复合花纹轮胎模具花纹圈加工工艺分析与优化

吕琳等

摘 要：对复合花纹轮胎模具花纹圈的加工进行了工艺分析，介绍了两种传统加工工艺，并对其进行了优劣比较。针对复合花纹的结构及尺寸特征，提出了高速铣削与电火花加工复合的加工工艺，并经加工验证。结果表明：高速铣削与电火花加工相结合工艺方案不但能精确保证加工质量，相比单一电火花加工可以节省40%的加工时间。

关键词：复合花纹轮胎；加工工艺；花纹块；优化

子午线轮胎模具的设计制造工艺水平直接决定轮胎的质量和产能。子午线轮胎活络模具主要由向心机构和型腔部分组成，设计制造主要集中在型腔部分，其中花纹圈的加工工时占整套模具加工总周期的70%左右[1]。汽车工业的飞速发展对轮胎模具的设计制造提出了更高的要求，必须通过工艺革新来缩短生产周期和提高质量。

基于花纹圈在整个模具设计、加工中所占的比重，目前大部分研究主要集中在组成花纹圈的花纹块加工方向[2-4]。花纹块的加工主要采取两种工艺：数控铣削和电火花加工。数控铣削设备有三轴联动和五轴联动加工中心，加工以三轴精铣加钳工修磨为主；电火花加工工艺在加工复杂型腔、窄槽、硬脆材料等方面具有无可比拟的优势，尤其是数控电火花轮胎模专用加工机床的问世，使轮胎复杂花纹的设计及制造变得更加容易。机械加工与电火花加工二者各有优劣：三轴联动加工工艺路线简单、耗时较少，但无法做到完全清根；电火花加工精度较高，但工序复杂、效率较低。如果将两种工艺结合起来，利用二者加工优势，合理优化工艺路线、工艺参数，将大大提升子午线轮胎模具的制造工艺水平。本文以横向花纹轮胎模具为试验载体，结合数控铣削和电火花加工两种工艺对花纹块进行加工，优化工艺工艺路线、工艺参数，最终得到适合复合花纹轮胎模具花纹块的加工工艺。

1 复合花纹载重轮胎模具花纹块工艺分析

复合花纹轮胎一般应用于货车和四轮驱动的乘用车，胎面中部为纵向窄花纹沟槽，两侧为横向的宽花纹沟槽。纵纹花纹使转向稳定有助于防止侧滑，横纹花纹提高轮胎的驱动力和制动力。如图1所示为复合花纹示意图。图2所示为子午线复合花纹轮胎活络模具示意图。零件8为花纹块，该活络模具花纹圈由10块花纹块组成。该花纹块的制造精度要求如下：（1）圆周分布要准确，误差不超过45"；（2）深度误差不超过0.03mm；（3）径向分布及倾角要准确，误差不超过1′；（4）表面粗糙度为Ra0.6？滋m；（5）棱角清晰，表面细腻。

通过分析可知：该轮胎直径中等，花纹结构相对较简单，由窄花纹沟槽和宽花纹沟槽组成，精度要求较高。在保证加工精度的前提下，应着重提高其加工效率。

2 复合花纹轮胎模具花纹块传统加工工艺

2.1 花纹块三轴数控加工工艺

采用三轴联动机床加工，误差是由于模具上的凸起部分和垂直面有一个角度α，刀具无法到达花纹下面应该去除的部分[4]。达到设计要求所采取的措施只能是减小角度α，把花纹圈分成更多的花纹块来加工，这没有实际意义，在实际加工过程中是不可取的。采用五轴联动机床加工精度较高，基本不会出现残留区域，但是设备及运行成本太高，致使模具成本大幅上涨。在误差允许的范围之内，模具制造企业用三坐标加工来代替五坐标加工，经济、实效，又可降低风险[5]。

以UG加工模块程序编制为例来说明花纹块的数控加工工艺。UG可提供不同加工情况下多种优化的加工类型，实际加工时应考虑各方面因素，将各种加工方法优化组合。加工过程可以分为粗加工和精加工两个阶段。整体开粗、清角采用加工方式为CAVITY-MILL和ZLEVEL-PROFILE，整体开粗刀具可选D16R0.8的牛鼻刀，整体清角可选D8的平底刀。粗加工时可适当增加切削用量以提高加工效率。精加工采用加工方式为CONTOUR-AREA，刀具为球头刀，步进范围可设为0.4mm左右。最后应进行清根切削，即用直径较小的刀具清除前面工序的残留。

2.2 花纹块电火花加工工艺

2.3 两种传统加工工艺的比较

机械加工与电火花加工在轮胎模具花纹块的加工上各有优劣，如表1所示为两种传统加工工艺的比较。

由表1可以看出，机械加工与电火花加工两种工艺优势互补，可在工艺制定中综合分析考虑，将两种工艺结合，合理分配整个工艺过程的配比，以达到花纹块加工高效、高质量的目的。

3 复合花纹轮胎模具花纹块加工工艺优化

对于复合花纹轮胎模具，因其花纹结构及尺寸不同，全部采用电火花加工工艺，加工余量太大导致效率低下，成本上升；单一采用三轴联动数控铣削，后期必须进行钳工休整，因人员技术、素质及设备的差异，很难保证加工精度。结合生产实际情况，本文对复合花纹轮胎模花纹块的传统单一加工工艺进行了优化，提出可行性优化方案，并进行了生产验证。结果表明：高速铣削与电火花加工相结合工艺方案不但能精确保证加工质量，相比单一电火花加工可以节省40%的加工时间。

花纹块毛坯为35号锻钢，毛坯图如图3所示。

粗车→热处理（退火去应力）→精车（去毛坯余量）→划线（V型沟、圆周基准线、吊装工艺孔）→高速铣削（横向宽花纹、粗铣纵向窄花纹）→电火花加工（粗余量0.3mm、精余量0.03mm、换电极修整）→铣工艺连接孔→攻丝→锯割（线切割锯痕）→线切割→铣锯割面→镶气孔套、打标识→车口→修正→热处理。

优化后的加工工艺避免了单一加工手段存在的不足，通过高速铣削得到宽花纹及窄花纹的雏形，减少了电火花加工余量，提高了工作效率并保证了加工精度。

参考文献

[1]胡海明，张浩，张自浩.轮胎活络模具花纹块电火花加工工艺的研究应用[J].模具技术，2010，01：48-51.

[2]张富春.轮胎模具花纹块的数控加工[J].轮胎工业，2006，26（3）：178-180.

[3]曾旭钊，阎秋生.轮胎模具花纹加工新工艺的应用研究[J].机电工程技术，2010，39（7）：122-125.

[4]李景仲，赵萍.轮胎模具的三维造型与数控加工[J].科技创新导报，2008，25：115-116.

[5]林海波，胡哲光，赵文辉，等.轮胎模具三轴数控加工方法研究[J].机电产品开发与创新，2007，20（4）：173-175.

[6]冯民堂，李志刚.多钢片子午线轮胎模具的电火花加工工艺研究[J].金属加工，2012，8：28-29.

作者简介：吕琳（1980-），女，讲师，莱芜职业技术学院机电工程系。endprint

摘 要：对复合花纹轮胎模具花纹圈的加工进行了工艺分析，介绍了两种传统加工工艺，并对其进行了优劣比较。针对复合花纹的结构及尺寸特征，提出了高速铣削与电火花加工复合的加工工艺，并经加工验证。结果表明：高速铣削与电火花加工相结合工艺方案不但能精确保证加工质量，相比单一电火花加工可以节省40%的加工时间。

关键词：复合花纹轮胎；加工工艺；花纹块；优化

子午线轮胎模具的设计制造工艺水平直接决定轮胎的质量和产能。子午线轮胎活络模具主要由向心机构和型腔部分组成，设计制造主要集中在型腔部分，其中花纹圈的加工工时占整套模具加工总周期的70%左右[1]。汽车工业的飞速发展对轮胎模具的设计制造提出了更高的要求，必须通过工艺革新来缩短生产周期和提高质量。

基于花纹圈在整个模具设计、加工中所占的比重，目前大部分研究主要集中在组成花纹圈的花纹块加工方向[2-4]。花纹块的加工主要采取两种工艺：数控铣削和电火花加工。数控铣削设备有三轴联动和五轴联动加工中心，加工以三轴精铣加钳工修磨为主；电火花加工工艺在加工复杂型腔、窄槽、硬脆材料等方面具有无可比拟的优势，尤其是数控电火花轮胎模专用加工机床的问世，使轮胎复杂花纹的设计及制造变得更加容易。机械加工与电火花加工二者各有优劣：三轴联动加工工艺路线简单、耗时较少，但无法做到完全清根；电火花加工精度较高，但工序复杂、效率较低。如果将两种工艺结合起来，利用二者加工优势，合理优化工艺路线、工艺参数，将大大提升子午线轮胎模具的制造工艺水平。本文以横向花纹轮胎模具为试验载体，结合数控铣削和电火花加工两种工艺对花纹块进行加工，优化工艺工艺路线、工艺参数，最终得到适合复合花纹轮胎模具花纹块的加工工艺。

1 复合花纹载重轮胎模具花纹块工艺分析

复合花纹轮胎一般应用于货车和四轮驱动的乘用车，胎面中部为纵向窄花纹沟槽，两侧为横向的宽花纹沟槽。纵纹花纹使转向稳定有助于防止侧滑，横纹花纹提高轮胎的驱动力和制动力。如图1所示为复合花纹示意图。图2所示为子午线复合花纹轮胎活络模具示意图。零件8为花纹块，该活络模具花纹圈由10块花纹块组成。该花纹块的制造精度要求如下：（1）圆周分布要准确，误差不超过45"；（2）深度误差不超过0.03mm；（3）径向分布及倾角要准确，误差不超过1′；（4）表面粗糙度为Ra0.6？滋m；（5）棱角清晰，表面细腻。

通过分析可知：该轮胎直径中等，花纹结构相对较简单，由窄花纹沟槽和宽花纹沟槽组成，精度要求较高。在保证加工精度的前提下，应着重提高其加工效率。

2 复合花纹轮胎模具花纹块传统加工工艺

2.1 花纹块三轴数控加工工艺

采用三轴联动机床加工，误差是由于模具上的凸起部分和垂直面有一个角度α，刀具无法到达花纹下面应该去除的部分[4]。达到设计要求所采取的措施只能是减小角度α，把花纹圈分成更多的花纹块来加工，这没有实际意义，在实际加工过程中是不可取的。采用五轴联动机床加工精度较高，基本不会出现残留区域，但是设备及运行成本太高，致使模具成本大幅上涨。在误差允许的范围之内，模具制造企业用三坐标加工来代替五坐标加工，经济、实效，又可降低风险[5]。

以UG加工模块程序编制为例来说明花纹块的数控加工工艺。UG可提供不同加工情况下多种优化的加工类型，实际加工时应考虑各方面因素，将各种加工方法优化组合。加工过程可以分为粗加工和精加工两个阶段。整体开粗、清角采用加工方式为CAVITY-MILL和ZLEVEL-PROFILE，整体开粗刀具可选D16R0.8的牛鼻刀，整体清角可选D8的平底刀。粗加工时可适当增加切削用量以提高加工效率。精加工采用加工方式为CONTOUR-AREA，刀具为球头刀，步进范围可设为0.4mm左右。最后应进行清根切削，即用直径较小的刀具清除前面工序的残留。

2.2 花纹块电火花加工工艺

2.3 两种传统加工工艺的比较

机械加工与电火花加工在轮胎模具花纹块的加工上各有优劣，如表1所示为两种传统加工工艺的比较。

由表1可以看出，机械加工与电火花加工两种工艺优势互补，可在工艺制定中综合分析考虑，将两种工艺结合，合理分配整个工艺过程的配比，以达到花纹块加工高效、高质量的目的。

3 复合花纹轮胎模具花纹块加工工艺优化

对于复合花纹轮胎模具，因其花纹结构及尺寸不同，全部采用电火花加工工艺，加工余量太大导致效率低下，成本上升；单一采用三轴联动数控铣削，后期必须进行钳工休整，因人员技术、素质及设备的差异，很难保证加工精度。结合生产实际情况，本文对复合花纹轮胎模花纹块的传统单一加工工艺进行了优化，提出可行性优化方案，并进行了生产验证。结果表明：高速铣削与电火花加工相结合工艺方案不但能精确保证加工质量，相比单一电火花加工可以节省40%的加工时间。

花纹块毛坯为35号锻钢，毛坯图如图3所示。

粗车→热处理（退火去应力）→精车（去毛坯余量）→划线（V型沟、圆周基准线、吊装工艺孔）→高速铣削（横向宽花纹、粗铣纵向窄花纹）→电火花加工（粗余量0.3mm、精余量0.03mm、换电极修整）→铣工艺连接孔→攻丝→锯割（线切割锯痕）→线切割→铣锯割面→镶气孔套、打标识→车口→修正→热处理。

优化后的加工工艺避免了单一加工手段存在的不足，通过高速铣削得到宽花纹及窄花纹的雏形，减少了电火花加工余量，提高了工作效率并保证了加工精度。

参考文献

[1]胡海明，张浩，张自浩.轮胎活络模具花纹块电火花加工工艺的研究应用[J].模具技术，2010，01：48-51.

[2]张富春.轮胎模具花纹块的数控加工[J].轮胎工业，2006，26（3）：178-180.

[3]曾旭钊，阎秋生.轮胎模具花纹加工新工艺的应用研究[J].机电工程技术，2010，39（7）：122-125.

[4]李景仲，赵萍.轮胎模具的三维造型与数控加工[J].科技创新导报，2008，25：115-116.

[5]林海波，胡哲光，赵文辉，等.轮胎模具三轴数控加工方法研究[J].机电产品开发与创新，2007，20（4）：173-175.

[6]冯民堂，李志刚.多钢片子午线轮胎模具的电火花加工工艺研究[J].金属加工，2012，8：28-29.

作者简介：吕琳（1980-），女，讲师，莱芜职业技术学院机电工程系。endprint

摘 要：对复合花纹轮胎模具花纹圈的加工进行了工艺分析，介绍了两种传统加工工艺，并对其进行了优劣比较。针对复合花纹的结构及尺寸特征，提出了高速铣削与电火花加工复合的加工工艺，并经加工验证。结果表明：高速铣削与电火花加工相结合工艺方案不但能精确保证加工质量，相比单一电火花加工可以节省40%的加工时间。

关键词：复合花纹轮胎；加工工艺；花纹块；优化

子午线轮胎模具的设计制造工艺水平直接决定轮胎的质量和产能。子午线轮胎活络模具主要由向心机构和型腔部分组成，设计制造主要集中在型腔部分，其中花纹圈的加工工时占整套模具加工总周期的70%左右[1]。汽车工业的飞速发展对轮胎模具的设计制造提出了更高的要求，必须通过工艺革新来缩短生产周期和提高质量。

基于花纹圈在整个模具设计、加工中所占的比重，目前大部分研究主要集中在组成花纹圈的花纹块加工方向[2-4]。花纹块的加工主要采取两种工艺：数控铣削和电火花加工。数控铣削设备有三轴联动和五轴联动加工中心，加工以三轴精铣加钳工修磨为主；电火花加工工艺在加工复杂型腔、窄槽、硬脆材料等方面具有无可比拟的优势，尤其是数控电火花轮胎模专用加工机床的问世，使轮胎复杂花纹的设计及制造变得更加容易。机械加工与电火花加工二者各有优劣：三轴联动加工工艺路线简单、耗时较少，但无法做到完全清根；电火花加工精度较高，但工序复杂、效率较低。如果将两种工艺结合起来，利用二者加工优势，合理优化工艺路线、工艺参数，将大大提升子午线轮胎模具的制造工艺水平。本文以横向花纹轮胎模具为试验载体，结合数控铣削和电火花加工两种工艺对花纹块进行加工，优化工艺工艺路线、工艺参数，最终得到适合复合花纹轮胎模具花纹块的加工工艺。

1 复合花纹载重轮胎模具花纹块工艺分析

复合花纹轮胎一般应用于货车和四轮驱动的乘用车，胎面中部为纵向窄花纹沟槽，两侧为横向的宽花纹沟槽。纵纹花纹使转向稳定有助于防止侧滑，横纹花纹提高轮胎的驱动力和制动力。如图1所示为复合花纹示意图。图2所示为子午线复合花纹轮胎活络模具示意图。零件8为花纹块，该活络模具花纹圈由10块花纹块组成。该花纹块的制造精度要求如下：（1）圆周分布要准确，误差不超过45"；（2）深度误差不超过0.03mm；（3）径向分布及倾角要准确，误差不超过1′；（4）表面粗糙度为Ra0.6？滋m；（5）棱角清晰，表面细腻。

通过分析可知：该轮胎直径中等，花纹结构相对较简单，由窄花纹沟槽和宽花纹沟槽组成，精度要求较高。在保证加工精度的前提下，应着重提高其加工效率。

2 复合花纹轮胎模具花纹块传统加工工艺

2.1 花纹块三轴数控加工工艺

采用三轴联动机床加工，误差是由于模具上的凸起部分和垂直面有一个角度α，刀具无法到达花纹下面应该去除的部分[4]。达到设计要求所采取的措施只能是减小角度α，把花纹圈分成更多的花纹块来加工，这没有实际意义，在实际加工过程中是不可取的。采用五轴联动机床加工精度较高，基本不会出现残留区域，但是设备及运行成本太高，致使模具成本大幅上涨。在误差允许的范围之内，模具制造企业用三坐标加工来代替五坐标加工，经济、实效，又可降低风险[5]。

以UG加工模块程序编制为例来说明花纹块的数控加工工艺。UG可提供不同加工情况下多种优化的加工类型，实际加工时应考虑各方面因素，将各种加工方法优化组合。加工过程可以分为粗加工和精加工两个阶段。整体开粗、清角采用加工方式为CAVITY-MILL和ZLEVEL-PROFILE，整体开粗刀具可选D16R0.8的牛鼻刀，整体清角可选D8的平底刀。粗加工时可适当增加切削用量以提高加工效率。精加工采用加工方式为CONTOUR-AREA，刀具为球头刀，步进范围可设为0.4mm左右。最后应进行清根切削，即用直径较小的刀具清除前面工序的残留。

2.2 花纹块电火花加工工艺

2.3 两种传统加工工艺的比较

机械加工与电火花加工在轮胎模具花纹块的加工上各有优劣，如表1所示为两种传统加工工艺的比较。

由表1可以看出，机械加工与电火花加工两种工艺优势互补，可在工艺制定中综合分析考虑，将两种工艺结合，合理分配整个工艺过程的配比，以达到花纹块加工高效、高质量的目的。

3 复合花纹轮胎模具花纹块加工工艺优化

对于复合花纹轮胎模具，因其花纹结构及尺寸不同，全部采用电火花加工工艺，加工余量太大导致效率低下，成本上升；单一采用三轴联动数控铣削，后期必须进行钳工休整，因人员技术、素质及设备的差异，很难保证加工精度。结合生产实际情况，本文对复合花纹轮胎模花纹块的传统单一加工工艺进行了优化，提出可行性优化方案，并进行了生产验证。结果表明：高速铣削与电火花加工相结合工艺方案不但能精确保证加工质量，相比单一电火花加工可以节省40%的加工时间。

花纹块毛坯为35号锻钢，毛坯图如图3所示。

粗车→热处理（退火去应力）→精车（去毛坯余量）→划线（V型沟、圆周基准线、吊装工艺孔）→高速铣削（横向宽花纹、粗铣纵向窄花纹）→电火花加工（粗余量0.3mm、精余量0.03mm、换电极修整）→铣工艺连接孔→攻丝→锯割（线切割锯痕）→线切割→铣锯割面→镶气孔套、打标识→车口→修正→热处理。

优化后的加工工艺避免了单一加工手段存在的不足，通过高速铣削得到宽花纹及窄花纹的雏形，减少了电火花加工余量，提高了工作效率并保证了加工精度。

参考文献

[1]胡海明，张浩，张自浩.轮胎活络模具花纹块电火花加工工艺的研究应用[J].模具技术，2010，01：48-51.

[2]张富春.轮胎模具花纹块的数控加工[J].轮胎工业，2006，26（3）：178-180.

[3]曾旭钊，阎秋生.轮胎模具花纹加工新工艺的应用研究[J].机电工程技术，2010，39（7）：122-125.

[4]李景仲，赵萍.轮胎模具的三维造型与数控加工[J].科技创新导报，2008，25：115-116.

[5]林海波，胡哲光，赵文辉，等.轮胎模具三轴数控加工方法研究[J].机电产品开发与创新，2007，20（4）：173-175.

[6]冯民堂，李志刚.多钢片子午线轮胎模具的电火花加工工艺研究[J].金属加工，2012，8：28-29.

作者简介：吕琳（1980-），女，讲师，莱芜职业技术学院机电工程系。endprint