轮胎活络模具数控钻床的开发与设计

刘晓飞 张艳军 张小飞 咸晓玲 张进生 张 恒

（①山东玲珑机电有限公司，山东 招远 265400；②山东大学机械工程学院，山东 济南 250061）

轮胎模具是汽车轮胎生产的关键配套装备，其性能对轮胎的生产效率有至关重要的影响[1-3]。一套轮胎活络模具一般包括两大部分：壳体和型腔。对于同一厂家，壳体部分相对固定，按照轮胎花纹的变化要求而型腔部分则需经常变化。轮胎活络模具型腔结构较为复杂，如型腔内壁采用整体轮胎模具很难加工，故轮胎活络模具采用多块拼接结构成形零件[4]。通常是将已加工的花纹块等零件用螺钉连接固定在壳体内腔形成轮胎活络模具[5-7]。随着商用车和乘用车行业的快速发展，各种新车型的不断推出，对轮胎的性能要求提出了更高的要求。作为轮胎配套行业，对轮胎活络模具以及轮胎模具工装的结构和性能也提出了新的要求[8-11]。

1 轮胎模具壳体内腔的加工要求

壳体形状为圆环状，内孔为锥孔，在锥孔壁上分布多组单元螺纹孔（如图1）。每组单元螺孔相对锥孔中心线均匀分布，每个螺纹孔轴线平行，对于不同规格型号的壳体，每组螺纹数量、孔距及螺纹大小也不相同，主要特点如下：

图1 壳体零件连接螺纹位置图

（1）大致规律排列5 排3 列，共12 个孔，中间一列过母线。

（2）在圆周方向为等弧长分布。

针对加工要求，主要从位置精度与轴线夹角两个方面考虑加工的要求：

（1）位置精度

指的是加工后孔的位置与图纸上标注的位置关系。若位置误差太大，则导致中套部件的孔无法与耐磨板孔对正，螺钉无法连接。

（2）轴线夹角

指的是加工后中套孔的轴线与耐磨板轴线的夹角。若夹角过大，导致螺钉无法拧入，螺钉头部突出。而且针对笔者公司的多种规格壳体，材料为35号优质碳素结构钢，直径范围930～1 350 mm，内孔锥角有所不同，连接螺纹尺寸M6～M12。该螺纹孔加工目前存在一些困难：

（1）如用通用钻床加工螺纹底孔，由于工件尺寸大，且孔分布在圆锥表面上，钻头相对于工件要进行很多次变换方向，即使使用专用工装钻模，加工效率不能满足要求，劳动强度也非常大。

（2）如采用大型钻铣加工中心来钻孔，需要再增加一个分度轴，还要增加一个调节轴适应壳体内锥孔锥度不同，也就是说需要制作结构复杂的专用工作台。由于加工中心立柱位置固定不变，装卸工件空间受限，不仅设备体积大也增加操作难度。

2 模具壳体内腔钻孔加工分析

在孔加工时，应达到零件图标注的位置精度，确保装配时中套孔与耐磨板的沉孔配合良好。由标准“GB/T 68—2016 开槽沉头螺钉”和标准“GB/T 152.2—2014 紧固件沉头螺钉用沉孔” 查得M6 十字槽螺钉和沉孔尺寸如图2 所示。所取尺寸均为公称尺寸。

图2 M6 螺钉与沉孔

当标准状态下，螺钉与沉孔的锥面贴合，如图3示意，其中A为拧紧后上方空隙尺寸。螺钉头截面为等腰梯形，经计算，A=0.678 mm。

图3 螺钉与沉孔标准配合

根据生产要求，螺钉轴线与沉孔倾斜时，螺钉不会与沉孔贴合良好，此时，需保证螺钉头部不高于沉孔表面。假若螺钉头倾斜与沉孔表面平齐，如图4，倾斜角度不应大于

图4 螺钉头与沉孔配合分析

中套零件孔加工精度直接影响合模的效果，钻孔加工时，钻头需要克服被加工材料对弹性变形的抗力、克服被加工材料对塑性变形的抗力、克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。

钻孔加工时应根据加工件的材料，合理选择刀具以及切削用量。根据图纸，中套零件的材料为35 号钢，选择采用高速钢钻头进行加工。

在钻孔加工时，轴向力计算经验公式如下。

式中：Ff为轴向切削力，N；CF为刀具材料系数，选取420；d0为 钻头直径，d0=6 mm；f为每转进给量，选取f=0.18 mm/r；zF、yF、KF为修正系数，分别取1、0.8、0.88。

通过查阅切削用量手册，保守选取表1 参数，代入数值计算得到

表1 35 号钢材料属性

由式（3）计算表明，在钻削φ6 mm 的孔时，钻头所承受的轴向力达到了562 N，折合58 kg 负载力。

因不同型号中套零件的孔直径不同，以φ6 mm孔最多，此外，经过零件统计还有φ10 mm、φ12 mm等规格的孔。同理可以计算出，在钻削φ10 mm 孔时，轴向力为937 N（折合96 kg），在钻削φ12 mm孔时，轴向力为1 124 N（折合115 kg）。

3 数控专用钻床加工方案

采用单孔加工的方式，使得钻孔专机柔性更大，可以实现各种规格的中套零件孔的加工。分析钻孔加工过程可知，钻孔加工运动主要包括钻头的旋转运动、进给运动，此外还要各轴的移动或联动保证孔的位置精度要求。基于以上分析，拟采用图5 所示的原理设计加工专机。

图5 方案原理图

由图5 可知，专机最多可以实现5 个方向的运动。

运动1 可以实现横梁位置的微调。对于不同的中套零件，其孔的分布直径存在差异，直径过大或过小时，可通过运动1 微调。此运动可由电机或手动实现。

运动2 可以实现竖梁的位置调整。竖梁连接动力头，通过运动2 的调整，保证中套零件孔在竖直方向的位置关系。该运动由电机实现。

此外竖梁还可以进行方向3 的微调，以适应不同中套的锥角。中套半锥角有14°、15°和18°这3 种，调节范围较小，可由铰链机构调节实现。

运动4 可以实现动力头的进给。孔分布的圆周半径之差一般在60～73 mm，孔的钻削深度一般小于20 mm，所以，进给距离（＞10 mm）合理设计即可满足所有零件孔的加工。

运动5 可以实现中套的旋转以实现圆周方向孔的加工。中套零件孔的位置主要有圆周、竖直两个运动保证，所以运动2、5 两个运动轴联动。工作台面可设计装夹，轻松实现不同中套止口的定位。

4 数控专用钻床设计

数控钻床外观布局如图6 所示，整机主要由工作台旋转系统、钻削头主传动系统及钻削头3 坐标位移系统等组成。工件由专用夹具固定在工作台上，工作台伺服转动实现工件分度运动；钻削头主传动系统实现钻头旋转；钻削头3 坐标位移系统实现钻头位移及钻孔进给运动。Y轴与壳体锥孔母线平行，这样简化编程，减少碰撞几率。更换锥度不同的工件时，需要改变Y轴位置，转动调节螺钉使旋转机架绕铰链轴转至正确位置，再锁紧夹紧机构提高加工系统刚度。X轴及Z轴始终与Y轴垂直，不需单独调整。滑枕沿Y轴上下移动，相对于滑枕钻削头还可以沿X轴方向移动，用于钻头位移定位。加工完成后，滑枕沿Y轴方向向上移动，钻削头、滑枕等也可沿纵向导轨向后移动，以适应不同直径的工件，也方便装卸工件。

图6 数控钻床布局图

加工系统以小锥头止口、端面定位，定位元件可更换，以适于不同规格的中套零件的加工。加工系统采用数控控制，实现孔系的依次自动化分度、加工。加工系统冷却润滑采用内循环封闭方式，不影响生产环境。本机床主要技术参数如表2。

表2 主要技术参数

在钻孔运动开始之前，钻头需要标定零点，以及找准孔的位置点。孔位置点的确定需要圆周方向的旋转轴与竖直方向的移动轴两个轴联动即可实现，旋转轴通过角度旋转保证弧长一致，移动轴保证了竖直方向的间距。

专机进行单孔加工，以小端止口定位，加工时从大圆周处开始，单孔加工完成后，分度旋转，直至该圆周上孔全部加工完成。然后竖直轴运动，移动至下一圆周处，重复以上加工过程。

5 主要部件结构

5.1 工作台旋转系统

工作台旋转系统结构如图7，工作台5 由定心主轴7 定心轴承9 径向定位，而定心主轴7 固定在底座10 上，定心轴承9 能够进行间隙调整，以消除推力轴承4 的轴向间隙，保证工作台载荷由推力轴承4 承担。工作台5 及底座10 材料为铸铁，经时效处理后机械加工，精度保持性好、刚性强。伺服电机1 与减速机2 同轴相连并固定在底座10 上，经同步齿形带3 传动，驱动花键轴6，花键轴的上端与传动套8 相配合，传动套8 与工作台相连，因此伺服电机可驱动工作台转动。

图7 工作台旋转系统结构图

5.2 钻削头3 坐标进给系统

如图8 所示，钻削头固定在滑板7 上，主电机经过同步齿形带传动驱动被动皮带轮，被动皮带轮与花键轴5 之间为花键连接，联轴器6 连接花键轴与钻主轴，钻头旋转同时也可以Z轴方向进给运动。Z轴方向伺服电机直接驱动滚珠丝杠螺母机构，实现Z轴位移。而X轴和Y轴方向则是相应伺服电机通过同步齿形带传动后，再驱动滚珠丝杠螺母机构，实现轴向移动。

图8 钻削头主传动及3 坐标位移系统结构图

6 结语

笔者公司设计制造了适合加工该类零件的专用数控机床，不仅保证了加工精度，提高了加工效率，也大大减轻了劳动强度。本数控钻床已经试制成功并用于实际生产中，加工精度能满足技术要求。

该设计方案具有如下特点：

（1）采用工序集中原则，加工精度高。工件在一次装夹中加工尽可能多的孔，孔的相对位置精度完全由设备精度保证。

（2）设备小型化、加工单元集中摆放，占地面积小。

（3）自动化程度高，大大减少对人的依赖，符合当前市场需求。

（4）能满足多种规格加工要求。由于设备复杂、运动部件多，工艺参数需要进一步优化，进一步提高加工效率。