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PowerMILL在五轴机床上轮胎模具中的应用

摘要：传统的立式加工中心三轴联动加工的应用是最为广泛的加工方式，刀具始终处于立式状态，球头铣刀切削点的切削速度无法得到优化处理，那么单纯的三轴立式加工已无法满足当今加工的飞速发展，所以5轴联动高速加工机床应境而生！五轴加工适用于复杂、工序多、袜套精度要求高、需用多种类型普通机床和繁多刀具、工装，经过多次装夹和调整才能完成加工的具有适当批量的零件。如：汽车的发动机缸体、变速箱体，机床的床头箱、主轴箱，柴油机缸体，齿轮泵壳体，轮胎，叶轮、螺旋桨、各种曲面成型模具等。本文针对五轴加工技术的特点，论述了Delcam PowerMILL软件的五轴加工功能和五轴的刀路轨迹策略，通过轮胎模具加工为实例，来介绍五轴加工的具体应用及特点。

关键词：五轴加工 轮胎模具 PowerMILL HSC75linear

前言

随着中国汽车工业的蓬勃发展，轮胎作为其中的一项重要环节，其地位受到了前所未有的重视；另一方面，在轮胎的制造过程中，无论是造型设计计算机化，还是新型复合材料及纳米技术的引进，都使得轮胎工业发生了巨大的变革。在现阶段，轮胎模具加工企业只有不到1%的厂家使用轴的加工中心，加上操作水平和对软硬件的认知度有限，远没有将效益发挥出来。在轮胎模具加工中，花纹的尺寸和形状直接影响轮胎的工作性能，不仅能改善车辆行驶中与不同路面的接触特性，而且是车辆高速行驶的一项重要安全指标；中国正在全面发展高速公路，对轮胎也就提出了更高的技术要求。所以国产轮胎模具如果不能突破由此造成的瓶颈，就很难适应市场的需要，势必被市场淘汰。为了满足模具行业加工需求的不断发展和变化, DMG公司设计推出了很多类型的五轴机床。

一．五轴加工的主要优点是其能够通过一次装夹加工复杂的形状。与多次装夹相比，五轴加工能够在很大程度上减少加工时间和夹具数量，提高生产效率。而且，多次装夹过程中极易在拆装工件时产生装夹误差。如图1所示：

另外，五轴加工一个重要的优点是其能够用较短的刀具进行加工，这是因为加工时摆头/转台可以缩短刀具和工件的距离且刀具可以基于工件面移动。如此则无需加载更大的力给刀具就能达到更高的切削速度，提高刀具寿命、减少刀具磨损。

与三轴加工相比，五轴加工允许使用较短的刀具，在加工深孔或深腔时能够减少刀具的振动。这会提高加工精度，甚至减少人工抛光的时间成本。几乎没有特殊刀具的使用，简化了刀具的应用，减少了刀具的成本。如图2所示：

使用五轴加工可以在立体毛坯上加工特别复杂的曲面，无需使用特别铸造过的毛坯。对样件或小批量加工，这样的方式会更加快速、经济。无需2个月或更长的时间来进行铸造和加工，只用1到2周便可完成。如图3所示：

使用五轴加工可以节省大量的钻孔时间。相比加工复杂孔和型腔而言，钻孔看似细小，实际上，钻大量的斜孔会浪费大量的时间。如果使用三轴机床进行钻斜孔，必须为每一个孔做不同的工装。采用五轴加工，摆头/转台会准确的使刀具沿着每个斜孔的轴向更快完成钻孔操作。如图4：

二．多数实用五轴机床是由三个直线坐标轴XYZ和二个回转轴BC或AC或AB组成的。下面我将简单介绍五轴加工的概况。

1，五轴加工总的来说分为五面加工、五轴定位加工和五轴同步轮廓加工。如图5所示：

A．五面加工：

依照立方体法则，工件加工位置处于各基准面上，使它在一个工序里完成其五面的加工

B．五轴定位加工（3+2轴定位加工）

這是运用五面加工,多角度特点和工作部件平面的组合. 两组平台旋轉，轴只利用于定位工件的位置。主轴是永远垂直来处理须要的应用 - 钻或銑

C．五轴同步轮廓加工：

刀尖跟随，此加工技術运用于须要五轴同时運動的加工组件。

2．五轴加工的市场份额，如图6所示：

实际上，五轴加工在大批量生产中的应用日益增多， 有些是零件的某些部位确实需要五轴联动加工，而有些零件的加工完全不需要五轴联动。这种应用的增多是因为零件越来越复杂和零件精度要求越来越高。

轮胎加工不同于常规工艺，需要分割成不同比例的段，这些段中含有不同形状的步距．只有采用CAD/CAM技术，才能提高模具质量和缩短加在闽侯采访了解到工周期。无疑，PowerMILL完全具备满足以上所提到的种种要求。

本文主要讨论运用PowerMILL软件，结合轮胎模具的加工工艺特点，编制出合理有效的轮胎模具花纹的数控加工程序在DMG的HSC75linear上实现高速切削。

一、PowerMILL加工轮胎花纹的数控编程

1. 三维模型的分析

A， 首先，先导入三维模型，仔细分析并且测量图档，确定方便快捷的装夹方式，由此可以确定轮胎模具的尺寸并且创建工作坐标系，如图7所示。Powermill提供强大的坐标系创建功能，按照加工的区域而异创建坐标系以满足加工需求。根据三维模型的形状和尺寸，选择使用人性化控制系统HEIDENHAIN i TNC530和具备高扭距高进给（所有轴都采用直线电机驱动）的DMG HSC75 linear 5 Axis 上加工此轮胎模具。以下是HSC75linear的技术参数和机床图片：

主要特点 Highlights:

所有轴都采用直线电机

标准配置配有18,000rpm的主轴电机和提升式排削器

两扇大型舱门提供了卓越的可操作性

良好的排屑性能

配置旋转工作台和摆动头可实现5轴加工

B. 坐标系创建在毛坯的上表面正中心位置。

C. 刀具的选择，通过仔细的分析，创建符合加工要求的刀具。可通过powermill特有的功能侦测三维模型的的最小半径，以方便确定最小刀具的使用，如图8所示。

按照三维模型选择盘形铣刀、平底端铣刀、刀尖圆角端铣刀、球头铣刀。

盘形铣刀主要用于切削毛坯开粗加工和两个倾斜端面的粗加工。选用Φ40R5、Φ20R3。

刀尖圆角端铣刀主要用于花纹块型腔的开粗加工、型腔底面的清根精加工等，选用Φ10R0.5、Φ6R0.5、Φ8R0.5。

平底端铣刀主要用于直纹弧面精加工和底面清角，选用Φ16、Φ3。

球头铣刀主要用于各型面的精加工、局部清根加工等,选用Φ6R3、Φ3R1.5、Φ1.5R0.75、Φ1R0.5。

3. 工艺工步的

在工艺的过程中，根据已经确定好的装夹方式及选用的刀具来安排加工顺序，定义加工范围、刀具路径参数和机械参数（如转速、进给量、切深、切宽、加工余量等）。以下是轮胎模具的刀路轨迹的生成：图9至图22

毛坯是一个四方的CK45，型腔部分选用Φ40R5的盘形铣刀快速去除毛坯的多余材料；至于两侧面的多余材料，必须创建垂直于两侧端面的坐标系，从而产生3+2定位的刀具路径。右下角是粗加工后的材料形状。

图10 直纹弧面精加工

很显然，此策略也是采用3+2定位加工，选用Φ16平底端铣刀的侧刃精加工直纹弧面。

图11续粗

选用Φ20R3的盘形铣刀进行续粗，右边是续粗后的形状。

图12 粗清角

图13 粗清角