轮胎模双回路电火花加工的研究

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轮胎模双回路电火花加工的研究
> 摘要：为了提高轮胎模具的电火花加工效率，提出了在一台设备上同时加工两片轮胎模具的双回路电火花加工方法，并给出了关键部位的结构形式及控制框图。
关键词：双回路；轮胎模具；电火花加工

用电火花方法加工轮胎模具是国内近10 年发展起来的一种新的加工手段，而专用的数控电火花轮胎模加工机的发展则仅有5 年的历史。此类设备因其特殊的加工工艺及较高的工艺水平，使其在轮胎模具加工中的应用越来越受到重视，所起的作用也越来越大。
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5 W1 p; ^8 @$ |轮胎模具生产企业除了对模具的质量有较高要求外，对模具加工的效率也十分重视。对于单台设备来讲，提高加工效率有以下几个途径：①缩短电极和模具的装夹、校正等辅助时间；②提高脉冲电源的加工工艺指标；③先用机械铣削方法进行预铣，留出适当余量再进行电火花加工；④采用双回路脉冲电源，同时加工两片模具。
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上述方法中①和②是电火花加工轮胎模具必须考虑的共性问题，③适用于大型轮胎模具加工，唯有④是一种新的加工形式，它可在不增加太大成本的基础上提高效率。国外有类似的设备，但在国内尚没有这种机床问世。我们通过深入研究，研制了双回路脉冲电源，对德国生产的轮胎模加工设备进行了改进，获得了满意的效果。

1 双回路加工的原理
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4 t2 G& a6 K, w1. 1 基本原理
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众所周知，电火花加工时，在一定的电流范围内，加工效率与放电电流成正比，电流愈大，效率愈高，而电流的大小应根据电极的面积来选择。也就是说，对一个确定的电极面积，其电流的选择有一个上限，否则会因热融效应使电极损耗大大增大而增加型腔的修整次数，反而降低加工效率，另外过大的电流也会使工件表面粗糙度变差。采用双回路加工增大了电极面积，加工电流是单回路加工的两倍，由于是两个独立的放电回路，在单位时间内的放电次数将近多了一倍，提高了模具的加工效率，而表面粗糙度则与单回路同等电流时相当。
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( q  |. T: J( |7 M" {* x, @1. 2 结构形式
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单头双模双回路电火花加工设备的基本构造如图1 所示。

1 、10. 转台A 和B 2 、9. 分度转盘A 和B
3 、8. 放电回路L1 和L2 4. 电极夹具A 和B
5. 主轴头6 、7. 电极A 和电极B 11. 床身
图1 双回路电火花轮胎模加工机结构图

主轴头带动电极A 和B 作伺服运行，转台A和B 在床身上可左右移动，以调节模具与电极的相对位置，转盘A 和B 可作独立分度旋转，脉冲电源E1 和E2 与电极A 和B 以及模具A 和B 形成放电回路L1 和L2 。
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1. 3 加工过程
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安装好模具及电极，调整模具在Y 轴方向的位置及倾角，调节电极的水平位置，设置好两个电极的加工深度相对零位，加工开始后，Z 轴的设定位置就是两片模具的加工深度。到达设定深度，Z 轴自动抬起，分度转盘A 和B 自动旋转分度，Z 轴再次下行，开始下一个型腔的加工，周而复始直至全部型腔加工结束。

; L: y& Z# |1 @% r  i: g2 分度及伺服检测系统的组成

# N* _* ?- _) s* X3 N' J, E. A2. 1 分度系统

分度系统的机械结构如图2 所示。

1 、7. 齿轮副2. 传动轴3. 转盘4. 大齿轮
5. 基体6. 轴承8. 电机
* p# r1 \. F+ G" _; D图2 分度系统机械结构图

分度系统采用直流电机驱动，经齿轮减速后拖动转盘转动，转速在1～20 r/ min 之间可调。转盘上装有一个大齿轮，通过齿轮，带动旋转编码器，编码器输出的脉冲信号送给计算机作为转盘位置的反馈信号，可实时显示。

采用该方式可大大降低对编码器分辨率的要求，且分度精度较高，成本低，控制也较方便，缺点是大齿轮的加工有一定难度。分度驱动结构见图3 。

' S: y9 z" A+ t* }6 Y& ^1. 大齿轮2. 旋转编码器3. 小齿轮
图3 分度驱动结构原理图

转盘实际转动的角度为：
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$ D$ j$ C! `# |+ bA = 360·N/ P·Z
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转盘的电气分度精度为：
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式中：N 为编码器输出的脉冲数；P 为编码器每圈输出的脉冲数；Z 为转盘与编码器的齿轮速比。在实际操作中，手动操作时利用A 可实时观察转盘的转动角度，自动操作时利用A 作为反馈量可进行自动分度。两个转盘的转动是相互独立又相互制约的，在加工过程中，只有两个型腔都达到设定深度( Z 轴下行到预置深度) ，Z 轴抬起后，转盘才可旋转分度，只有两个转盘都转到预置工位后，Z 轴才能下行开始加工。两个转盘的旋转速度应尽量保持一致，这样可缩短辅助时间。

2. 2 伺服检测系统
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由于是单主轴头、双回路程式，在放电间隙检测时应以低电压优先为原则，即主轴头的伺服动作以两个回路中间隙电压低的一路作为判据。在加工过程中，脉冲电源E1 和E2 与电极和模具分别构成两个放电回路L 1 和L 2 ，两个检测电路对两个放电回路的间隙分别进行独立检测，经逻辑电路判断分出开路、放电和短路3 种状态，再经过比较电路去控制两个控制门，打开通道A 或B 。其中短路状态的优先级别最高，其次是放电状态，开路状态级别最低。两个回路中任何一个出现短路，立即打开相应的控制门，使主轴快速上升；若两个回路都处于放电状态，则根据其瞬时的状态值来打开相应的控制门，控制主轴的伺服运行；只有当两个回路均处于开路状态，主轴才能下行。其原理框图见图4 。

' p3 P- ^, v' C- l图4 双回路伺服控制原理图

3 电源的组成及实现

双回路电源的系统构成如图5 所示。

3 d) t6 z7 [1 g5 |. i& E" B图5 双回路电源系统原理图

通过键盘将加工参数，如脉冲宽度、脉冲间隔、梳形脉冲宽度、梳形脉冲间隔、低压电流、高压电流等输入计算机，计算机通过数据总线将电源参数传输给接口板，经光电隔离送给电源功率板，开通相应的功率管并输出具有相应脉冲宽度和间隔的脉冲电流到放电间隙。通过间隙采样电路将放电间隙状态经模数变换后送给适应控制单元，经光电隔离和接口板后再送给计算机对脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流、抬刀等参数进行调节控制。
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/ J$ R( \% r' B0 r5 W* t- Z接口板输出的是编码信号，电源板上采用E2PROM 器件，由其内置软件对编码信号进行译码确定电参数。电源板的功率器件采用V2MOS 管，最大电流可达200 A ，其电流上升斜率可根据要求进行调节。

间隙采样环节采用窗口比较电路，将放电状态变换成脉冲信号，再对各种状态的脉冲进行统计、分析，最后由适应控制环节发出适控信号，适应控制的动作依据是由软件设置的，具体动作的先后次序及控制的量均可由程序实施执行。

+ x' Z, g- s$ C- ~) u$ h4 结论
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经实际应用，双回路电火花加工轮胎模具方法，取得了良好的效果。它不仅将轮胎模具的电火花加工效率比原来的单回路提高了70 %～80 % ，而且还开发出了一种新型的设备。带有适应控制的脉冲电源加工稳定，不积碳，放电坑穴均匀，较好地解决了加工效率与表面粗糙度两者的矛盾。

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国内现在大多数都是用电火花来成型加工，但国外据我说知现在很多都不单单是用电火花来加工的，机床直接成型加工，再者通过基模，铸造 ，这样精度更为精确，当然一些农业，工业用胎使用电火花加工还是比较合理的。我也是在海外从事轮胎模具设计这一块很多年了，也希望跟国内同行人事时刻保持沟通。相互学习探讨，共同进步哈。。

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