重切削和快速移動,同時保證高精度(重復定位精度±0.005mm),性能良好的機床是實現高速切削的關鍵因素。

     ?。?)擁有高速主軸  既然是高速切削加工,機床的主軸能否達到真正的高速是滿足高速切削加工的必備條件。因為輪胎模具的花紋加工中所使用的刀具比較細小,為了保刀具的切削效果以及對刀具給予最有效的保護,因此對主軸的要求很高,轉速一般要求達到20 000~40 000r/min,甚至更高;進給速度達到40~80m/min;主軸功率一般為10~40kW。

     ?。?)高速移動  高速切削加工并不僅僅是指機床的主軸擁有高速轉動的功能,而且也應該包含高速移動功能,包括高速移動橫梁、高速移動工作臺等。

     ?。?)良好的精度穩定性和抗振性能  為了減少模具在開粗時重切削所產生的振動以及在高速切過程各高速運動零部件產生的高熱量等不利于保
    護機床使用及精度控制的因素,高速切削機床的床身等支持部件應具有很好的動剛度、靜剛度、熱剛度以及阻尼系數。因此對于高速切削加工的機床床身及其主要支撐部件應該采取質量高、剛性好的材料,以保證機床使用過程中精度穩定并消除因切削特別是重切削引起的振動。

     ?。?)優秀的進給驅動系統  要滿足高速切削機床的要求,除了必須擁有高速主軸之外,優秀的進給驅動系統也是關鍵條件。進給驅動系統應有很高的控制精度和響應速度,目前全數字伺服系統驅動已經成為高速切削機床所廣泛使用的一種方法。

      2.對刀具的要求

      輪胎模具的花紋相當復雜多變,隨著花紋的變化,需要的刀具形狀和尺寸各不相同,刀具的直徑最小可以達到0.5mm,甚至有些刀具的刃部結構是無法從市場采購到的,需要自己處理。不管如何,刀具在輪胎模具的高速切削加工中具有不可低估的作用,隨著加工方式、工件材料以及刀具選擇的變化,高速切削加工的速度會有很大變化。刀具的質量直接影響到輪胎模具的加工效率和加工質量,因此為了實現高速切削,必須對刀具提出要求。

     ?。?)刀具材料選擇  在加工時,必須根據工件材質來選用刀具的材料。雖然輪胎模具花紋部分的零件材料一般采用中低碳鋼或鋁合金材料,但由于所使用刀具直徑較小,切削過程容易折斷或崩裂,因此對刀具材料也要提出較高的要求,刀具應具有高強度、高韌性等性能,一般情況下可以有以下幾種材料的刀具可選:金屬陶瓷材料刀具、超細顆粒硬質合金刀具、表面涂層刀具如PVD高性能涂層刀具等。

     ?。?)刀具結構選擇  加工輪胎模具花紋時,刀具的結構選擇除了應結合所使用機床的接口包括系統接口外,還應根據被輪胎模具花紋結構及加工工序來優化組合刀具材料、涂層和槽型功能,選定具有最佳切削效果的刀具結構。例如輪胎模具花紋筋條一般呈角度多變狀,花紋筋根部要求無圓角且花紋筋末端經常有一些尖角需要處理,因此在選用刀具時既要考慮刀具可能如何避免或較少產生一定的R角,還要考慮選用堅韌耐磨的細微刀具,同時還要注意刀刃應利于在死角處如何排屑等問題。

     ?。?)刀具裝夾及防護  在高速切削過程中,必須加強刀具與夾緊裝置的強度、剛度和穩定性,以保證在高轉速下能夠正常工作且安全可靠。注意刀具實際工作的轉速,不超過刀具與刀柄夾緊裝置制造廠家注明的允許最高轉速。采用短錐空心刀柄代替傳統刀柄,以提高刀具軸向和徑向定位精度、軸向剛度,并具有過載保護作用。


     3.對工藝的要求

     ?。?)為避免精密高速機床使用過于集中及精密機床過快受損,在處理加工工藝時如有可能可以考慮粗加工、半精加工和精加工分開,采用一般機床和精密機床相結合,以實現錯位加工,縮短單件在機時間,同時保證機床常處于比較穩定的精加工狀態。

     ?。?)減少切削量,加大進給。傳統的輪胎模具的機加工中,例如用銑刀進行側面切削時,采用刀具直徑進行全面加工的情況較多,但這樣會造成切削熱的傳導與散發不充分,從而加速刀具磨損。在高速加工中,刀具在直徑方向的進給量減小,而空轉時間增加,從而贏得了充足的時間使切削熱得到散發,由此可以減少刀具的磨損。

     ?。?)快速清除切屑。高速切削過程中,工件受到擠壓而被切削,這個過程中產生了大量的熱量,據有關研究結果,高速切削后的熱量一般按以下情況分配:約95%的熱量集中在切屑上,2%的熱量留在工件上,3%的熱量在刀具上。所以,高速切削后如不及時將切屑排出,這些熱量就會傳遞給工件和刀具。因此要對切削位置進行必要的冷卻和并排屑,避免熱量的傳遞和聚集??焖倥判歼€能避免了切屑的二次切削,有效保護刀刃,從而延長刀具壽命。

      結語

      高速切削加工技術是一種先進的、不斷發展的綜合技術,在機械制造行業特別是模具制造業中具有非常廣泛的應用前景。用高速切削加工技術代替電火花加工,是加快汽車輪胎模具開發速度、縮短交貨期、提高加工精度的主要途經。要充分發揮高速加工技術的優勢,除必須具備高速加工機床外,還必須綜合應用高速加工刀具技術、高速加工工藝技術、高速加工CAD/CAM技術以及冷卻潤滑技術。隨著高速加工技術的不斷發展,高速加工的優勢和作用將越來越明顯。
         

      雖然高速切削加工技術在輪胎模具加工中已經突顯出其獨特的、明顯的技術優勢,但高速切削加工技術在我國輪胎模具行業中的應用時間還較短,到目前為止國內只有廣東巨輪模具股份有限公司有較大規模地使用,其他的輪胎模具制造廠家即使有使用也是少數的、局部地的使用,所以對我國輪胎模具行業來說,高速切削加工技術的總體應用基礎較差,缺乏成熟經驗,整體技術水平不高,發展緩慢,特別是在高速機床和刀具的應用以及加工工藝方面還存在很多問題,需要產學研結合,加大投入,綜合各方面力量大力推動高速切削在輪胎模具制造中的應用。

     
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