摘要：熔接齒模是各類全自動和半自動口罩機的核心零部件，一度被譽名為“神輥”。本文基于OPEN MIND公司hyperMILL軟件的加工功能，針對整體式KN95口罩熔接齒因結(jié)構(gòu)復雜而導致數(shù)控編程和加工難度大的特點，實現(xiàn)數(shù)控加工編程及加工工藝優(yōu)化的過程。本文通過軟件中五軸形狀偏置和五軸輪廓加工指令，為解決熔接齒模在加工過程中加工空間狹窄，切削刀具小，刀具壽命短，其他軟件程序抬刀、跳刀、空刀過多導致加工效率低下的問題提供了一些解決方法與實用技術(shù)。結(jié)果表明hyperMILL軟件可以簡化編程的過程，提高編程和加工的效率，充分發(fā)揮多軸數(shù)控加工的技術(shù)優(yōu)勢，幫助數(shù)控加工企業(yè)充分利用現(xiàn)有設(shè)備，快速應(yīng)對市場變化，并為其它同類復雜零件的編程加工提供了重要依據(jù)。

      口罩熔接齒模是各類全自動和半自動口罩機的核心零部件。該模具的加工質(zhì)量對于口罩在加工成型的生產(chǎn)過程中有著非常大的影響，稍有偏差口罩便面臨著切不斷，邊緣有毛邊甚至出現(xiàn)刀口崩裂的狀況。該模具也因結(jié)構(gòu)特殊，加工精度要求高，數(shù)控編程復雜和加工難度大等特點一度也譽名為“神輥”。如何快速準確的實現(xiàn)數(shù)控加工編程和加工工藝優(yōu)化，提高加工精度及加工效率成為該產(chǎn)品加工的關(guān)鍵。

      hyperMILL是德國OPEN MIND 公司的一款CAM軟件，其軟件中的五軸形狀偏置和五軸輪廓加工指令，為熔接齒模在加工過程中因加工空間狹窄，切削刀具小，刀具壽命短，其他軟件程序抬刀、跳刀、空刀過多導致加工效率低下的問題提供了一些解決方法與實用技術(shù)。

整體式KN95熔接齒模模型

      熔接齒模是打片機上最為主要部件之一，用于熔切無紡布。熔接齒模最為主要的位置由壓花齒、切刀口和送料齒三部分組成，其中壓花齒與切刀口保證口罩的壓印與切斷，兩側(cè)送料齒保證無紡布的輸送。工作時熔接齒模呈軸向旋轉(zhuǎn)運動，通過超聲波超聲振動原理對多層無紡布進行熱熔與切削。本文所研究的熔接齒模是整體式KN95口罩熔接齒模，如圖1所示。

      整體式KN95熔接齒模的外形尺寸如圖2所示。該模型為一出一熔切一體式熔接齒模，模具總長285mm，最大外徑Φ79，切刀口角度為60°，壓花齒與送料齒數(shù)分別為380、120個，間距為1mm。


      整體式KN95口罩熔接齒模結(jié)構(gòu)復雜，加工難度大，其數(shù)控編程和加工的難點主要有以下幾點：

      (1)壓花齒與送料齒間距小，加工效率低、易斷刀;

      (2)切刀口處要求寬度均勻，一般控制在0.1mm~0.3mm， 并保證刃肩光順，因與壓花齒距離較近，只能選用小刀進行粗、精加工，效率低下，加工效果不佳;

      (3)壓花、送料齒與切刀口存在一定量落差，落差若不同軸則造成口罩壓花印高低，將直接對模具使用產(chǎn)生影響。

KN95熔接齒模數(shù)控編程

      hyperMILL是集成化NC編程的CAD/CAM軟件[1]，其多軸模塊為熔接齒模提供了高效可靠的編程與加工方案。與其它加工軟件相比編程效率高，自帶的加工仿真模塊可檢驗程序的正確性。

2.1 刀具與加工參數(shù)選擇

      選擇合適的刀具和刀具類型不僅可以保證加工效率，而且能夠滿足零件的加工質(zhì)量。刀具的選擇需要充分考慮工件的形狀、材料、加工效率和精度等各個方面的因素[2]。KN95熔接齒模加工刀具的選取可遵循以下原則：

      (1)粗加工時，在條件允許的情況下應(yīng)選擇直徑較大的平底銑刀，以提升加工效率;

      (2)熔接齒間間距較小，但加工深度較淺，應(yīng)選擇直徑較小的立銑刀或角度刀;

      (3)切刀口是整個模型的關(guān)鍵點之一，且切刀口要求較高，可選擇較小的R角刀或者帶角度的成型銑刀。

      根據(jù)整體式KN95口罩熔接齒模的尺寸、材料等，選擇立銑刀、成型刀分別完成各個加工工序。所選刀具的參數(shù)如表1所示。



2.2整體式KN95熔接齒模加工工序及加工參數(shù)確定

      根據(jù)所用毛坯的形狀以及整體式KN95熔接齒模的結(jié)構(gòu)特點，將其加工工序分為整體粗加工、清角加工、底面精加工、送料齒精加工、壓花齒精加工、切刀口精加工。各加工工序所用刀具以及加工參數(shù)如表2所示。


2.3數(shù)控編程

2.3.1 粗加工

      粗銑加工完成了熔接齒模主要加工余量的去除和后續(xù)加工余量的均勻化。因此，要求粗加工具有較高的加工效率，在保證不發(fā)生干涉且盡可能多的前提下盡可能選擇直徑大的銑刀，以保證加工效率[1]。在hyperMILL軟件上建立圓柱驅(qū)動面并法向與驅(qū)動面進行加工。最大橫向步距設(shè)置2mm，垂直步距0.4mm。底面與側(cè)面余量均為0.15mm。生成刀具路徑如圖3所示。


2.3.2 清角與二次清角

      整體式KN95熔接齒模輪廓島嶼眾多，較為復雜，粗加工后因刀具直徑原因無法保證側(cè)面余量均勻化，因此需清角。直接選用D2平底立銑刀進行整體清角時效率低下，為此采用D4、D2平底立銑刀進行清角與二次清角，保證零件側(cè)面余量均勻。最大橫向步距設(shè)置1.2mm，垂直步距0.08mm，底面與側(cè)面余量均為0.15mm。

      在hyperMILL軟件中使用“五軸形狀偏置精加工”設(shè)置“清角模式”參考刀具為7.5、3.8，加工選項為“側(cè)壁”進行零件整體清角。兩次整體清角的刀具路徑如圖4所示。



2.3.3 底面精加工

      整體式KN95熔接齒模齒底面加工要求并不高，在整個模具的運行中屬于避空面。但壓花、送料齒頂面要求較高，在使用過程中與無紡布存在直接接觸，其與切刀口頂面存在落差，一般控制與0.15mm~0.2mm之間，若落差不均勻，則直接影響這個模具的使用，為保證齒面與切刀口的落差，在該工序運行前需再次驗證模具在機床上是否位于同軸。為保證加工質(zhì)量，加工底面時對零件側(cè)面留有0.15余量，行距不宜過大，可選擇D4的銑刀進行齒底、齒頂表面精加工。齒底、齒頂表面精加工刀具路徑如圖5所示


2.3.4 壓花齒、送料齒精加工

      壓花齒呈環(huán)繞形纏繞于整體式KN95熔接齒模表面，起到壓印的作用，數(shù)量較多。送料齒在整體式KN95熔接齒模上可壓花齒平齊或稍高于壓花齒面，為更好的保證送料齒的輸送作用，可與切刀口均采用外圓磨床磨削。

      壓花齒、送料齒齒間距較窄，數(shù)量較多，對側(cè)壁的表面要求不高，可選擇D1平底立銑刀采用“五軸形狀偏置粗加工”進行加工，該位置刀路拐角較多，采用刀具路徑倒圓角進行光順過渡。最大橫向步距設(shè)置0.4mm，垂直步距0.05mm，底面與側(cè)面余量無。壓花、送料齒精加工刀具路徑如圖6所示。


2.3.5 切刀口精加工

      切刀口是熔接齒模加工要求最高的部位，起到切斷無紡布的功能，加工要求高，若無法保證切刀口寬度，在使用時易發(fā)生毛邊、局部未切斷等情況。可選擇D1R0.2 R角刀采用hyperMILL軟件中“五軸形狀偏置精加工”進行螺旋環(huán)繞式加工。因在熔接齒模的使用中對切刀口側(cè)壁表面質(zhì)量要求較高，因此軸向進給設(shè)置為0.03，以保證表面粗糙度。切刀口加工路徑如圖7所示


2.3.6 加工仿真與后處理

      利用hyperMILL的內(nèi)部機床或模擬功能進行仿真模擬[3]，整個過程未發(fā)現(xiàn)干涉、漏切，仿真結(jié)果如圖8所示。使用加工中心的操作系統(tǒng)為牧野V33i立式四軸加工中心，刀具路徑經(jīng)過后處理器處理生成.nc格式的NC文件。


程序優(yōu)化

3.1 壓花齒程序優(yōu)化

      壓花齒數(shù)量眾多，一般在400個齒左右，使用“五軸形狀偏置精加工”效率低下、刀具壽命低下，且跳刀較多。優(yōu)化后利用hyperCAD-S軟件進行軌跡輪廓線構(gòu)建，再采用“五軸輪廓加工”，以走輪廓線上的方式進行程序編寫，生成刀路軌跡有以下優(yōu)點：

      (1)跳刀少，基本無空刀;

      (2)刀具壽命長;

      (3)加工效率提升三倍以上。

      壓花齒優(yōu)化前后刀具路徑如圖9所示。


3.2 送料齒程序優(yōu)化

      送料齒一般呈環(huán)繞形均勻附著于熔接齒模表面，起到輸送布料的作用，其數(shù)量多、間距小，使用“五軸形狀偏置粗加工”加工效率低，且刀具壽命短。優(yōu)化后采用“五軸輪廓加工”編寫一齒，使用轉(zhuǎn)換功能進行圓形陣列并連結(jié)工單。該加工方案刀路整潔清晰，最大程度的簡化了刀具路徑。送料齒優(yōu)化前后刀具路徑如圖10所示。


3.3 切刀口程序優(yōu)化

      在加工切刀口時，一般使用“五軸形狀偏置精加工”呈環(huán)繞形加工， R角刀分層切削效率低下，且表面效果不佳。優(yōu)化后采用“五軸輪廓加工”使用成型刀分層加工，大大的提升了加工效率與表面質(zhì)量。切刀口優(yōu)化前后刀具路徑如圖11所示。


結(jié)論

      整體式KN95熔接齒模對制造要求的水平較高，且加工時間加長，制造質(zhì)量對熔接齒模的性能、使用壽命及應(yīng)用效果有著重要的影響，因此要制造出一款優(yōu)異的產(chǎn)品，不僅要有良好的制造方法，還要有良好的工藝作保證。

參考文獻(References):

[1] 合肥工業(yè)大學 張文祥、韓江.基于hyperMILL的整體葉輪五軸數(shù)控加工[J].制造技術(shù)與機床，2012(6)：125—128

[2] 山東大學 李曉君、劉戰(zhàn)強、沈琦、王兵.基于加工特征的整體葉盤數(shù)控編程與加工參數(shù)優(yōu)化.組合機床與自動化加工技術(shù)，2019(3)：153-156.

[3] 山東大學 趙文明，莊鵬，鞠崗崗等. 基于hyperMILL 的半開式整體葉輪五軸數(shù)控編程與加工技術(shù)[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2017( 1) : 70-73.

[4] 上海建橋?qū)W院 張云玲. 基于hyperMILL 葉輪模具母輪加工方法的研究[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2013( 5) : 34-35.

[5] 李亞寧.將hyperMILL用于人工關(guān)節(jié)的加工CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2009年(9)：32-33