hyperMILL：把“神棍”拉下神壇——整體式KN95熔接齒模的編（biān）程與優化
2020-5-21 來源：-- 作者：-
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（běn）文基（jī）於OPEN MIND公司hyperMILL軟件的加工功能，針（zhēn）對整體式KN95口罩熔（róng）接齒因結構複雜而導致數控編程和加工難度大的特點，實現數控（kòng）加工編程及加工工藝優化的過程。本文通（tōng）過軟件中五軸形狀偏（piān）置和五軸輪廓加工指令，為解（jiě）決熔接齒模在加工過程中加工（gōng）空間狹窄，切削刀具小，刀具（jù）壽命短，其他軟件程序抬刀、跳刀（dāo）、空（kōng）刀過多導致加工效率低下的問題提供了一（yī）些解決方法與實用技術。結果表明hyperMILL軟件可以簡化編程的過程，提高編程和加工的效率，充分（fèn）發揮多（duō）軸數控加工的技（jì）術優勢，幫助數控（kòng）加工企（qǐ）業充分利用現有設備，快速應對市場變化（huà），並（bìng）為其它同類（lèi）複雜零件的編程（chéng）加工提供了重要依（yī）據。
口罩（zhào）熔接（jiē）齒模是（shì）各類全自動（dòng）和半自動口罩機（jī）的（de）核心零部件。該模具的加（jiā）工質（zhì）量對於（yú）口罩（zhào）在加工成型的生產過（guò）程中有著非（fēi）常大的影（yǐng）響，稍有偏差口（kǒu）罩便麵臨著切不（bú）斷，邊緣有毛邊甚至出現刀口崩裂的狀況。該模具也因結構特（tè）殊，加工精度要求高，數控編程複雜和加工難（nán）度大等特點一度也譽名為（wéi）“神輥”。如何快速（sù）準確的實現數控加工編程和加工工藝優化，提高加工精度及加工效率成為該產品加工的（de）關鍵。
hyperMILL是德國（guó）OPEN MIND 公司的一款CAM軟件，其（qí）軟件（jiàn）中的五軸（zhóu）形狀偏置和五軸輪廓加工指令（lìng），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（duō）導致加工（gōng）效率低下的問題提供了（le）一些解決（jué）方法與實用技術（shù）。
整體式KN95熔（róng）接（jiē）齒模模型（xíng）
熔接齒模是打片機（jī）上最為主要部件之（zhī）一，用於熔切無紡布。熔接齒模最為主要（yào）的位置由（yóu）壓花齒、切刀（dāo）口（kǒu）和送料齒（chǐ）三部分組成，其中壓花齒與切刀口保證（zhèng）口罩的壓印與切斷，兩側送料齒保證無紡布的輸送。工作時熔接（jiē）齒模呈軸向旋轉運動，通過超聲（shēng）波超聲振動原（yuán）理對多層無紡布進行熱（rè）熔與切削。本文所研究的熔接齒模是整體式KN95口罩熔（róng）接齒模，如圖1所示。
圖1 整（zhěng）體式KN95熔接齒模及其主要結構
整體式KN95熔接齒（chǐ）模的外形尺寸如（rú）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（chǐ）數分別為380、120個，間距為1mm。
圖2 整體式KN95熔接齒模外形尺寸圖（tú）
整體式KN95口（kǒu）罩熔接齒模結（jié）構複雜，加（jiā）工難度（dù）大，其數控編程和（hé）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，一般控製在0.1mm~0.3mm， 並保證刃肩光順，因與壓（yā）花齒距離較（jiào）近，隻能（néng）選（xuǎn）用小（xiǎo）刀進行粗、精加工，效率低下，加工效果不佳；
（3）壓花、送料（liào）齒與切刀口存（cún）在一定量落差，落差若不同軸則造成（chéng）口罩壓花印高（gāo）低，將直接對模具使用產生影響。
KN95熔接（jiē）齒模數控編程
hyperMILL是集成化NC編程的CAD/CAM軟件［1］，其多軸（zhóu）模塊為熔（róng）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（zì）帶的加工仿真模塊（kuài）可檢（jiǎn）驗程序的正確性。
2.1 刀具（jù）與加工參（cān）數選擇
選擇合適的刀具和刀（dāo）具類型不僅可以保（bǎo）證加工效率，而且能夠滿足零件的加工質量。刀具的選擇（zé）需要充（chōng）分考慮工件（jiàn）的形狀、材料、加工效率和精度等（děng）各個方麵的因素［2］。KN95熔接齒模加工（gōng）刀具的選取可遵循以下原則：
（1）粗加工時（shí），在條件（jiàn）允許的情況下應選擇直徑較大的平底銑刀，以提升加（jiā）工效率（lǜ）；
（2）熔接齒間間距較小，但加工深度較淺，應選擇（zé）直徑較小的立銑刀（dāo）或角度刀；
（3）切刀口是整個模型的關（guān）鍵點之一，且（qiě）切刀口要求較（jiào）高，可選擇（zé）較小的R角刀或者帶角度的成型銑刀。
根（gēn）據整（zhěng）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。所選刀具的參數如表（biǎo）1所示。
表1 加工中選用刀具的參數
2.2整體式KN95熔接齒模加工工序（xù）及加工參（cān）數確定
根據所用毛坯的形狀（zhuàng）以及整體式KN95熔接齒模（mó）的結構特點，將其加工工序分為整體粗（cū）加工（gōng）、清（qīng）角加工、底麵精加工、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如表2所示。
表2 各加工工序使（shǐ）用的刀具以及參數
2.3數控編程
2.3.1 粗加工
粗銑加工完成（chéng）了熔接齒模主要加工餘量的（de）去除和後續（xù）加工餘量的均勻化。因此，要求粗加工具有較高的加工（gōng）效率，在（zài）保證不發生（shēng）幹涉且盡可能（néng）多的前提下盡可能（néng）選擇直徑大的銑刀（dāo），以保證加工效率［1］。在hyperMILL軟件上建立圓柱驅動麵並法向與驅動麵進行加工。最大橫向步距設置2mm，垂直步距0.4mm。底麵與側麵餘量均為（wéi）0.15mm。生成刀具路徑如圖3所示。
圖3 整體粗加（jiā）工刀具路徑
2.3.2 清角與（yǔ）二次清角
整體（tǐ）式KN95熔接齒模輪廓島嶼眾多，較為（wéi）複雜，粗加工後因刀具直（zhí）徑原因無法保證側麵餘量均勻化，因（yīn）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，保證零件側麵餘量均勻。最大橫向步距設置1.2mm，垂直步距0.08mm，底麵與側麵餘（yú）量均為0.15mm。
在hyperMILL軟件中（zhōng）使用“五軸形狀偏置精加工”設置“清角模式”參考（kǎo）刀具為7.5、3.8，加（jiā）工選項為“側壁”進行零件整體清角。兩次整體清角的刀具路徑如圖4所示。
圖4整體清角加工刀具路徑
2.3.3 底麵精加工
整體（tǐ）式KN95熔接齒模齒底麵加工要求並不高，在整個模具（jù）的運行中屬於避空麵。但壓花、送料齒頂（dǐng）麵要求較高（gāo），在使用過程中與無紡布存在直接接觸，其與切刀口頂麵存在落差，一（yī）般控製與0.15mm~0.2mm之間，若落差不均勻，則直接影響這個模具的使用，為保證齒麵與切刀口的落差，在該工序運行前需再次驗（yàn）證模具在機床上是否位（wèi）於同軸。為（wéi）保證加工質量（liàng），加工底麵時對零件側麵留有（yǒu）0.15餘量，行距不宜過大，可選擇D4的銑刀進行（háng）齒底、齒（chǐ）頂表麵精加工。齒底、齒頂表麵精加工刀具路徑如圖5所示
圖5齒（chǐ）頂與齒底加工刀具路徑
2.3.4 壓花齒、送料齒精加工
壓花齒呈環繞形纏繞於整體式KN95熔（róng）接齒模表麵，起到壓印的作用，數量較多。送料齒在整體式KN95熔接（jiē）齒模上可壓花齒平齊或稍高於壓花齒麵，為更好（hǎo）的保證送（sòng）料齒的輸送作用，可與切（qiē）刀口均采用外圓磨床磨削。
壓花齒、送料齒齒間距較（jiào）窄，數量較多，對側壁的（de）表麵要求不高，可選擇D1平底（dǐ）立銑刀（dāo）采用“五軸形狀偏置粗加工”進（jìn）行加工，該位置（zhì）刀路拐角較多，采（cǎi）用刀具路徑倒圓角進行（háng）光順過渡。最大橫向步距（jù）設置0.4mm，垂直步距0.05mm，底麵與側麵餘量無。壓花、送料齒精加（jiā）工刀具（jù）路徑如圖6所示。
圖6送料齒精加工刀具路徑
2.3.5 切刀口（kǒu）精加工（gōng）
切刀口是熔接齒模加（jiā）工要求最高的部位，起到切斷無紡布的功（gōng）能，加工要（yào）求高，若無法保證切刀口寬度，在使（shǐ）用時易發生毛（máo）邊、局部未切斷等情況。可選擇D1R0.2 R角刀采用hyperMILL軟件（jiàn）中“五軸形狀偏置精加工”進行螺旋環繞（rào）式加工。因在熔接齒模的使用中對切刀口側壁（bì）表麵質量要求較高，因此軸向進給設置為0.03，以保證表麵粗糙度。切刀口加（jiā）工（gōng）路徑如圖7所示
圖（tú）7切刀（dāo）口加工（gōng）刀具（jù）路徑
2.3.6 加工仿真與後（hòu）處理
利用hyperMILL的內部機床或模擬功能進行仿真模擬（nǐ）［3］，整個過程未發現幹（gàn）涉、漏切，仿（fǎng）真結（jié）果如圖（tú）8所示。使用加工中心的操作係統為牧野V33i立式四軸加工中心，刀具（jù）路徑經（jīng）過後處理器處理生成.nc格式的NC文件。
圖8 加工仿真效果
程序優化
3.1 壓花齒程序優化
壓花齒數量眾多，一般在400個齒左右（yòu），使用“五（wǔ）軸形狀偏置精加工”效率低下、刀具壽命低下，且跳刀較多。優化後利用hyperCAD-S軟件進行軌跡輪廓線（xiàn）構建，再采用“五軸輪廓加工”，以（yǐ）走輪廓線上的方式進行程序編寫，生成刀路軌跡有（yǒu）以（yǐ）下優點：
（1）跳刀（dāo）少（shǎo），基本無空刀；
（2）刀具壽命長；
（3）加工效率（lǜ）提升三倍以（yǐ）上。
壓花齒優化前後刀具路徑如圖（tú）9所（suǒ）示。
圖9壓花齒優化（huà）前後刀（dāo）具路徑
3.2 送料齒程序優化
送料（liào）齒一般呈環繞形均勻附著於熔接齒（chǐ）模表麵，起到輸送布料的作用，其數量多、間距（jù）小，使用“五軸形狀偏置粗加工”加（jiā）工（gōng）效率低，且刀具壽命短。優化後采用“五軸輪廓加（jiā）工”編寫一齒，使用轉換功能進（jìn）行圓（yuán）形（xíng）陣列並連結工單。該加工（gōng）方案刀路整潔清晰，最大程度（dù）的簡化了刀（dāo）具路徑。送（sòng）料齒優化前後刀具路徑如圖10所示。
圖10送料齒優化前後刀具路徑
3.3 切刀口程序優化
在加工切刀口時，一般使用（yòng）“五軸形狀偏置精（jīng）加工”呈環繞形加工， R角（jiǎo）刀分層切削效率（lǜ）低下，且表麵效果不佳。優化後采（cǎi）用“五軸輪廓加工”使用成型（xíng）刀分層加工，大大的提升了加工效率與表麵質量。切刀口優化前後刀具路徑（jìng）如圖11所示。
圖11切（qiē）刀口優化前後刀具路徑
結 論
整體式KN95熔接齒模對製造要求的水平較高，且加工（gōng）時間加長，製（zhì）造質量對熔接齒模的性能、使用壽命及應（yīng）用效果有著（zhe）重（chóng）要的影響，因此要製造出一款優異的產品，不僅要有良好的製造方法，還（hái）要有良好的工藝作保證（zhèng）。
參（cān）考文獻：
[1] 合肥工業大學 張文祥、韓江．基於hyperMILL的整體葉輪五軸數（shù）控加工[J]．製（zhì）造技術與機床，2012(6)：125—128.
[2] 山東（dōng）大（dà）學 李曉君、劉戰強、沈（shěn）琦、王兵．基於加工特征的整體葉盤數控編程（chéng）與（yǔ）加工參數優化．組合機床（chuáng）與（yǔ）自動化加工技術，2019（3）：153－156．
[3] 山東大學 趙文明，莊鵬，鞠（jū）崗崗等． 基於hyperMILL 的半開（kāi）式整體葉輪五軸（zhóu）數控編程與加工技術［J］． 組合機床與自（zì）動化加工技（jì）術，2017( 1) : 70－73．
[4] 上海建橋學院 張（zhāng）雲玲． 基於hyperMILL 葉輪模具母輪加工方法的研究［J］． 組合（hé）機床與自（zì）動化加工技術，2013( 5) : 34－35．
[5] 李亞寧．將hyperMILL用於（yú）人工關節的（de）加工CAD/CAM與製造業信息化，2009年（9）：32-33.
（來源：杭州蕭山技（jì）師學院 / 作者：沈梁、崔凱冬、尹耀（yào）、張慶（qìng）明）
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