劉曉飛 張艷軍 張小飛 咸曉玲 張進(jìn)生 張 恒

（①山東玲瓏機(jī)電有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400；②山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

輪胎模具是汽車輪胎生產(chǎn)的關(guān)鍵配套裝備，其性能對(duì)輪胎的生產(chǎn)效率有至關(guān)重要的影響[1-3]。一套輪胎活絡(luò)模具一般包括兩大部分：殼體和型腔。對(duì)于同一廠家，殼體部分相對(duì)固定，按照輪胎花紋的變化要求而型腔部分則需經(jīng)常變化。輪胎活絡(luò)模具型腔結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如型腔內(nèi)壁采用整體輪胎模具很難加工，故輪胎活絡(luò)模具采用多塊拼接結(jié)構(gòu)成形零件[4]。通常是將已加工的花紋塊等零件用螺釘連接固定在殼體內(nèi)腔形成輪胎活絡(luò)模具[5-7]。隨著商用車和乘用車行業(yè)的快速發(fā)展，各種新車型的不斷推出，對(duì)輪胎的性能要求提出了更高的要求。作為輪胎配套行業(yè)，對(duì)輪胎活絡(luò)模具以及輪胎模具工裝的結(jié)構(gòu)和性能也提出了新的要求[8-11]。

1 輪胎模具殼體內(nèi)腔的加工要求

殼體形狀為圓環(huán)狀，內(nèi)孔為錐孔，在錐孔壁上分布多組單元螺紋孔（如圖1）。每組單元螺孔相對(duì)錐孔中心線均勻分布，每個(gè)螺紋孔軸線平行，對(duì)于不同規(guī)格型號(hào)的殼體，每組螺紋數(shù)量、孔距及螺紋大小也不相同，主要特點(diǎn)如下：

圖1 殼體零件連接螺紋位置圖

（1）大致規(guī)律排列5 排3 列，共12 個(gè)孔，中間一列過(guò)母線。

（2）在圓周方向?yàn)榈然￠L(zhǎng)分布。

針對(duì)加工要求，主要從位置精度與軸線夾角兩個(gè)方面考慮加工的要求：

（1）位置精度

指的是加工后孔的位置與圖紙上標(biāo)注的位置關(guān)系。若位置誤差太大，則導(dǎo)致中套部件的孔無(wú)法與耐磨板孔對(duì)正，螺釘無(wú)法連接。

（2）軸線夾角

指的是加工后中套孔的軸線與耐磨板軸線的夾角。若夾角過(guò)大，導(dǎo)致螺釘無(wú)法擰入，螺釘頭部突出。而且針對(duì)筆者公司的多種規(guī)格殼體，材料為35號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，直徑范圍930～1 350 mm，內(nèi)孔錐角有所不同，連接螺紋尺寸M6～M12。該螺紋孔加工目前存在一些困難：

（1）如用通用鉆床加工螺紋底孔，由于工件尺寸大，且孔分布在圓錐表面上，鉆頭相對(duì)于工件要進(jìn)行很多次變換方向，即使使用專用工裝鉆模，加工效率不能滿足要求，勞動(dòng)強(qiáng)度也非常大。

（2）如采用大型鉆銑加工中心來(lái)鉆孔，需要再增加一個(gè)分度軸，還要增加一個(gè)調(diào)節(jié)軸適應(yīng)殼體內(nèi)錐孔錐度不同，也就是說(shuō)需要制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的專用工作臺(tái)。由于加工中心立柱位置固定不變，裝卸工件空間受限，不僅設(shè)備體積大也增加操作難度。

2 模具殼體內(nèi)腔鉆孔加工分析

在孔加工時(shí)，應(yīng)達(dá)到零件圖標(biāo)注的位置精度，確保裝配時(shí)中套孔與耐磨板的沉孔配合良好。由標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 68—2016 開槽沉頭螺釘”和標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 152.2—2014 緊固件沉頭螺釘用沉孔” 查得M6 十字槽螺釘和沉孔尺寸如圖2 所示。所取尺寸均為公稱尺寸。

圖2 M6 螺釘與沉孔

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，螺釘與沉孔的錐面貼合，如圖3示意，其中A為擰緊后上方空隙尺寸。螺釘頭截面為等腰梯形，經(jīng)計(jì)算，A=0.678 mm。

圖3 螺釘與沉孔標(biāo)準(zhǔn)配合

根據(jù)生產(chǎn)要求，螺釘軸線與沉孔傾斜時(shí)，螺釘不會(huì)與沉孔貼合良好，此時(shí)，需保證螺釘頭部不高于沉孔表面。假若螺釘頭傾斜與沉孔表面平齊，如圖4，傾斜角度不應(yīng)大于

圖4 螺釘頭與沉孔配合分析

中套零件孔加工精度直接影響合模的效果，鉆孔加工時(shí)，鉆頭需要克服被加工材料對(duì)彈性變形的抗力、克服被加工材料對(duì)塑性變形的抗力、克服切屑對(duì)前刀面的摩擦力和刀具后刀面對(duì)過(guò)渡表面與已加工表面之間的摩擦力。

鉆孔加工時(shí)應(yīng)根據(jù)加工件的材料，合理選擇刀具以及切削用量。根據(jù)圖紙，中套零件的材料為35 號(hào)鋼，選擇采用高速鋼鉆頭進(jìn)行加工。

在鉆孔加工時(shí)，軸向力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下。

式中：Ff為軸向切削力，N；CF為刀具材料系數(shù)，選取420；d0為 鉆頭直徑，d0=6 mm；f為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，選取f=0.18 mm/r；zF、yF、KF為修正系數(shù)，分別取1、0.8、0.88。

通過(guò)查閱切削用量手冊(cè)，保守選取表1 參數(shù)，代入數(shù)值計(jì)算得到

表1 35 號(hào)鋼材料屬性

由式（3）計(jì)算表明，在鉆削φ6 mm 的孔時(shí)，鉆頭所承受的軸向力達(dá)到了562 N，折合58 kg 負(fù)載力。

因不同型號(hào)中套零件的孔直徑不同，以φ6 mm孔最多，此外，經(jīng)過(guò)零件統(tǒng)計(jì)還有φ10 mm、φ12 mm等規(guī)格的孔。同理可以計(jì)算出，在鉆削φ10 mm 孔時(shí)，軸向力為937 N（折合96 kg），在鉆削φ12 mm孔時(shí)，軸向力為1 124 N（折合115 kg）。

3 數(shù)控專用鉆床加工方案

采用單孔加工的方式，使得鉆孔專機(jī)柔性更大，可以實(shí)現(xiàn)各種規(guī)格的中套零件孔的加工。分析鉆孔加工過(guò)程可知，鉆孔加工運(yùn)動(dòng)主要包括鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，此外還要各軸的移動(dòng)或聯(lián)動(dòng)保證孔的位置精度要求?；谝陨戏治?，擬采用圖5 所示的原理設(shè)計(jì)加工專機(jī)。

圖5 方案原理圖

由圖5 可知，專機(jī)最多可以實(shí)現(xiàn)5 個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)1 可以實(shí)現(xiàn)橫梁位置的微調(diào)。對(duì)于不同的中套零件，其孔的分布直徑存在差異，直徑過(guò)大或過(guò)小時(shí)，可通過(guò)運(yùn)動(dòng)1 微調(diào)。此運(yùn)動(dòng)可由電機(jī)或手動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

運(yùn)動(dòng)2 可以實(shí)現(xiàn)豎梁的位置調(diào)整。豎梁連接動(dòng)力頭，通過(guò)運(yùn)動(dòng)2 的調(diào)整，保證中套零件孔在豎直方向的位置關(guān)系。該運(yùn)動(dòng)由電機(jī)實(shí)現(xiàn)。

此外豎梁還可以進(jìn)行方向3 的微調(diào)，以適應(yīng)不同中套的錐角。中套半錐角有14°、15°和18°這3 種，調(diào)節(jié)范圍較小，可由鉸鏈機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

運(yùn)動(dòng)4 可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭的進(jìn)給?？追植嫉膱A周半徑之差一般在60～73 mm，孔的鉆削深度一般小于20 mm，所以，進(jìn)給距離（＞10 mm）合理設(shè)計(jì)即可滿足所有零件孔的加工。

運(yùn)動(dòng)5 可以實(shí)現(xiàn)中套的旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)圓周方向孔的加工。中套零件孔的位置主要有圓周、豎直兩個(gè)運(yùn)動(dòng)保證，所以運(yùn)動(dòng)2、5 兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸聯(lián)動(dòng)。工作臺(tái)面可設(shè)計(jì)裝夾，輕松實(shí)現(xiàn)不同中套止口的定位。

4 數(shù)控專用鉆床設(shè)計(jì)

數(shù)控鉆床外觀布局如圖6 所示，整機(jī)主要由工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、鉆削頭主傳動(dòng)系統(tǒng)及鉆削頭3 坐標(biāo)位移系統(tǒng)等組成。工件由專用夾具固定在工作臺(tái)上，工作臺(tái)伺服轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工件分度運(yùn)動(dòng)；鉆削頭主傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鉆頭旋轉(zhuǎn)；鉆削頭3 坐標(biāo)位移系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鉆頭位移及鉆孔進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。Y軸與殼體錐孔母線平行，這樣簡(jiǎn)化編程，減少碰撞幾率。更換錐度不同的工件時(shí)，需要改變Y軸位置，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘使旋轉(zhuǎn)機(jī)架繞鉸鏈軸轉(zhuǎn)至正確位置，再鎖緊夾緊機(jī)構(gòu)提高加工系統(tǒng)剛度。X軸及Z軸始終與Y軸垂直，不需單獨(dú)調(diào)整?；硌豗軸上下移動(dòng)，相對(duì)于滑枕鉆削頭還可以沿X軸方向移動(dòng)，用于鉆頭位移定位。加工完成后，滑枕沿Y軸方向向上移動(dòng)，鉆削頭、滑枕等也可沿縱向?qū)к壪蚝笠苿?dòng)，以適應(yīng)不同直徑的工件，也方便裝卸工件。

圖6 數(shù)控鉆床布局圖

加工系統(tǒng)以小錐頭止口、端面定位，定位元件可更換，以適于不同規(guī)格的中套零件的加工。加工系統(tǒng)采用數(shù)控控制，實(shí)現(xiàn)孔系的依次自動(dòng)化分度、加工。加工系統(tǒng)冷卻潤(rùn)滑采用內(nèi)循環(huán)封閉方式，不影響生產(chǎn)環(huán)境。本機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 主要技術(shù)參數(shù)

在鉆孔運(yùn)動(dòng)開始之前，鉆頭需要標(biāo)定零點(diǎn)，以及找準(zhǔn)孔的位置點(diǎn)。孔位置點(diǎn)的確定需要圓周方向的旋轉(zhuǎn)軸與豎直方向的移動(dòng)軸兩個(gè)軸聯(lián)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)角度旋轉(zhuǎn)保證弧長(zhǎng)一致，移動(dòng)軸保證了豎直方向的間距。

專機(jī)進(jìn)行單孔加工，以小端止口定位，加工時(shí)從大圓周處開始，單孔加工完成后，分度旋轉(zhuǎn)，直至該圓周上孔全部加工完成。然后豎直軸運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)至下一圓周處，重復(fù)以上加工過(guò)程。

5 主要部件結(jié)構(gòu)

5.1 工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7，工作臺(tái)5 由定心主軸7 定心軸承9 徑向定位，而定心主軸7 固定在底座10 上，定心軸承9 能夠進(jìn)行間隙調(diào)整，以消除推力軸承4 的軸向間隙，保證工作臺(tái)載荷由推力軸承4 承擔(dān)。工作臺(tái)5 及底座10 材料為鑄鐵，經(jīng)時(shí)效處理后機(jī)械加工，精度保持性好、剛性強(qiáng)。伺服電機(jī)1 與減速機(jī)2 同軸相連并固定在底座10 上，經(jīng)同步齒形帶3 傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)花鍵軸6，花鍵軸的上端與傳動(dòng)套8 相配合，傳動(dòng)套8 與工作臺(tái)相連，因此伺服電機(jī)可驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.2 鉆削頭3 坐標(biāo)進(jìn)給系統(tǒng)

如圖8 所示，鉆削頭固定在滑板7 上，主電機(jī)經(jīng)過(guò)同步齒形帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)被動(dòng)皮帶輪，被動(dòng)皮帶輪與花鍵軸5 之間為花鍵連接，聯(lián)軸器6 連接花鍵軸與鉆主軸，鉆頭旋轉(zhuǎn)同時(shí)也可以Z軸方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。Z軸方向伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)Z軸位移。而X軸和Y軸方向則是相應(yīng)伺服電機(jī)通過(guò)同步齒形帶傳動(dòng)后，再驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)。

圖8 鉆削頭主傳動(dòng)及3 坐標(biāo)位移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié)語(yǔ)

筆者公司設(shè)計(jì)制造了適合加工該類零件的專用數(shù)控機(jī)床，不僅保證了加工精度，提高了加工效率，也大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。本數(shù)控鉆床已經(jīng)試制成功并用于實(shí)際生產(chǎn)中，加工精度能滿足技術(shù)要求。

該設(shè)計(jì)方案具有如下特點(diǎn)：

（1）采用工序集中原則，加工精度高。工件在一次裝夾中加工盡可能多的孔，孔的相對(duì)位置精度完全由設(shè)備精度保證。

（2）設(shè)備小型化、加工單元集中擺放，占地面積小。

（3）自動(dòng)化程度高，大大減少對(duì)人的依賴，符合當(dāng)前市場(chǎng)需求。

（4）能滿足多種規(guī)格加工要求。由于設(shè)備復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)部件多，工藝參數(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)一步提高加工效率。