口罩熔接齒模的數控編程與工藝設計

刁文海，羅一鳴

（1.廣州市機電高級技工學校，廣州 510435；2.廣州科明數碼技術有限公司，廣州 510000）

0 引言

隨著國外疫情的爆發，市場對KN95 等高端口罩需求量空前暴增，口罩機設備及核心零部件供不應求［1]。火爆的市場需求，苛刻的質量要求給齒模帶來了高附加值，吸引各類企業加入了生產計劃，卻導致口罩機核心零部件熔接齒模出現生產效率低、質量不一、壽命短等問題，嚴重制約著口罩機設備的生產效益，企業需要不斷優化齒模生產工藝來提高口罩機核心零部件的供給。口罩熔接齒模（以下簡稱齒模）結構由許多小齒和標識組成。其圓跳動、同軸度要求在0.005 mm以內，對齒模是否合格起決定性作用。分析齒模加工特點，優化其加工工藝方法，高效、穩定的加工齒模等口罩機的核心零部件至關重要，也是一個技術難點與熱點。

1 齒模工藝分析

口罩機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，口罩設備不是單臺的機器，它需要多臺機器的配合完成各種不同的工序。在口罩生產工序中，最為關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。而熔接最關鍵的部件就是齒模，主要應用在口罩生產時的“印花”、熔接與裁切場合。其制造技術要求極高，加工的質量和穩定性影響著口罩生產時的合格率，在加工過程中，會出現大量的工藝問題。因此，生產出與設計相符合的齒模，不僅要有良好的數控設備，還有成熟的加工工藝和方法。

1.1 零件圖紙及結構分析

如圖1所示，齒模是一個旋轉體，由許多個細小錐形齒和標識分布在旋轉面上構成。尤其KN95 口罩，要求具有更強的過濾效果和密封性，所以它的齒模生產工藝更復雜、精度更苛刻。

齒模的加工材料為DC53 模具鋼，是對SKD11 進行改良的新型冷作模具鋼，其技術規范載于日本工業標準（JIS）G4404。它克服了SKD11 高溫回火硬度和韌性不足的弱點，將在通用及精密模具領域全面取代SKD11，具有被切削性、被研磨性良好等優點［2]。

經分析零件模型、圖紙，首先采用普通數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行銑削［3-4]，加工許多標識和小齒，其曲面加工質量要求較高，主要定位基準面為軸兩端，所以可采用一夾一頂的裝夾方式，如圖2所示。

圖1 口罩熔接齒模結構示意圖

圖2 口罩熔接齒模加工裝夾示意圖

1.2 齒模加工難點分析

1.2.1 編程難點

加入齒模生產計劃的企業都具備加工設備，但最重要的環節是齒模高效加工的NC代碼程序，對于需求各異的訂單，讓技術人員感到棘手，導致市面上出現“千金求程序”的現象。對于齒模的加工，工藝技術人員需要對它的構造以及相關的知識有一定了解。

（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，進行偏置編程。

（2）四軸聯動開粗刀路，制作非常繁瑣耗時，影響實際生產周期［5]。

（3）使用偏置線加工方法遇到模型和齒模復雜時，進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選擇，加大編程難度和降低編程效率。

（5）使用偏置的線進行加工時，無法進行過切檢查。

1.2.2 加工難點

齒模的加工技術要求高，加工時間長，工序環節多，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，無論對于數控設備還是技術人員來說，都是極大的挑戰。

（1）加工中需使用R0.5 mm小刀具進行光刀精加工，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打斷、打蹦刀模齒的情況。

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

（4）四軸聯動加工效率低，加工周期長。

2 齒模工藝設計

齒模加工工藝路線的設計，主要包括數控機床的選擇、加工方法的確定、工序的安排、加工刀具路徑編制等內容。

2.1 數控機床的選擇

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上添加第4個旋轉軸。一般旋轉軸添加在與X 軸軸線平行的工作臺面上，此旋轉軸定義為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動，即所謂的3 +1；第二種是可四軸聯動參與加工的。據了解，企業平時生產時較少使用到輔助軸第4 軸，部分企業開始時使用第一種四軸加工中心設備來生產齒模，產生過切等問題。齒模的加工主要依靠A軸（第4軸）的旋轉加X軸的聯動來實現，所以應選用第二種四軸加工中心設備來加工齒模。

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，根據工廠的生產設備等實際情況，結合齒模的加工技術要求綜合考慮，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小（錐）形齒和標識。因此，在安排工序時，為了保證葉片的加工質量，生產效率、經濟性和加工可行性，須遵循工序集中、基準先行、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——殘料清根——精加工——熱處理——磨削。

2.4 加工刀具路徑編制

2.4.1 軟件選用

通常復雜型面零件的數控加工，由于模型數據的特殊性，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行編程［7]。經過實踐驗證，本文采用ESPRIT CAM軟件進行編程。

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

（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生。

（3）編制齒模零件的刀路時，有許多個小齒和標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）編制口罩機另一核心零部件切刀時，也可運用纏繞的策略，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 刀具與切削參數選用

經過分析模型，結合工藝安排，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，具體參數如表1所示［8]。

表1 刀具與切削參數表

2.4.3 刀具路徑編制與仿真

刀具路徑編制與仿真步驟為：導入齒模模型——分析模型質量——編程準備（刀具、坐標系）——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 齒模工藝優化

生產流程為：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。針對此生產流程中存在的問題進行優化。

（1）采用三軸定軸加工進行粗加工，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，通過成形刀具進行加工刀模齒，可以讓刀模齒有更大的受力點，有效地解決了在噴砂和磨削過程中打斷、打蹦刀模齒等質量問題發生。

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

4 結束語

綜上所述，針對齒模精度要求高、加工難度大、生產效率低等現狀，通過分析齒模的編程及加工難點，發現企業使用的CAM軟件不同、編程計算方式和效率、工藝方法等區別大。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、斷齒等質量問題；車削加工時，在齒模兩端預留0.3 mm 余量，解決了熱處理后變形的技術難點，滿足圖紙同軸度0.005 mm的技術要求。所以齒模優化加工工藝方法后，為企業降低了生產成本，提高了口罩機核心零部件等的生產效益。這種工藝方法的設計分析和優化改進，可進一步推廣其編程加工技術應用，對同類產品的加工具有較高的生產指導意義。