胡海明,田仲可

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266061)

輪胎胎面花紋中有很多的細(xì)小溝槽,當(dāng)輪胎滾動到路面觸點(diǎn)時,它們將打開并隨后關(guān)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(xì)小溝槽也有助于輪胎在行駛過程中產(chǎn)生的熱量及時散出。要成形胎面這些細(xì)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(shí)際生產(chǎn)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?yàn)殍偳妒胶茈y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(cè)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(nèi)窄筋數(shù)量達(dá)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(qiáng)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(yùn)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(bǔ)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(bǔ)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(diǎn)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(yīng)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(dú)制作電極加工(圖2),加工胎肩窄筋時電極應(yīng)按圖2所示方向進(jìn)給,但此時胎肩附近已加工好的花紋筋與設(shè)備機(jī)頭極易發(fā)生干涉,使機(jī)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(cè)面的損耗使夾打的花紋筋尺寸比實(shí)際尺寸偏大,所以應(yīng)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(cè)面的小傍花以及花紋圈側(cè)面與頂面相交的位置傾斜的小窄筋處電極應(yīng)留較多余量,精加工時單獨(dú)制作電極調(diào)整主軸頭的角度后加工。

圖2 胎肩花紋電極運(yùn)動方向示意圖

(3)兩朵電極加工的結(jié)合部分如圖3中的 H筋處,由于加工另一朵時花紋圈旋轉(zhuǎn)了一定角度,所以會造成相鄰兩朵電極結(jié)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(yīng)相應(yīng)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(bǔ)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(jìn)行參數(shù)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(yán)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(shè)置電極損耗補(bǔ)償,避免因電極損耗使加工深度變淺,造成鋼片鑲?cè)氩焕伟l(fā)生脫落現(xiàn)象。開始加工時,應(yīng)根據(jù)紫銅電極單邊放量進(jìn)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(shù)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(shè)置應(yīng)為6.5～7 mm。

表1 鋼片槽加工參數(shù)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(shè)置一個工段進(jìn)行加工(第二段深度設(shè)置與第一段相同),加工過程不修改參數(shù)。隨著加工的進(jìn)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(shè)置兩段加工參數(shù)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(shù),此時可根據(jù)電極的損耗修改第二段的深度而不必停機(jī),待加工深度超過第一段設(shè)置的深度時自動執(zhí)行第二段參數(shù)。為了避免電極損耗補(bǔ)償設(shè)置而導(dǎo)致加工的鋼片槽深度不準(zhǔn)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(jié)現(xiàn)象,所以可將抬刀間隔時間設(shè)置為零,機(jī)頭不用上抬,直接加工到指定深度。

2.4 加工機(jī)理分析

2.4.1 極性效應(yīng)分析

前述的加工方式采用負(fù)極性加工,即工件接設(shè)備電源的負(fù)極。在火花放電過程中,正、負(fù)兩極的表面分別受到電子和正離子的轟擊,正離子相對質(zhì)量大、慣性大。在負(fù)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(fù)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(jìn)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(shí)際加工中采用的脈寬為150μs。

2.4.2 電參數(shù)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(zhǔn)線性關(guān)系曲線。這是因?yàn)樵谝粋€脈沖中,形成放電通道的正離子與電子的數(shù)量都有增加,放電產(chǎn)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(yīng)增加。實(shí)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(guān)系

圖5 脈寬與蝕除量的關(guān)系

當(dāng)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?yàn)殡妷旱脑黾?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(guān)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(chǎn)生的爆炸壓力增加,工作液在加工過程中因熱而分解產(chǎn)生大量的游離碳,這些游離碳聚集成微細(xì)碳粒并帶有負(fù)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(hù)膜,稱之為炭黑保護(hù)層。形成炭黑保護(hù)層必須具備以下條件:①采用負(fù)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(shí)際加工中采用的電參數(shù)(表1)基本符合形成炭黑保護(hù)層的條件,所以有利于對電極的保護(hù)。

3 結(jié)束語

由于胎面細(xì)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(jié)構(gòu)。因尺寸、形狀、位置的特殊性,使其有獨(dú)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(diǎn),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(zhǔn)參數(shù)即可。

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