■杭州蕭山技師學(xué)院 （浙江杭州 311201） 沈 梁 崔凱冬 尹 耀 張慶明

口罩熔接齒模是各類(lèi)全自動(dòng)和半自動(dòng)口罩機(jī)的核心零部件，該模具的加工質(zhì)量對(duì)于口罩加工成形的生產(chǎn)過(guò)程有非常大的影響，稍有偏差口罩便面臨著切不斷、邊緣有毛邊的狀況，甚至出現(xiàn)刀口崩裂?？谡秩劢育X模結(jié)構(gòu)特殊，加工精度要求高，數(shù)控編程復(fù)雜且加工難度大，如何快速準(zhǔn)確地實(shí)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加工的關(guān)鍵。

hyperMILL是德國(guó)OPEN MIND公司的一款CAM軟件，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(guò)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(guò)多而導(dǎo)致的加工效率低下問(wèn)題提供了一些解決方法與實(shí)用技術(shù)。

1. 整體式KN95熔接齒模模型

熔接齒模是打片機(jī)上最主要的部件之一，用于熔切無(wú)紡布。熔接齒模最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(wú)紡布的輸送。工作時(shí)熔接齒模呈軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)超聲波超聲振動(dòng)原理對(duì)多層無(wú)紡布進(jìn)行熱熔與切削。本文所研究的熔接齒模是整體式K N95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(zhǎng)285mm，最大外徑為φ79mm，切刀口角度為60°，壓花齒與送料齒數(shù)分別為380齒和120齒，間距為1mm。

圖1 整體式KN95熔接齒模及其主要結(jié)構(gòu)

圖2 整體式KN95熔接齒模外形尺寸

整體式K N95口罩熔接齒模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，其數(shù)控編程和加工的難點(diǎn)主要有：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0.1～0.3mm，因與壓花齒距離較近，為保證刃肩光順，只能選用小刀進(jìn)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不一，將直接影響模具使用。

2. KN95熔接齒模數(shù)控編程

hyperMILL是集成化NC編程的CAD/CAM軟件，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。與其他加工軟件相比，其編程效率高，自帶的加工仿真模塊可檢驗(yàn)程序的正確性，完成效果如圖3所示。

圖3 整體式KN95熔接齒模加工產(chǎn)品

（1）刀具與加工參數(shù)的選擇 選擇合適的刀具不僅可以保證加工效率，而且能夠保證零件的加工質(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(gè)方面的因素。熔接齒模材料一般為DC53或Cr12MoV等模具鋼，材料韌性較高，因此采用硬度及韌性較高的硬質(zhì)合金銑刀。KN95熔接齒模加工刀具的選取可遵循以下原則。

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

2）熔接齒間距較小，但加工深度較淺，可選擇直徑較小的立銑刀或角度銑刀。

3）切刀口是整個(gè)模型的關(guān)鍵部位之一，且切刀口表面對(duì)加工精度要求較高，可選擇較小的圓角銑刀或者帶角度的成形銑刀。

根據(jù)整體式K N95口罩熔接齒模的尺寸、材料等，選擇立銑刀、成形刀分別完成各個(gè)加工工序，所選刀具的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 加工中選用刀具的參數(shù)

（2）整體式K N95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(diǎn)，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、壓花齒精加工和切刀口精加工。各加工工序所用刀具以及切削參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各加工工序使用的刀具以及切削參數(shù)

（3）數(shù)控編程 具體情況如下所述。

1）圓柱驅(qū)動(dòng)面的定義。在hyperMILL軟件編程中沒(méi)有單獨(dú)的四軸模塊，但其五軸模塊的加工指令具有很高的靈活性，可利用五軸編程加工指令完成四軸程序的編寫(xiě)。使用該軟件編制程序時(shí)一般選用圓柱面為刀軸的驅(qū)動(dòng)面，刀具法向垂直于圓柱面來(lái)進(jìn)行零件加工，以此達(dá)到聯(lián)動(dòng)的效果。本次熔接齒模的程序編寫(xiě)中圓柱形驅(qū)動(dòng)體利用率較高，其示例如圖4所示。

圖4 圓柱形驅(qū)動(dòng)體示例

2）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，要使粗加工具有較高加工效率，在保證不發(fā)生干涉的前提下，盡可能選擇直徑大的銑刀，以保證加工效率。在hyperMILL軟件上建立圓柱驅(qū)動(dòng)面，并與驅(qū)動(dòng)面成法向進(jìn)行加工。最大橫向步距設(shè)置為2mm，垂直步距0.4mm，底面與側(cè)面余量均為0.15mm。生成的刀具路徑如圖5所示。

圖5 整體粗加工刀具路徑

3）清角與二次清角。整體式KN95熔接齒模輪廓島嶼眾多，較為復(fù)雜，粗加工后因刀具直徑緣故無(wú)法保證側(cè)面余量均勻化，因此需要清角加工。直接選用D2平底立銑刀進(jìn)行整體清角時(shí)效率低下，因此采用D4、D2平底立銑刀進(jìn)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)置為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”，參考刀具直徑分別為8mm和4mm，加工選項(xiàng)為“側(cè)壁”，進(jìn)行零件整體清角。兩次整體清角的刀具路徑如圖6所示。

4）底面精加工。整體式K N95熔接齒模齒底面加工要求并不高，在整個(gè)模具的運(yùn)行中屬于避空面，但壓花、送料齒頂面要求較高，在使用過(guò)程中與無(wú)紡布存在直接接觸，其與切刀口頂面存在落差，一般控制在0.15～0.20m m之間。若落差不均勻，會(huì)直接影響這個(gè)模具的使用。為保證齒面與切刀口的落差，在該工序運(yùn)行前需再次驗(yàn)證模具在機(jī)床上是否位于同軸。為保證加工質(zhì)量，加工底面時(shí)對(duì)零件側(cè)面留0.15mm余量，行距不宜過(guò)大，可選擇D4立銑刀進(jìn)行齒底、齒頂表面精加工。齒底和齒頂表面精加工刀具路徑如圖7所示。

圖6 整體清角加工刀具路徑

圖7 齒底和齒頂加工刀具路徑

5）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，數(shù)量較多，起到熔接與壓印的作用。送料齒在整體式K N95熔接齒模上可與壓花齒平齊或稍高于壓花齒面，為了更好地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(duì)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(jìn)行加工，該位置刀路拐角較多，采用刀具路徑倒圓角進(jìn)行光順過(guò)渡。最大橫向步距設(shè)置為0.4mm，垂直步距0.05mm，底面與側(cè)面無(wú)余量。壓花、送料齒精加工刀具路徑如圖8所示。

圖8 壓花、送料齒精加工刀具路徑

6）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(wú)紡布的功能，加工要求高，若無(wú)法保證切刀口寬度，在使用時(shí)易發(fā)生毛邊、局部未切斷等情況?？蛇x擇D1R0.2圓角銑刀，采用hyperMILL軟件中的“五軸形狀偏置精加工”進(jìn)行螺旋環(huán)繞式加工。因在熔接齒模的使用中對(duì)切刀口側(cè)壁表面質(zhì)量要求較高，因此軸向進(jìn)給設(shè)置為0.03mm，以保證表面粗糙度。切刀口加工路徑如圖9所示。

圖9 切刀口加工刀具路徑

7）加工仿真與后處理。利用hyperMILL的內(nèi)部機(jī)床或模擬功能進(jìn)行仿真模擬，整個(gè)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)干涉、漏切，仿真效果如圖10所示。使用的加工中心為牧野V33i立式四軸加工中心，刀具路徑經(jīng)過(guò)后處理器處理生成.nc格式的NC文件。

圖10 加工仿真效果

3. 程序優(yōu)化技巧

（1）壓花齒程序優(yōu)化技巧 壓花齒數(shù)量眾多，一般在400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(jìn)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(jìn)行程序編寫(xiě)，生成的刀路軌跡有以下優(yōu)點(diǎn)：①跳刀少，基本無(wú)空刀。②刀具壽命長(zhǎng)。③加工效率提升3倍以上。壓花齒優(yōu)化前后刀具路徑如圖11所示。

圖11 壓花齒優(yōu)化前后刀具路徑

（2）送料齒程序優(yōu)化技巧 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”效率低，且刀具壽命短。優(yōu)化后采用“五軸輪廓加工”編寫(xiě)，使用轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行圓形陣列并連結(jié)工單。該加工方案刀路整潔清晰，最大程度地簡(jiǎn)化了刀具路徑。送料齒優(yōu)化前后刀具路徑如圖12所示。

圖12 送料齒優(yōu)化前后刀具路徑

（3）切刀口程序優(yōu)化技巧 在加工切刀口時(shí)，一般使用“五軸形狀偏置精加工”呈環(huán)繞形加工，圓角銑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”使用成形刀分層加工，大大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13所示。

圖13 切刀口優(yōu)化前后刀具路徑

4. 結(jié)語(yǔ)

整體式K N95熔接齒模對(duì)制造水平的要求較高，且加工時(shí)間較長(zhǎng)，其加工質(zhì)量對(duì)熔接齒模的性能、使用壽命及應(yīng)用效果有重要影響，產(chǎn)品的生產(chǎn)加工效率也是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的關(guān)鍵。通過(guò)優(yōu)化技巧處理后，與原編程相比，效率提升85%以上，降低刀具損耗75%以上，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，高質(zhì)量、高效的加工性能勢(shì)必會(huì)優(yōu)先占領(lǐng)大量市場(chǎng)份額。

本文通過(guò)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(guò)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(guò)多導(dǎo)致加工效率低下的問(wèn)題，提供了一些解決方法與實(shí)用技術(shù)。結(jié)果表明hyperMILL軟件可以簡(jiǎn)化編程過(guò)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(shì)，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(duì)市場(chǎng)變化，并為其他同類(lèi)復(fù)雜零件的編程加工提供了重要依據(jù)。