基于hyperMILL軟件的輪胎模具五軸聯動數控編程與加工技術

丁飛，李衍忠，王帥

青島金科模具有限公司 山東青島 266400

1 序言

輪胎模具是輪胎硫化成形裝備中的重要組成部分，其型腔部分中的花紋塊直接決定了輪胎的花紋形狀，花紋形狀直接影響到輪胎的使用性能。目前主流半鋼輪胎模具中花紋塊的加工工藝主要有精密鑄造和直雕兩種，相比之下，直雕工藝加工周期短、精度高、表面質量好。因此，國內越來越多的模具廠采用五軸高速直雕工藝來制造輪胎模具。

2 輪胎模具工藝

輪胎模具的花紋塊多為8～12塊，從客戶來圖開始，需要經過“3D造型→下料→五軸加工→鉗修”等階段。通常客戶來圖包括輪胎截面輪廓圖、輪胎花紋平面展開圖（見圖1）和花紋排布順序圖（見圖2）。花紋展開圖一般由幾個大小不同的基本節距組成，通常為3～5個節距，我們將這些基本節距定義為“P1、P2、P3……”，這些節距會在胎面上按照一定順序旋轉排列形成整圈花紋，整圈根據不同需要被分割成8～12個段塊，通常我們用“SEG_1、SEG_2、SEG_3……”表示。如圖2所示，三個節距組合后，不同大小節距相間，錯落有致，形成完整的輪胎花紋。花筋尺寸有時需要由兩個或兩個以上的節距尺寸決定，稱為組合節距，節距與節距之間存在一定關系，基本節距越多，出現的組合節距情況就越復雜。面對復雜多變的節距排列，UG、PowerMILL等常規編程軟件通常是對單節距進行編程，然后手動或通過二次開發，對單節距程序復制變換、裁剪刀路形成段塊程序；對于組合節距類編程，則需要在段塊中完成，這樣每個段塊都需要進行一次編程，此類編程方法工作量大，刀路復雜，刀路可能存在重復搭接，導致加工效率降低。在hyperMILL中我們使用Tireclock對花紋排布順序、組合方式進行定義，對單節距進行編程，并自動生成段塊程序，簡化編程過程，提高編程及加工效率。

圖1 花紋展開

圖2 花紋排布順序

3 花紋塊編程

先將客戶提供的花紋展開圖導入UG進行三維造型，然后將三維模型導入hyperMILL中對花紋塊進行編程，詳細步驟如圖3所示。將單節距模型導入hyperMILL中，依據節距排列順序及段塊分割角度創建整體模型；新建加工工單并設置加工坐標、刀具、加工參數、加工策略等，然后計算生成單節距刀具路徑；根據排列模型生成段塊刀具路徑；使用hyperVIEW進行模擬仿真，若出現干涉可重新對單節距編程進行設置，沒有出現則直接后處理生成NC代碼，并導入機床開始加工。

圖3 hyperMILL編程步驟

3.1 創建節距排序

將前期處理好的單節距花紋造型及毛胚截面圖導入到hyperMILL中，再將客戶提供的節距角度、排列順序及分塊角度以Excel形式復制到Tireclock模塊內（見圖4），此模塊會根據輸入內容自動輸出整體輪胎花紋模型（見圖5）及段塊模型，用于后續段塊程序生成及模擬仿真。

圖4 利用Tireclock設置輪胎花紋排布

圖5 整體輪胎花紋模型

3.2 單節距編程

（1）加工坐標 由于單節距刀路生成段塊刀路采用的是沿回轉軸旋轉復制的原理，所以此處加工坐標應該與工件坐標重合，統一放在輪胎回轉軸中心點。

（2）刀具 半鋼花紋塊材料多為鋁合金材料，優先選擇鋁合金專用刀具，更大的排屑空間和鋒利的切削刃可以提高切削效率，避免粘刀。加工花紋塊所用刀具按照刀具形狀分為圓鼻刀、立銑刀、球頭銑刀和錐度銑刀等。圓鼻刀主要用于花紋塊上、下端面及分割面等平面的加工，通常選用D32mmR6mm的刀具；立銑刀主要用于加工花紋塊花筋及子口圓弧面，通常選用D12mm、D6mm、D3mm的刀具；球頭銑刀及錐度銑刀則主要用于花筋精加工。

（3）加工參數 加工參數（見表1）的選擇過程中要根據材料、機床性能及刀柄結構等因素，結合刀具樣冊進行選擇。在機床功率滿足的情況下，優先選用大切削深度、小切削寬度的參數，這樣可以充分發揮刀具側刃的加工性能，提高加工效率。

表1 主要刀具加工參數

（4）加工策略 毛坯粗加工：花紋塊屬于回轉類工件，可以通過整圈車削方式或單塊銑削方式去除多余毛坯。為了減少工序周轉及裝夾次數，這里采用單塊銑削的方式進行花紋塊開粗，主要使用3D任意毛坯粗加工配合圓鼻銑刀，快速去除大部分余料，方便后續花筋加工。

圖6 底面開粗刀路軌跡

花筋開粗：粗加工以快速去除多余毛坯為目的，加工出花紋塊的大概花紋形狀，加工策略及刀具參數應優先考慮加工效率。本例中相鄰節距胎側花筋距離及胎頂花筋距離均在20mm左右，優先選用D12mm刀具開粗；底面開粗刀路軌跡如圖6所示，使用偏置粗加工策略，選底面為驅動面，采用擺線銑方式快速去除花筋底面余料，底面保留0.15mm余量用于底面精加工；根據花筋夾角大小選用D6mm、D3mm刀具進行等高二次粗加工，使花筋側面余量保持均勻。底面開粗完成后會獲得基礎花筋模型，但花筋頂部圓角部分余料仍然較大，可選用D6mmR3mm球頭銑刀，采用投影精加工策略或等高銑策略去除花筋頂部余料，獲得余量均勻的花筋形狀。

花筋底面精加工：花筋底面屬于規律變化的曲面，且曲率較大，加工策略的選擇上應盡可能發揮五軸機床的聯動優勢。使用立銑刀進行底面精加工，在保證加工精度的前提下，切削寬度可盡量放大，相比球刀投影精加工可大幅縮短加工時間。本案例中，使用D3mm立銑刀作為底面精加工刀具，策略上選擇底面作為驅動底面，將其他花筋選為停止曲面進行安全避讓，刀具路徑如圖7所示。

圖7 底面精加工刀具路徑

花筋頂面精加工：花筋頂面的圓弧面可以根據曲面的完整程度選擇加工策略，對于完整的周向貫穿花筋，優先選用3D ISO曲面加工，使用加工曲面U/V線作驅動體，采用3D步距，縮短加工時間。對于其他花筋頂面，可采用3D投影精加工。

花筋側壁精加工：花筋頂面加工完成后，僅剩下花筋側壁的余量需要去除，加工此類部位應盡可能減少等高策略的使用頻率，縮短程序時間。本案例我們采用五軸聯動側刃加工方式進行花筋側壁的精加工。驅動曲面選擇要加工的花筋側壁，底部曲面選擇花筋底面，刀軸方向選擇自動，使得刀具側刃與側壁貼合，刀具底刃與底面接觸，進而生成單刀路的側刃精加工程序，刀具路徑如圖8所示。

圖8 花筋側壁精加工刀具路徑

3.3 生成段塊路徑

對于獨立于單節距內的花筋，簡單地采用單節距編程即可完成；對于組合節距的花紋，軟件會根據節距排列順序，篩選出會出現的節距組合形式，形成組合節距，采用與單節距編程相同的方式，對組合節距中需要加工的部位進行編程。將每個節距類似的花筋部位定義為特征，所有的單節距與組合節距僅需要使用特征編制其中的任意一個節距，并通過特征形成程序宏文件，然后把剩余需要編程的節距采用應用宏的方式完成程序編制。如圖9所示，所有的節距編程完成后，根據需要選擇段塊號輸出段塊刀具路徑，軟件會自動根據Tireclock中設置的輪胎排布順序及段塊角度在hyperVIEW中生成刀具路徑，對于兩側對稱的花紋，可進行單側編程后180°復制刀具路徑。

圖9 生成段塊刀具路徑

3.4 碰撞仿真

輸出的程序在正式上機加工前需要對工件、機床、刀具、刀柄及夾具等進行碰撞干涉檢查。在hyperMILL中可以采用內部模擬、內部機床模擬和hyperVIEW三種方式對形成的刀路進行模擬仿真，其功能對比見表2。本案例中我們將段塊毛坯尺寸、機床模型、刀具、刀柄及夾具提前設置完成，連同生成的段塊程序在hyperVIEW中進行碰撞干涉檢查，程序檢查后通過軟件自帶后處理生成NC代碼文件及程序單。NC操作人員將NC文件上傳至機床，并根據程序單配置刀具完成加工。本次加工使用的機床是DMG MORI HSC75 linear，配置海德漢530系統，主軸使用的刀柄是HSK-A63，最高轉速18000r/min。加工完成后的產品如圖10所示。

表2 三種仿真功能對比

圖10 五軸加工完成花紋塊

4 結束語

花紋塊五軸直雕工藝核心在于運用軟件將繁瑣的編程過程進行簡化，通過控制刀軸發揮出五軸機床的聯動優勢，優化加工策略，生成簡潔的刀具路徑，利用創新的切削思路發揮出刀具的切削性能，從而達到提高花紋塊加工效率和加工質量、縮短產品開發周期的目的，使企業在激烈的市場競爭中立于不敗之地。