全鋼輪胎模具花紋筋成形工藝分析與研究

胡海明,田仲可

(青島科技大學機電工程學院,山東青島 266061)

輪胎胎面花紋中有很多的細小溝槽,當輪胎滾動到路面觸點時,它們將打開并隨后關閉,使輪胎能更多地接觸到路面,且雨天時能以此來打破路面的水張力,并提高輪胎的牽引力。同時這些細小溝槽也有助于輪胎在行駛過程中產生的熱量及時散出。要成形胎面這些細小溝槽,需在輪胎模具花紋塊上加工出許多窄的花紋筋,目前此部分的加工主要有機械加工、電火花加工等。

1 花紋筋加工特性分析

輪胎模具花紋筋厚度一般僅有1 mm左右甚至更小,胎頂窄筋高度2～10mm不等,形狀有I型、S型、L型等。胎肩窄筋沿胎肩輪廓走向,高度一般低于5mm。3軸或5軸聯(lián)動機械加工方式適合于加工節(jié)距較大、花紋筋截面尺寸較大的且圖形簡單的胎頂花紋。若用該種方式加工窄筋,需要用很小的進給速度或吃刀量,加工效率低,且對刀具剛度的要求也較高,所以,全鋼輪胎花紋圈窄筋常采用電火花加工方式來加工。

2 用電火花加工的方法進行窄筋的加工

2.1 窄筋處理方式分析

用電火花加工方法對窄筋有兩種處理方式:一是直接成形,即在蝕除型腔部分余量的石墨電極上銑出小的溝槽,與大的花紋筋同時成形;另一種是采用鑲嵌鋼片的方式,即用尖銑刀在用于精加工的電極窄筋位置銑出0.2～0.3mm深的溝槽,電加工完成后,即在需成形窄筋的位置留下窄筋定位痕跡,再換用紫銅電極在窄筋痕跡位置加工出3～6 mm深的鋼片槽,然后鑲嵌鋼片。

從實際生產使用效果看,能直接加工成形的窄筋最好不要采用鑲嵌鋼片的方式。因為鑲嵌式很難保證整個花紋圈上所有鋼片的牢固性,鋼片在使用時易發(fā)生脫落現(xiàn)象。

(1)縱向花紋筋兩側窄筋的直接成形。這類窄筋在輪胎花紋中較常見(圖1)?；y每個節(jié)距內窄筋數量達60多個。如采用鑲嵌鋼片方法,整圈需鑲嵌近4 000多個鋼片,勞動強度大,且鑲嵌后鋼片的精度也并不理想。因此,采用直接成形方法加工。

圖1 輪胎花紋展開圖

(2)高度較低的窄筋采用直接成形,高度較高的窄筋采用鑲嵌鋼片方式。在電極向下運動至指定深度的過程中,窄筋頂部始終受到持續(xù)的脈沖能量,如果窄筋較高則脈沖能量持續(xù)時間長,窄筋頂部很可能被蝕去一部分。如果加工失誤需補焊的話,花紋圈材料為45鋼,焊條為含碳量略低于45鋼的材料,焊接時6 000℃的高溫在將焊條熔化的同時,也將已加工的窄筋熔化掉,所以補焊時要從花紋圈底部開始,較高的窄筋至少需3mm寬的熔敷金屬從底部堆焊至指定高度,加工余量大,焊接后材料硬度高,重新加工時熔敷金屬與電極點接觸使加工狀態(tài)不穩(wěn)定,加工時最多使用30 A的峰值電流,脈沖能量較小,所以加工效率低、電極損耗大。

(3)較大的胎肩窄筋應采用鑲嵌鋼片的方式。如果胎肩窄筋直接加工成形,需在加工完胎頂花紋后單獨制作電極加工(圖2),加工胎肩窄筋時電極應按圖2所示方向進給,但此時胎肩附近已加工好的花紋筋與設備機頭極易發(fā)生干涉,使機頭無法下至指定深度或碰傷附近的花紋筋。

2.2 窄筋花紋電極劃分

(1)電極在使用過程中易損耗,如果花紋筋采用夾打方式(每塊電極只成形花紋筋的一部分)加工,電極兩側面的損耗使夾打的花紋筋尺寸比實際尺寸偏大,所以應避免在花紋圈上橫向花紋筋以及縱向花紋筋拐角的位置劃分電極,更不能在窄筋位置劃分。

(2)制作粗加工電極時,花紋圈側面的小傍花以及花紋圈側面與頂面相交的位置傾斜的小窄筋處電極應留較多余量,精加工時單獨制作電極調整主軸頭的角度后加工。

圖2 胎肩花紋電極運動方向示意圖

(3)兩朵電極加工的結合部分如圖3中的 H筋處,由于加工另一朵時花紋圈旋轉了一定角度,所以會造成相鄰兩朵電極結合處的窄筋不平行,如圖3中的 H筋與A′所示。所以電極上H位置的花紋溝的尺寸應相應加大,加工完畢后通過鉗工修整來減小 H、A′、B′的平行度誤差。

圖3 花紋筋寬度補償示意圖

2.3 鋼片槽的加工

采用紫銅電極加工鋼片槽時,必須合理地進行參數配置,避免因追求高加工效率加大峰值電流而造成電極損耗嚴重,加工“U”形鋼片槽,造成鉗工鑲嵌鋼片困難。紫銅電極損耗明顯,所以每加工完成一朵后必須設置電極損耗補償,避免因電極損耗使加工深度變淺,造成鋼片鑲入不牢發(fā)生脫落現(xiàn)象。開始加工時,應根據紫銅電極單邊放量進行試打,以確定使用峰值電流的大小和該電流下加工每朵電極的損耗,以厚度為0.7 mm的紫銅電極加工寬 1 mm、深5 mm的鋼片槽加工為例,單邊放量0.15 mm,加工參數配置見表1,加工一朵花紋電極高度損耗約1.5～2mm,所以初次加工深度設置應為6.5～7 mm。

表1 鋼片槽加工參數配置表

由于加工深度小,加工狀態(tài)穩(wěn)定,加工第一朵鋼片槽時,只設置一個工段進行加工(第二段深度設置與第一段相同),加工過程不修改參數。隨著加工的進行,電極高度出現(xiàn)損耗。為提高加工效率,從第二朵電極開始,設置兩段加工參數來加工到指定的鋼片深度。采用兩段加工,開始加工時執(zhí)行第一段的參數,此時可根據電極的損耗修改第二段的深度而不必停機,待加工深度超過第一段設置的深度時自動執(zhí)行第二段參數。為了避免電極損耗補償設置而導致加工的鋼片槽深度不準確,每加工4～5朵鋼片槽時,需要電極重新定位。由于紫銅電極不存在燒結現(xiàn)象,所以可將抬刀間隔時間設置為零,機頭不用上抬,直接加工到指定深度。

2.4 加工機理分析

2.4.1 極性效應分析

前述的加工方式采用負極性加工,即工件接設備電源的負極。在火花放電過程中,正、負兩極的表面分別受到電子和正離子的轟擊,正離子相對質量大、慣性大。在負極性長脈沖加工中,正離子奔向工具電極轟擊電極的表面,因此,采用負極性長脈沖加工的方式,電極損耗較大。同時大量的電子也奔向工件對其進行轟擊,所以工件的蝕除量也大。但工具電極的相對損耗比卻較小(圖4)。每種工件都有一個蝕除量最大的最佳脈寬,由圖5可看出,銅的最佳脈寬在100～200μs之間蝕除量最大。實際加工中采用的脈寬為150μs。

2.4.2 電參數分析

(1)峰值電流、電壓對蝕除量和電極損耗的影響

峰值電流的增大,材料蝕除量和電極損耗增大,并呈準線性關系曲線。這是因為在一個脈沖中,形成放電通道的正離子與電子的數量都有增加,放電產生的能量也隨之加大,使材料蝕除速度加快,電極損耗也相應增加。實際加工中,峰值電流采用15 A。

圖4 電極損耗與脈寬及極性之間的關系

圖5 脈寬與蝕除量的關系

當脈沖電壓＜160 V時,材料蝕除率(每秒的蝕除量)隨電壓的增加而增大。這是因為電壓的增加,放電能量也增加,使電子可以更高的速度轟擊材料表面。

(2)脈沖寬度對電極損耗的影響

圖6 電極損耗與脈沖寬度的關系

由圖6可看出,隨著脈沖寬度的增加,電極損耗率減少。這是由于隨脈沖寬度的增加,單個脈沖所產生的爆炸壓力增加,工作液在加工過程中因熱而分解產生大量的游離碳,這些游離碳聚集成微細碳粒并帶有負電荷,在電場的作用下,碳膠粒向電極的正極移動并吸附于電極表面,形成一定的保護膜,稱之為炭黑保護層。形成炭黑保護層必須具備以下條件:①采用負極性加工;②盡量增大脈沖寬度,降低脈沖電流幅值;③在保證正常放電的情況下,盡量縮短脈沖間隔時間。實際加工中采用的電參數(表1)基本符合形成炭黑保護層的條件,所以有利于對電極的保護。

3 結束語

由于胎面細小溝槽的特殊作用,大部分全鋼輪胎模具花紋塊都存在窄筋結構。因尺寸、形狀、位置的特殊性,使其有獨特的加工工藝性。電火花加工全鋼輪胎模具花紋筋工藝有顯著的優(yōu)點,主要是電加工工藝成熟、成本低、成形花紋筋尺寸精確。對高度低的筋可直接成形,花紋筋剛性好;采用鑲嵌鋼片的方式,鋼片槽的加工只要確定合理的電規(guī)準參數即可。

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