摘要：為了提高輪胎模具的電火花加工效率，提出了在一臺(tái)設(shè)備上同時(shí)加工兩片輪胎模具的雙回路電火花加工方法，并給出了關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)形式及控制框圖。
關(guān)鍵詞：雙回路；輪胎模具；電火花加工
用電火花方法加工輪胎模具是國(guó)內(nèi)近10 年發(fā)展起來(lái)的一種新的加工手段，而專用的數(shù)控電火花輪胎模加工機(jī)的發(fā)展則僅有5 年的歷史。此類設(shè)備因其特殊的加工工藝及較高的工藝水平，使其在輪胎模具加工中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視，所起的作用也越來(lái)越大。
輪胎模具生產(chǎn)企業(yè)除了對(duì)模具的質(zhì)量有較高要求外，對(duì)模具加工的效率也十分重視。對(duì)于單臺(tái)設(shè)備來(lái)講，提高加工效率有以下幾個(gè)途徑：①縮短電極和模具的裝夾、校正等輔助時(shí)間；②提高脈沖電源的加工工藝指標(biāo)；③先用機(jī)械銑削方法進(jìn)行預(yù)銑，留出適當(dāng)余量再進(jìn)行電火花加工；④采用雙回路脈沖電源，同時(shí)加工兩片模具。
上述方法中①和②是電火花加工輪胎模具必須考慮的共性問題，③適用于大型輪胎模具加工，唯有④是一種新的加工形式，它可在不增加太大成本的基礎(chǔ)上提高效率。國(guó)外有類似的設(shè)備，但在國(guó)內(nèi)尚沒有這種機(jī)床問世。我們通過深入研究，研制了雙回路脈沖電源，對(duì)德國(guó)生產(chǎn)的輪胎模加工設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，獲得了滿意的效果。
1 雙回路加工的原理
1. 1 基本原理
眾所周知，電火花加工時(shí)，在一定的電流范圍內(nèi)，加工效率與放電電流成正比，電流愈大，效率愈高，而電流的大小應(yīng)根據(jù)電極的面積來(lái)選擇。也就是說(shuō)，對(duì)一個(gè)確定的電極面積，其電流的選擇有一個(gè)上限，否則會(huì)因熱融效應(yīng)使電極損耗大大增大而增加型腔的修整次數(shù)，反而降低加工效率，另外過大的電流也會(huì)使工件表面粗糙度變差。采用雙回路加工增大了電極面積，加工電流是單回路加工的兩倍，由于是兩個(gè)獨(dú)立的放電回路，在單位時(shí)間內(nèi)的放電次數(shù)將近多了一倍，提高了模具的加工效率，而表面粗糙度則與單回路同等電流時(shí)相當(dāng)。
1. 2 結(jié)構(gòu)形式
單頭雙模雙回路電火花加工設(shè)備的基本構(gòu)造如圖1 所示。
1 、10. 轉(zhuǎn)臺(tái)A 和B 2 、9. 分度轉(zhuǎn)盤A 和B
3 、8. 放電回路L1 和L2 4. 電極夾具A 和B
5. 主軸頭6 、7. 電極A 和電極B 11. 床身
圖1 雙回路電火花輪胎模加工機(jī)結(jié)構(gòu)圖
主軸頭帶動(dòng)電極A 和B 作伺服運(yùn)行，轉(zhuǎn)臺(tái)A和B 在床身上可左右移動(dòng)，以調(diào)節(jié)模具與電極的相對(duì)位置，轉(zhuǎn)盤A 和B 可作獨(dú)立分度旋轉(zhuǎn)，脈沖電源E1 和E2 與電極A 和B 以及模具A 和B 形成放電回路L1 和L2 。
1. 3 加工過程
安裝好模具及電極，調(diào)整模具在Y 軸方向的位置及傾角，調(diào)節(jié)電極的水平位置，設(shè)置好兩個(gè)電極的加工深度相對(duì)零位，加工開始后，Z 軸的設(shè)定位置就是兩片模具的加工深度。到達(dá)設(shè)定深度，Z 軸自動(dòng)抬起，分度轉(zhuǎn)盤A 和B 自動(dòng)旋轉(zhuǎn)分度，Z 軸再次下行，開始下一個(gè)型腔的加工，周而復(fù)始直至全部型腔加工結(jié)束。
2 分度及伺服檢測(cè)系統(tǒng)的組成
2. 1 分度系統(tǒng)
分度系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
1 、7. 齒輪副2. 傳動(dòng)軸3. 轉(zhuǎn)盤4. 大齒輪
5. 基體6. 軸承8. 電機(jī)
圖2 分度系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖
分度系統(tǒng)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)齒輪減速后拖動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速在1~20 r/ min 之間可調(diào)。轉(zhuǎn)盤上裝有一個(gè)大齒輪，通過齒輪，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器輸出的脈沖信號(hào)送給計(jì)算機(jī)作為轉(zhuǎn)盤位置的反饋信號(hào)，可實(shí)時(shí)顯示。
采用該方式可大大降低對(duì)編碼器分辨率的要求，且分度精度較高，成本低，控制也較方便，缺點(diǎn)是大齒輪的加工有一定難度。分度驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)見圖3 。
1. 大齒輪2. 旋轉(zhuǎn)編碼器3. 小齒輪
圖3 分度驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)原理圖
轉(zhuǎn)盤實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為：
A = 360·N/ P·Z
轉(zhuǎn)盤的電氣分度精度為：
D = 360/ P·Z
式中：N 為編碼器輸出的脈沖數(shù)；P 為編碼器每圈輸出的脈沖數(shù)；Z 為轉(zhuǎn)盤與編碼器的齒輪速比。在實(shí)際操作中，手動(dòng)操作時(shí)利用A 可實(shí)時(shí)觀察轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，自動(dòng)操作時(shí)利用A 作為反饋量可進(jìn)行自動(dòng)分度。兩個(gè)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)是相互獨(dú)立又相互制約的，在加工過程中，只有兩個(gè)型腔都達(dá)到設(shè)定深度（ Z 軸下行到預(yù)置深度） ，Z 軸抬起后，轉(zhuǎn)盤才可旋轉(zhuǎn)分度，只有兩個(gè)轉(zhuǎn)盤都轉(zhuǎn)到預(yù)置工位后，Z 軸才能下行開始加工。兩個(gè)轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)盡量保持一致，這樣可縮短輔助時(shí)間。
2. 2 伺服檢測(cè)系統(tǒng)
由于是單主軸頭、雙回路程式，在放電間隙檢測(cè)時(shí)應(yīng)以低電壓優(yōu)先為原則，即主軸頭的伺服動(dòng)作以兩個(gè)回路中間隙電壓低的一路作為判據(jù)。在加工過程中，脈沖電源E1 和E2 與電極和模具分別構(gòu)成兩個(gè)放電回路L 1 和L 2 ，兩個(gè)檢測(cè)電路對(duì)兩個(gè)放電回路的間隙分別進(jìn)行獨(dú)立檢測(cè)，經(jīng)邏輯電路判斷分出開路、放電和短路3 種狀態(tài)，再經(jīng)過比較電路去控制兩個(gè)控制門，打開通道A 或B 。其中短路狀態(tài)的優(yōu)先級(jí)別最高，其次是放電狀態(tài)，開路狀態(tài)級(jí)別最低。兩個(gè)回路中任何一個(gè)出現(xiàn)短路，立即打開相應(yīng)的控制門，使主軸快速上升；若兩個(gè)回路都處于放電狀態(tài)，則根據(jù)其瞬時(shí)的狀態(tài)值來(lái)打開相應(yīng)的控制門，控制主軸的伺服運(yùn)行；只有當(dāng)兩個(gè)回路均處于開路狀態(tài)，主軸才能下行。其原理框圖見圖4 。
圖4 雙回路伺服控制原理圖
3 電源的組成及實(shí)現(xiàn)
雙回路電源的系統(tǒng)構(gòu)成如圖5 所示。
圖5 雙回路電源系統(tǒng)原理圖
通過鍵盤將加工參數(shù)，如脈沖寬度、脈沖間隔、梳形脈沖寬度、梳形脈沖間隔、低壓電流、高壓電流等輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)總線將電源參數(shù)傳輸給接口板，經(jīng)光電隔離送給電源功率板，開通相應(yīng)的功率管并輸出具有相應(yīng)脈沖寬度和間隔的脈沖電流到放電間隙。通過間隙采樣電路將放電間隙狀態(tài)經(jīng)模數(shù)變換后送給適應(yīng)控制單元，經(jīng)光電隔離和接口板后再送給計(jì)算機(jī)對(duì)脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、抬刀等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
接口板輸出的是編碼信號(hào)，電源板上采用E2PROM 器件，由其內(nèi)置軟件對(duì)編碼信號(hào)進(jìn)行譯碼確定電參數(shù)。電源板的功率器件采用V2MOS 管，最大電流可達(dá)200 A ，其電流上升斜率可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。
間隙采樣環(huán)節(jié)采用窗口比較電路，將放電狀態(tài)變換成脈沖信號(hào)，再對(duì)各種狀態(tài)的脈沖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，最后由適應(yīng)控制環(huán)節(jié)發(fā)出適控信號(hào)，適應(yīng)控制的動(dòng)作依據(jù)是由軟件設(shè)置的，具體動(dòng)作的先后次序及控制的量均可由程序?qū)嵤﹫?zhí)行。
4 結(jié)論
經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，雙回路電火花加工輪胎模具方法，取得了良好的效果。它不僅將輪胎模具的電火花加工效率比原來(lái)的單回路提高了70 %~80 % ，而且還開發(fā)出了一種新型的設(shè)備。帶有適應(yīng)控制的脈沖電源加工穩(wěn)定，不積碳，放電坑穴均勻，較好地解決了加工效率與表面粗糙度兩者的矛盾。
參考文獻(xiàn)：
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