口罩熔接齿模的数控编程与工艺设计

刁文海，罗一鸣

（1.广州市机电高级技工学校，广州 510435；2.广州科明数码技术有限公司，广州 510000）

0 引言

随着国外疫情的爆发，市场对KN95 等高端口罩需求量空前暴增，口罩机设备及核心零部件供不应求［1]。火爆的市场需求，苛刻的质量要求给齿模带来了高附加值，吸引各类企业加入了生产计划，却导致口罩机核心零部件熔接齿模出现生产效率低、质量不一、寿命短等问题，严重制约着口罩机设备的生产效益，企业需要不断优化齿模生产工艺来提高口罩机核心零部件的供给。口罩熔接齿模（以下简称齿模）结构由许多小齿和标识组成。其圆跳动、同轴度要求在0.005 mm以内，对齿模是否合格起决定性作用。分析齿模加工特点，优化其加工工艺方法，高效、稳定的加工齿模等口罩机的核心零部件至关重要，也是一个技术难点与热点。

1 齿模工艺分析

口罩机的工作原理是将多层无纺布通过热压、折叠成型、超声波焊接、废料切除、耳带鼻梁条焊接等工序制造出具有一定过滤性能的各种口罩，口罩设备不是单台的机器，它需要多台机器的配合完成各种不同的工序。在口罩生产工序中，最为关键的部分就是口罩的熔接，它对口罩的过滤效果和密封性具有决定性作用。而熔接最关键的部件就是齿模，主要应用在口罩生产时的“印花”、熔接与裁切场合。其制造技术要求极高，加工的质量和稳定性影响着口罩生产时的合格率，在加工过程中，会出现大量的工艺问题。因此，生产出与设计相符合的齿模，不仅要有良好的数控设备，还有成熟的加工工艺和方法。

1.1 零件图纸及结构分析

如图1所示，齿模是一个旋转体，由许多个细小锥形齿和标识分布在旋转面上构成。尤其KN95 口罩，要求具有更强的过滤效果和密封性，所以它的齿模生产工艺更复杂、精度更苛刻。

齿模的加工材料为DC53 模具钢，是对SKD11 进行改良的新型冷作模具钢，其技术规范载于日本工业标准（JIS）G4404。它克服了SKD11 高温回火硬度和韧性不足的弱点，将在通用及精密模具领域全面取代SKD11，具有被切削性、被研磨性良好等优点［2]。

经分析零件模型、图纸，首先采用普通数控车床加工成齿模的基本形状；然后需要通过四轴加工中心进行铣削［3-4]，加工许多标识和小齿，其曲面加工质量要求较高，主要定位基准面为轴两端，所以可采用一夹一顶的装夹方式，如图2所示。

图1 口罩熔接齿模结构示意图

图2 口罩熔接齿模加工装夹示意图

1.2 齿模加工难点分析

1.2.1 编程难点

加入齿模生产计划的企业都具备加工设备，但最重要的环节是齿模高效加工的NC代码程序，对于需求各异的订单，让技术人员感到棘手，导致市面上出现“千金求程序”的现象。对于齿模的加工，工艺技术人员需要对它的构造以及相关的知识有一定了解。

（1）齿模上有500多个小锥形齿，编程时需要投影模型上所有面的曲线，进行偏置编程。

（2）四轴联动开粗刀路，制作非常繁琐耗时，影响实际生产周期［5]。

（3）使用偏置线加工方法遇到模型和齿模复杂时，进行二次清根很计算刀路慢。对电脑偏置要求较高，性能跟不上时会影响刀路正常计算生成。

（4）刀齿和底面都不是垂直的，每一个小槽需要单独选择，加大编程难度和降低编程效率。

（5）使用偏置的线进行加工时，无法进行过切检查。

1.2.2 加工难点

齿模的加工技术要求高，加工时间长，工序环节多，0.005 mm的外圆跳动和同轴度、0.01 mm全曲面的苛刻精度要求，无论对于数控设备还是技术人员来说，都是极大的挑战。

（1）加工中需使用R0.5 mm小刀具进行光刀精加工，由于材料硬度高，只能小切削量，存在刀具磨损快、效率低等因素，影响着生产效益。

（2）齿模有小于1 mm 的齿时，会在喷砂和磨削过程中出现打断、打蹦刀模齿的情况。

（3）齿模经过热处理后，磨削加工完成时，0.005 mm同轴度和跳动达不到技术要求。

（4）四轴联动加工效率低，加工周期长。

2 齿模工艺设计

齿模加工工艺路线的设计，主要包括数控机床的选择、加工方法的确定、工序的安排、加工刀具路径编制等内容。

2.1 数控机床的选择

四轴加工中心主要是在原有的立式或卧式加工中心的基础上添加第4个旋转轴。一般旋转轴添加在与X 轴轴线平行的工作台面上，此旋转轴定义为A 轴［6]。四轴加工中心分为两种：第一种是第四轴只摆角度不能联动，即所谓的3 +1；第二种是可四轴联动参与加工的。据了解，企业平时生产时较少使用到辅助轴第4 轴，部分企业开始时使用第一种四轴加工中心设备来生产齿模，产生过切等问题。齿模的加工主要依靠A轴（第4轴）的旋转加X轴的联动来实现，所以应选用第二种四轴加工中心设备来加工齿模。

2.2 加工方法的确定

加工方法选择时要保证加工精度和表面粗糙度的要求。由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有多种，根据工厂的生产设备等实际情况，结合齿模的加工技术要求综合考虑，使用车削、铣削、磨削的加工方法加工齿模。

2.3 加工工序安排

在齿模加工过程中，需要加工的的表面主要为小（锥）形齿和标识。因此，在安排工序时，为了保证叶片的加工质量，生产效率、经济性和加工可行性，须遵循工序集中、基准先行、先粗后精、先主后次、先面后孔、分面加工的工艺原则。根据上述工艺原则，将口罩熔接齿模的加工工序划分为：车床坯料粗加工——四轴加工中心粗加工——二次粗加工——残料清根——精加工——热处理——磨削。

2.4 加工刀具路径编制

2.4.1 软件选用

通常复杂型面零件的数控加工，由于模型数据的特殊性，采用通用CAM软件自动编程，充分利用软件提供的各种加工策略来进行编程［7]。经过实践验证，本文采用ESPRIT CAM软件进行编程。

（1）ESPRIT拥有独特的四轴联动加工策略，可一次性生成刀路，能在1 min 以内完成熔接齿模的粗加工程序，不需繁琐重复地做刀路投影。

（2）可通过软件的自动毛坯更新功能，有效地读取并自动识别上一个刀路的加工剩余材料，从而生成二次开粗的刀路，避免了任何的碰撞以及乱刀情况发生。

（3）编制齿模零件的刀路时，有许多个小齿和标识只需通过选择单面的形式，不需要繁琐地偏置线。同时只需要一个模具等高粗加工策略就能快速完成选择一次成型所有的小孔。（4）编制口罩机另一核心零部件切刀时，也可运用缠绕的策略，只需要抽取零件上的轮廓曲线即可直接使用策略编程。

2.4.2 刀具与切削参数选用

经过分析模型，结合工艺安排，加工口罩熔接齿模时需选用直径10/6/1.5/1 mm 的端铣刀，直径3/4 mm 的圆角刀具，具体参数如表1所示［8]。

表1 刀具与切削参数表

2.4.3 刀具路径编制与仿真

刀具路径编制与仿真步骤为：导入齿模模型——分析模型质量——编程准备（刀具、坐标系）——粗加工程序——二次粗加工程序——清根加工程序——精加工程序——模拟仿真——后处理NC代码。

3 齿模工艺优化

生产流程为：车床粗车——四轴加工中心铣削粗加工——铣削精加工——热处理——喷砂——磨削加工——交货验收。针对此生产流程中存在的问题进行优化。

（1）采用三轴定轴加工进行粗加工，可缩短一半工时，大大提高加工效率。

（2）加工小于1 mm 的齿时，选用成形刀具，通过成形刀具进行加工刀模齿，可以让刀模齿有更大的受力点，有效地解决了在喷砂和磨削过程中打断、打蹦刀模齿等质量问题发生。

（3）热处理后产生变形的问题，经过实际生产验证得出：在车削加工时，预留单边0.3 mm 的余量来进行热处理后变形量可以控制在有效范围以内。

4 结束语

综上所述，针对齿模精度要求高、加工难度大、生产效率低等现状，通过分析齿模的编程及加工难点，发现企业使用的CAM软件不同、编程计算方式和效率、工艺方法等区别大。通过选用具有高效便捷编程策略功能的CAM软件，有效地提高技术人员对于需求各异的齿模的编程效率，缩短加工辅助周期；成形刀具使用后，有效地杜绝了齿模崩齿、断齿等质量问题；车削加工时，在齿模两端预留0.3 mm 余量，解决了热处理后变形的技术难点，满足图纸同轴度0.005 mm的技术要求。所以齿模优化加工工艺方法后，为企业降低了生产成本，提高了口罩机核心零部件等的生产效益。这种工艺方法的设计分析和优化改进，可进一步推广其编程加工技术应用，对同类产品的加工具有较高的生产指导意义。