使用hyperMILL軟件優化刀具路徑加工整體式KN95熔接齒模

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

口罩熔接齒模是各類全自動和半自動口罩機的核心零部件，該模具的加工質量對于口罩加工成形的生產過程有非常大的影響，稍有偏差口罩便面臨著切不斷、邊緣有毛邊的狀況，甚至出現刀口崩裂。口罩熔接齒模結構特殊，加工精度要求高，數控編程復雜且加工難度大，如何快速準確地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加工的關鍵。

hyperMILL是德國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、空刀過多而導致的加工效率低下問題提供了一些解決方法與實用技術。

1. 整體式KN95熔接齒模模型

熔接齒模是打片機上最主要的部件之一，用于熔切無紡布。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，兩側送料齒保證無紡布的輸送。工作時熔接齒模呈軸向旋轉運動，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285mm，最大外徑為φ79mm，切刀口角度為60°，壓花齒與送料齒數分別為380齒和120齒，間距為1mm。

圖1 整體式KN95熔接齒模及其主要結構

圖2 整體式KN95熔接齒模外形尺寸

整體式K N95口罩熔接齒模結構復雜，加工難度大，其數控編程和加工的難點主要有：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熔接齒模加工產品

（1）刀具與加工參數的選擇 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。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，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）切刀口是整個模型的關鍵部位之一，且切刀口表面對加工精度要求較高，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加工工序，所選刀具的參數見表1。

表1 加工中選用刀具的參數

（2）整體式K N95熔接齒模加工工序及加工參數確定 根據所用毛坯的形狀以及整體式KN95熔接齒模的結構特點，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、壓花齒精加工和切刀口精加工。各加工工序所用刀具以及切削參數見表2。

表2 各加工工序使用的刀具以及切削參數

（3）數控編程 具體情況如下所述。

1）圓柱驅動面的定義。在hyperMILL軟件編程中沒有單獨的四軸模塊，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。使用該軟件編制程序時一般選用圓柱面為刀軸的驅動面，刀具法向垂直于圓柱面來進行零件加工，以此達到聯動的效果。本次熔接齒模的程序編寫中圓柱形驅動體利用率較高，其示例如圖4所示。

圖4 圓柱形驅動體示例

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軟件上建立圓柱驅動面，并與驅動面成法向進行加工。最大橫向步距設置為2mm，垂直步距0.4mm，底面與側面余量均為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，較為復雜，粗加工后因刀具直徑緣故無法保證側面余量均勻化，因此需要清角加工。直接選用D2平底立銑刀進行整體清角時效率低下，因此采用D4、D2平底立銑刀進行清角與二次清角，保證零件側面余量均勻。最大橫向步距設置為1.2mm，垂直步距0.08mm，底面與側面余量均為0.15mm。

在hyperMILL軟件中使用“五軸形狀偏置精加工”，設置“清角模式”，參考刀具直徑分別為8mm和4mm，加工選項為“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，一般控制在0.15～0.20m m之間。若落差不均勻，會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。為保證加工質量，加工底面時對零件側面留0.15mm余量，行距不宜過大，可選擇D4立銑刀進行齒底、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。壓花齒呈環繞形纏繞于整體式KN95熔接齒模表面，數量較多，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，數量較多，對側壁的表面要求不高，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。最大橫向步距設置為0.4mm，垂直步距0.05mm，底面與側面無余量。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，在使用時易發生毛邊、局部未切斷等情況。可選擇D1R0.2圓角銑刀，采用hyperMILL軟件中的“五軸形狀偏置精加工”進行螺旋環繞式加工。因在熔接齒模的使用中對切刀口側壁表面質量要求較高，因此軸向進給設置為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的內部機床或模擬功能進行仿真模擬，整個過程中未發現干涉、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，刀具路徑經過后處理器處理生成.nc格式的NC文件。

圖10 加工仿真效果

3. 程序優化技巧

（1）壓花齒程序優化技巧 壓花齒數量眾多，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。優化后利用hyperCAD-S軟件進行軌跡輪廓線構建，再采用“五軸輪廓加工”，以走輪廓線上的方式進行程序編寫，生成的刀路軌跡有以下優點：①跳刀少，基本無空刀。②刀具壽命長。③加工效率提升3倍以上。壓花齒優化前后刀具路徑如圖11所示。

圖11 壓花齒優化前后刀具路徑

（2）送料齒程序優化技巧 送料齒一般呈環繞形均勻附著于熔接齒模表面，起到輸送布料的作用，其數量多、間距小，使用“五軸形狀偏置粗加工”效率低，且刀具壽命短。優化后采用“五軸輪廓加工”編寫，使用轉換功能進行圓形陣列并連結工單。該加工方案刀路整潔清晰，最大程度地簡化了刀具路徑。送料齒優化前后刀具路徑如圖12所示。

圖12 送料齒優化前后刀具路徑

（3）切刀口程序優化技巧 在加工切刀口時，一般使用“五軸形狀偏置精加工”呈環繞形加工，圓角銑刀分層切削效率低下，且表面效果不佳。優化后采用“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量。切刀口優化前后刀具路徑如圖13所示。

圖13 切刀口優化前后刀具路徑

4. 結語

整體式K N95熔接齒模對制造水平的要求較高，且加工時間較長，其加工質量對熔接齒模的性能、使用壽命及應用效果有重要影響，產品的生產加工效率也是市場競爭中的關鍵。通過優化技巧處理后，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異的產品，不僅要有良好的制造方法，還要有良好的工藝作保證，高質量、高效的加工性能勢必會優先占領大量市場份額。

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。結果表明hyperMILL軟件可以簡化編程過程，提高編程和加工的效率，充分發揮多軸數控加工的技術優勢，幫助數控加工企業充分利用現有設備，快速應對市場變化，并為其他同類復雜零件的編程加工提供了重要依據。