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hyperMILL：把“神棍”拉下神壇——整體式KN95熔接齒模的編程與優(yōu)化

2020-6-15 來(lái)源：-- 作者：-

摘要：熔接齒模是各類(lèi)全自動(dòng)和半自動(dòng)口罩機(jī)的核心零部件，一度被譽(yù)名為“神輥”。本文基于OPEN MIND公司hyperMILL軟件的加工功能，針對(duì)整體式KN95口罩熔接齒因結(jié)構(gòu)復(fù)雜而導(dǎo)致數(shù)控編程和加工難度大的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工編程及加工工藝優(yōu)化的過(guò)程。本文通過(guò)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(guò)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(guò)多導(dǎo)致加工效率低下的問(wèn)題提供了一些解決方法與實(shí)用技術(shù)。結(jié)果表明hyperMILL軟件可以簡(jiǎn)化編程的過(guò)程，提高編程和加工的效率，充分發(fā)揮多軸數(shù)控加工的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，幫助數(shù)控加工企業(yè)充分利用現(xiàn)有設(shè)備，快速應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化，并為其它同類(lèi)復(fù)雜零件的編程加工提供了重要依據(jù)。

口罩熔接齒模是各類(lèi)全自動(dòng)和半自動(dòng)口罩機(jī)的核心零部件。該模具的加工質(zhì)量對(duì)于口罩在加工成型的生產(chǎn)過(guò)程中有著非常大的影響，稍有偏差口罩便面臨著切不斷，邊緣有毛邊甚至出現(xiàn)刀口崩裂的狀況。該模具也因結(jié)構(gòu)特殊，加工精度要求高，數(shù)控編程復(fù)雜和加工難度大等特點(diǎn)一度也譽(yù)名為“神輥”。如何快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工編程和加工工藝優(yōu)化，提高加工精度及加工效率成為該產(chǎn)品加工的關(guān)鍵。

hyperMILL是德國(guó)OPEN MIND 公司的一款CAM軟件，其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(guò)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(guò)多導(dǎo)致加工效率低下的問(wèn)題提供了一些解決方法與實(shí)用技術(shù)。

整體式KN95熔接齒模模型

熔接齒模是打片機(jī)上最為主要部件之一，用于熔切無(wú)紡布。熔接齒模最為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(cè)送料齒保證無(wú)紡布的輸送。工作時(shí)熔接齒模呈軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)超聲波超聲振動(dòng)原理對(duì)多層無(wú)紡布進(jìn)行熱熔與切削。本文所研究的熔接齒模是整體式KN95口罩熔接齒模，如圖1所示。

圖1 整體式KN95熔接齒模及其主要結(jié)構(gòu)

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(zhǎng)285mm，最大外徑Φ79，切刀口角度為60°，壓花齒與送料齒數(shù)分別為380、120個(gè)，間距為1mm。

圖2 整體式KN95熔接齒模外形尺寸圖

整體式KN95口罩熔接齒模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，其數(shù)控編程和加工的難點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

（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0.1mm~0.3mm，并保證刃肩光順，因與壓花齒距離較近，只能選用小刀進(jìn)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，將直接對(duì)模具使用產(chǎn)生影響。

KN95熔接齒模數(shù)控編程

hyperMILL是集成化NC編程的CAD/CAM軟件［1］，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。與其它加工軟件相比編程效率高，自帶的加工仿真模塊可檢驗(yàn)程序的正確性。

2.1 刀具與加工參數(shù)選擇

選擇合適的刀具和刀具類(lèi)型不僅可以保證加工效率，而且能夠滿(mǎn)足零件的加工質(zhì)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(gè)方面的因素［2］。KN95熔接齒模加工刀具的選取可遵循以下原則：

（1）粗加工時(shí)，在條件允許的情況下應(yīng)選擇直徑較大的平底銑刀，以提升加工效率；

（2）熔接齒間間距較小，但加工深度較淺，應(yīng)選擇直徑較小的立銑刀或角度刀；

（3）切刀口是整個(gè)模型的關(guān)鍵點(diǎn)之一，且切刀口要求較高，可選擇較小的R角刀或者帶角度的成型銑刀。

根據(jù)整體式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(gè)加工工序。所選刀具的參數(shù)如表1所示。

表1 加工中選用刀具的參數(shù)

2.2整體式KN95熔接齒模加工工序及加工參數(shù)確定

根據(jù)所用毛坯的形狀以及整體式KN95熔接齒模的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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、切刀口精加工。各加工工序所用刀具以及加工參數(shù)如表2所示。

表2 各加工工序使用的刀具以及參數(shù)

2.3數(shù)控編程

2.3.1 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(xù)加工余量的均勻化。因此，要求粗加工具有較高的加工效率，在保證不發(fā)生干涉且盡可能多的前提下盡可能選擇直徑大的銑刀，以保證加工效率［1］。在hyperMILL軟件上建立圓柱驅(qū)動(dòng)面并法向與驅(qū)動(dòng)面進(jìn)行加工。最大橫向步距設(shè)置2mm，垂直步距0.4mm。底面與側(cè)面余量均為0.15mm。生成刀具路徑如圖3所示。

圖3 整體粗加工刀具路徑

2.3.2 清角與二次清角

整體式KN95熔接齒模輪廓島嶼眾多，較為復(fù)雜，粗加工后因刀具直徑原因無(wú)法保證側(cè)面余量均勻化，因此需清角。直接選用D2平底立銑刀進(jìn)行整體清角時(shí)效率低下，為此采用D4、D2平底立銑刀進(jìn)行清角與二次清角，保證零件側(cè)面余量均勻。最大橫向步距設(shè)置1.2mm，垂直步距0.08mm，底面與側(cè)面余量均為0.15mm。

在hyperMILL軟件中使用“五軸形狀偏置精加工”設(shè)置“清角模式”參考刀具為7.5、3.8，加工選項(xiàng)為“側(cè)壁”進(jìn)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 底面精加工

整體式KN95熔接齒模齒底面加工要求并不高，在整個(gè)模具的運(yùn)行中屬于避空面。但壓花、送料齒頂面要求較高，在使用過(guò)程中與無(wú)紡布存在直接接觸，其與切刀口頂面存在落差，一般控制與0.15mm~0.2mm之間，若落差不均勻，則直接影響這個(gè)模具的使用，為保證齒面與切刀口的落差，在該工序運(yùn)行前需再次驗(yàn)證模具在機(jī)床上是否位于同軸。為保證加工質(zhì)量，加工底面時(shí)對(duì)零件側(cè)面留有0.15余量，行距不宜過(guò)大，可選擇D4的銑刀進(jìn)行齒底、齒頂表面精加工。齒底、齒頂表面精加工刀具路徑如圖5所示

圖5齒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(huán)繞形纏繞于整體式KN95熔接齒模表面，起到壓印的作用，數(shù)量較多。送料齒在整體式KN95熔接齒模上可壓花齒平齊或稍高于壓花齒面，為更好的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(shù)量較多，對(duì)側(cè)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(jìn)行加工，該位置刀路拐角較多，采用刀具路徑倒圓角進(jìn)行光順過(guò)渡。最大橫向步距設(shè)置0.4mm，垂直步距0.05mm，底面與側(cè)面余量無(wú)。壓花、送料齒精加工刀具路徑如圖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(wú)紡布的功能，加工要求高，若無(wú)法保證切刀口寬度，在使用時(shí)易發(fā)生毛邊、局部未切斷等情況?？蛇x擇D1R0.2 R角刀采用hyperMILL軟件中“五軸形狀偏置精加工”進(jìn)行螺旋環(huán)繞式加工。因在熔接齒模的使用中對(duì)切刀口側(cè)壁表面質(zhì)量要求較高，因此軸向進(jìn)給設(shè)置為0.03，以保證表面粗糙度。切刀口加工路徑如圖7所示

圖7切刀口加工刀具路徑

2.3.6 加工仿真與后處理

利用hyperMILL的內(nèi)部機(jī)床或模擬功能進(jìn)行仿真模擬［3］，整個(gè)過(guò)程未發(fā)現(xiàn)干涉、漏切，仿真結(jié)果如圖8所示。使用加工中心的操作系統(tǒng)為牧野V33i立式四軸加工中心，刀具路徑經(jīng)過(guò)后處理器處理生成.nc格式的NC文件。

圖8 加工仿真效果

程序優(yōu)化

3.1 壓花齒程序優(yōu)化

壓花齒數(shù)量眾多，一般在400個(gè)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(yōu)化后利用hyperCAD-S軟件進(jìn)行軌跡輪廓線(xiàn)構(gòu)建，再采用“五軸輪廓加工”，以走輪廓線(xiàn)上的方式進(jìn)行程序編寫(xiě)，生成刀路軌跡有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）跳刀少，基本無(wú)空刀；

（2）刀具壽命長(zhǎng)；

（3）加工效率提升三倍以上。

壓花齒優(yōu)化前后刀具路徑如圖9所示。

圖9壓花齒優(yōu)化前后刀具路徑

3.2 送料齒程序優(yōu)化

送料齒一般呈環(huán)繞形均勻附著于熔接齒模表面，起到輸送布料的作用，其數(shù)量多、間距小，使用“五軸形狀偏置粗加工”加工效率低，且刀具壽命短。優(yōu)化后采用“五軸輪廓加工”編寫(xiě)一齒，使用轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行圓形陣列并連結(jié)工單。該加工方案刀路整潔清晰，最大程度的簡(jiǎn)化了刀具路徑。送料齒優(yōu)化前后刀具路徑如圖10所示。

圖10送料齒優(yōu)化前后刀具路徑

3.3 切刀口程序優(yōu)化

在加工切刀口時(shí)，一般使用“五軸形狀偏置精加工”呈環(huán)繞形加工， R角刀分層切削效率低下，且表面效果不佳。優(yōu)化后采用“五軸輪廓加工”使用成型刀分層加工，大大的提升了加工效率與表面質(zhì)量。切刀口優(yōu)化前后刀具路徑如圖11所示。

圖11切刀口優(yōu)化前后刀具路徑

結(jié)論

整體式KN95熔接齒模對(duì)制造要求的水平較高，且加工時(shí)間加長(zhǎng)，制造質(zhì)量對(duì)熔接齒模的性能、使用壽命及應(yīng)用效果有著重要的影響，因此要制造出一款優(yōu)異的產(chǎn)品，不僅要有良好的制造方法，還要有良好的工藝作保證。

參考文獻(xiàn)(References):

[1] 合肥工業(yè)大學(xué) 張文祥、韓江．基于hyperMILL的整體葉輪五軸數(shù)控加工[J]．制造技術(shù)與機(jī)床，2012(6)：125—128

[2] 山東大學(xué) 李曉君、劉戰(zhàn)強(qiáng)、沈琦、王兵．基于加工特征的整體葉盤(pán)數(shù)控編程與加工參數(shù)優(yōu)化．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2019（3）：153－156．

[3] 山東大學(xué) 趙文明，莊鵬，鞠崗崗等．基于hyperMILL 的半開(kāi)式整體葉輪五軸數(shù)控編程與加工技術(shù)［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2017( 1) : 70－73．

[4] 上海建橋?qū)W院張?jiān)屏幔?基于hyperMILL 葉輪模具母輪加工方法的研究［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013( 5) : 34－35．

[5] 李亞寧．將hyperMILL用于人工關(guān)節(jié)的加工CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2009年（9）：32-33

（來(lái)源：杭州蕭山技師學(xué)院；作者：沈梁、崔凱冬、尹耀、張慶明）

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