刁文海，羅一鳴

（1.廣州市機(jī)電高級技工學(xué)校，廣州 510435；2.廣州科明數(shù)碼技術(shù)有限公司，廣州 510000）

0 引言

隨著國外疫情的爆發(fā)，市場對KN95 等高端口罩需求量空前暴增，口罩機(jī)設(shè)備及核心零部件供不應(yīng)求［1]?；鸨氖袌鲂枨?，苛刻的質(zhì)量要求給齒模帶來了高附加值，吸引各類企業(yè)加入了生產(chǎn)計劃，卻導(dǎo)致口罩機(jī)核心零部件熔接齒模出現(xiàn)生產(chǎn)效率低、質(zhì)量不一、壽命短等問題，嚴(yán)重制約著口罩機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)效益，企業(yè)需要不斷優(yōu)化齒模生產(chǎn)工藝來提高口罩機(jī)核心零部件的供給?？谡秩劢育X模（以下簡稱齒模）結(jié)構(gòu)由許多小齒和標(biāo)識組成。其圓跳動、同軸度要求在0.005 mm以內(nèi)，對齒模是否合格起決定性作用。分析齒模加工特點(diǎn)，優(yōu)化其加工工藝方法，高效、穩(wěn)定的加工齒模等口罩機(jī)的核心零部件至關(guān)重要，也是一個技術(shù)難點(diǎn)與熱點(diǎn)。

1 齒模工藝分析

口罩機(jī)的工作原理是將多層無紡布通過熱壓、折疊成型、超聲波焊接、廢料切除、耳帶鼻梁條焊接等工序制造出具有一定過濾性能的各種口罩，口罩設(shè)備不是單臺的機(jī)器，它需要多臺機(jī)器的配合完成各種不同的工序。在口罩生產(chǎn)工序中，最為關(guān)鍵的部分就是口罩的熔接，它對口罩的過濾效果和密封性具有決定性作用。而熔接最關(guān)鍵的部件就是齒模，主要應(yīng)用在口罩生產(chǎn)時的“印花”、熔接與裁切場合。其制造技術(shù)要求極高，加工的質(zhì)量和穩(wěn)定性影響著口罩生產(chǎn)時的合格率，在加工過程中，會出現(xiàn)大量的工藝問題。因此，生產(chǎn)出與設(shè)計相符合的齒模，不僅要有良好的數(shù)控設(shè)備，還有成熟的加工工藝和方法。

1.1 零件圖紙及結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示，齒模是一個旋轉(zhuǎn)體，由許多個細(xì)小錐形齒和標(biāo)識分布在旋轉(zhuǎn)面上構(gòu)成。尤其KN95 口罩，要求具有更強(qiáng)的過濾效果和密封性，所以它的齒模生產(chǎn)工藝更復(fù)雜、精度更苛刻。

齒模的加工材料為DC53 模具鋼，是對SKD11 進(jìn)行改良的新型冷作模具鋼，其技術(shù)規(guī)范載于日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）G4404。它克服了SKD11 高溫回火硬度和韌性不足的弱點(diǎn)，將在通用及精密模具領(lǐng)域全面取代SKD11，具有被切削性、被研磨性良好等優(yōu)點(diǎn)［2]。

經(jīng)分析零件模型、圖紙，首先采用普通數(shù)控車床加工成齒模的基本形狀；然后需要通過四軸加工中心進(jìn)行銑削［3-4]，加工許多標(biāo)識和小齒，其曲面加工質(zhì)量要求較高，主要定位基準(zhǔn)面為軸兩端，所以可采用一夾一頂?shù)难b夾方式，如圖2所示。

圖1 口罩熔接齒模結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 口罩熔接齒模加工裝夾示意圖

1.2 齒模加工難點(diǎn)分析

1.2.1 編程難點(diǎn)

加入齒模生產(chǎn)計劃的企業(yè)都具備加工設(shè)備，但最重要的環(huán)節(jié)是齒模高效加工的NC代碼程序，對于需求各異的訂單，讓技術(shù)人員感到棘手，導(dǎo)致市面上出現(xiàn)“千金求程序”的現(xiàn)象。對于齒模的加工，工藝技術(shù)人員需要對它的構(gòu)造以及相關(guān)的知識有一定了解。

（1）齒模上有500多個小錐形齒，編程時需要投影模型上所有面的曲線，進(jìn)行偏置編程。

（2）四軸聯(lián)動開粗刀路，制作非常繁瑣耗時，影響實際生產(chǎn)周期［5]。

（3）使用偏置線加工方法遇到模型和齒模復(fù)雜時，進(jìn)行二次清根很計算刀路慢。對電腦偏置要求較高，性能跟不上時會影響刀路正常計算生成。

（4）刀齒和底面都不是垂直的，每一個小槽需要單獨(dú)選擇，加大編程難度和降低編程效率。

（5）使用偏置的線進(jìn)行加工時，無法進(jìn)行過切檢查。

1.2.2 加工難點(diǎn)

齒模的加工技術(shù)要求高，加工時間長，工序環(huán)節(jié)多，0.005 mm的外圓跳動和同軸度、0.01 mm全曲面的苛刻精度要求，無論對于數(shù)控設(shè)備還是技術(shù)人員來說，都是極大的挑戰(zhàn)。

（1）加工中需使用R0.5 mm小刀具進(jìn)行光刀精加工，由于材料硬度高，只能小切削量，存在刀具磨損快、效率低等因素，影響著生產(chǎn)效益。

（2）齒模有小于1 mm 的齒時，會在噴砂和磨削過程中出現(xiàn)打斷、打蹦刀模齒的情況。

（3）齒模經(jīng)過熱處理后，磨削加工完成時，0.005 mm同軸度和跳動達(dá)不到技術(shù)要求。

（4）四軸聯(lián)動加工效率低，加工周期長。

2 齒模工藝設(shè)計

齒模加工工藝路線的設(shè)計，主要包括數(shù)控機(jī)床的選擇、加工方法的確定、工序的安排、加工刀具路徑編制等內(nèi)容。

2.1 數(shù)控機(jī)床的選擇

四軸加工中心主要是在原有的立式或臥式加工中心的基礎(chǔ)上添加第4個旋轉(zhuǎn)軸。一般旋轉(zhuǎn)軸添加在與X 軸軸線平行的工作臺面上，此旋轉(zhuǎn)軸定義為A 軸［6]。四軸加工中心分為兩種：第一種是第四軸只擺角度不能聯(lián)動，即所謂的3 +1；第二種是可四軸聯(lián)動參與加工的。據(jù)了解，企業(yè)平時生產(chǎn)時較少使用到輔助軸第4 軸，部分企業(yè)開始時使用第一種四軸加工中心設(shè)備來生產(chǎn)齒模，產(chǎn)生過切等問題。齒模的加工主要依靠A軸（第4軸）的旋轉(zhuǎn)加X軸的聯(lián)動來實現(xiàn)，所以應(yīng)選用第二種四軸加工中心設(shè)備來加工齒模。

2.2 加工方法的確定

加工方法選擇時要保證加工精度和表面粗糙度的要求。由于獲得同一級精度及表面粗糙度的加工方法一般有多種，根據(jù)工廠的生產(chǎn)設(shè)備等實際情況，結(jié)合齒模的加工技術(shù)要求綜合考慮，使用車削、銑削、磨削的加工方法加工齒模。

2.3 加工工序安排

在齒模加工過程中，需要加工的的表面主要為?。ㄥF）形齒和標(biāo)識。因此，在安排工序時，為了保證葉片的加工質(zhì)量，生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)性和加工可行性，須遵循工序集中、基準(zhǔn)先行、先粗后精、先主后次、先面后孔、分面加工的工藝原則。根據(jù)上述工藝原則，將口罩熔接齒模的加工工序劃分為：車床坯料粗加工——四軸加工中心粗加工——二次粗加工——?dú)埩锨甯庸ぁ獰崽幚怼ハ鳌?/p>

2.4 加工刀具路徑編制

2.4.1 軟件選用

通常復(fù)雜型面零件的數(shù)控加工，由于模型數(shù)據(jù)的特殊性，采用通用CAM軟件自動編程，充分利用軟件提供的各種加工策略來進(jìn)行編程［7]。經(jīng)過實踐驗證，本文采用ESPRIT CAM軟件進(jìn)行編程。

（1）ESPRIT擁有獨(dú)特的四軸聯(lián)動加工策略，可一次性生成刀路，能在1 min 以內(nèi)完成熔接齒模的粗加工程序，不需繁瑣重復(fù)地做刀路投影。

（2）可通過軟件的自動毛坯更新功能，有效地讀取并自動識別上一個刀路的加工剩余材料，從而生成二次開粗的刀路，避免了任何的碰撞以及亂刀情況發(fā)生。

（3）編制齒模零件的刀路時，有許多個小齒和標(biāo)識只需通過選擇單面的形式，不需要繁瑣地偏置線。同時只需要一個模具等高粗加工策略就能快速完成選擇一次成型所有的小孔。（4）編制口罩機(jī)另一核心零部件切刀時，也可運(yùn)用纏繞的策略，只需要抽取零件上的輪廓曲線即可直接使用策略編程。

2.4.2 刀具與切削參數(shù)選用

經(jīng)過分析模型，結(jié)合工藝安排，加工口罩熔接齒模時需選用直徑10/6/1.5/1 mm 的端銑刀，直徑3/4 mm 的圓角刀具，具體參數(shù)如表1所示［8]。

表1 刀具與切削參數(shù)表

2.4.3 刀具路徑編制與仿真

刀具路徑編制與仿真步驟為：導(dǎo)入齒模模型——分析模型質(zhì)量——編程準(zhǔn)備（刀具、坐標(biāo)系）——粗加工程序——二次粗加工程序——清根加工程序——精加工程序——模擬仿真——后處理NC代碼。

3 齒模工藝優(yōu)化

生產(chǎn)流程為：車床粗車——四軸加工中心銑削粗加工——銑削精加工——熱處理——噴砂——磨削加工——交貨驗收。針對此生產(chǎn)流程中存在的問題進(jìn)行優(yōu)化。

（1）采用三軸定軸加工進(jìn)行粗加工，可縮短一半工時，大大提高加工效率。

（2）加工小于1 mm 的齒時，選用成形刀具，通過成形刀具進(jìn)行加工刀模齒，可以讓刀模齒有更大的受力點(diǎn)，有效地解決了在噴砂和磨削過程中打斷、打蹦刀模齒等質(zhì)量問題發(fā)生。

（3）熱處理后產(chǎn)生變形的問題，經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證得出：在車削加工時，預(yù)留單邊0.3 mm 的余量來進(jìn)行熱處理后變形量可以控制在有效范圍以內(nèi)。

4 結(jié)束語

綜上所述，針對齒模精度要求高、加工難度大、生產(chǎn)效率低等現(xiàn)狀，通過分析齒模的編程及加工難點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)企業(yè)使用的CAM軟件不同、編程計算方式和效率、工藝方法等區(qū)別大。通過選用具有高效便捷編程策略功能的CAM軟件，有效地提高技術(shù)人員對于需求各異的齒模的編程效率，縮短加工輔助周期；成形刀具使用后，有效地杜絕了齒模崩齒、斷齒等質(zhì)量問題；車削加工時，在齒模兩端預(yù)留0.3 mm 余量，解決了熱處理后變形的技術(shù)難點(diǎn)，滿足圖紙同軸度0.005 mm的技術(shù)要求。所以齒模優(yōu)化加工工藝方法后，為企業(yè)降低了生產(chǎn)成本，提高了口罩機(jī)核心零部件等的生產(chǎn)效益。這種工藝方法的設(shè)計分析和優(yōu)化改進(jìn)，可進(jìn)一步推廣其編程加工技術(shù)應(yīng)用，對同類產(chǎn)品的加工具有較高的生產(chǎn)指導(dǎo)意義。