基于Mastercam軟件的口罩機熔接齒模工藝分析及高效數控加工

林冰香

（龍巖技師學院，福建 龍巖 364000）

0 引言

在2020年初新冠疫情肆虐之際，口罩供應緊張，各廠商紛紛擴大產能以滿足市場需求，作為口罩機的關鍵部件熔接齒模在高負荷的工作下易產生磨損，需定期更換。熔接齒模形狀復雜，尺寸精度與形位精度要求高，對編程人員而言是一個不小的挑戰。

1 問題提出

某一校企合作企業接到了生產口罩機熔接齒模的定單圖樣，如圖1所示。

圖1 定單圖樣

企業立即研發生產，由于之前產品類型以三軸數控加工為主，對于這類輥子類型零件加工缺乏經驗，出現較多問題，具體有：1）小直徑刀具易發生斷刀情況，加工一個零件要更換3把刀，導致加工效率低下；2）程序抬刀、跳刀、空刀過多，做無用功，影響加工效率；3）整體加工時間過長，零件要連續加工近30 h才能完成；4）試切無紡布時，發生毛邊、局部未切斷等情況。

簽訂合同時客戶已預付全款，合同約定若未能在規定時間內交貨將支付數倍的違約金，這將嚴重影響企業聲譽。為此企業負責人心急如焚，尋求我院大師工作室技術支持。我工作室接手后組織人手針對上述問題展開研究，仔細觀察切削過程，多次試驗后找到問題癥結所在：1）主軸轉速偏低是造成斷刀的主要原因。現有四軸加工中心主軸最高轉速為8000 r/min，無法滿足小直徑刀具的線速度要求。采取了主軸更換為高速主軸，轉速可達13 000 r/min，并增加主軸油冷裝置等措施。2）增加一把R0.5小直徑刀具，利用加工中心自動換刀功能，分段執行加工程序，避免刀具磨損過快和產生崩刀。3）運用Mastercam軟件優化的加工程序[1]，解決了程序抬刀、跳刀、空刀過多等問題，選擇動態加工策略，加工效率提升40%，縮短了加工時間。4）無紡布產生毛邊、局部未切斷等問題是由于熱處理后刀口變形大，刀口與齒模的高低差不合理的原因造成的。解決的方法是刀口留有余量，熱處理后再精加工刀口，下機前打表檢測刀口與齒模的高低差，合格后方可拆下零件。

經采取上述措施后，企業順利生產出熔接齒模零件，按期交貨，為企業贏得聲譽及可觀的經濟效益，擴大了工作室在社會上的知名度。

2 齒模生產工藝流程

熔接齒模的加工工序較多，具體流程如表1所示。

表1 工藝流程

基于篇幅所限，本文僅對工序4銑削加工環節展開論述。

3 零件加工準備

3.1 零件三維造型

運用Mastercam軟件通過選擇拉伸、旋轉、投影、掃略、布爾結合等命令生成圖3所示的三維實體圖，過程略。

圖3 三維實體圖

3.2 零件結構分析

熔接齒模是一個旋轉體類零件[2],圓周表面密集分布著各類結構特征, 有許多細小錐形齒和標記分布在旋轉面上。齒模上有500多個小錐形齒，各特征之間的間距小，形狀復雜，加工區域多，主要可分為滾花齒、刻字標記、鍵槽、齒型和刀鋒刃口等加工區域。加工時間長，工序環節多。

3.3 加工難點分析

1）圓跳動與同軸度的精度均為0.005 mm，曲面精度為0.01 mm，對設備的精度要求高；2）最小區域只能使用R0.5的球刀，剛性差，加工效率低下；3）零件材質較硬，刀具磨損快，加工成本較高；4）經熱處理后，齒模會產生變形，精度難以保證；5）結構特征復雜，每一個小齒模需要單獨拾取，編程繁瑣。

3.4 加工程序編制

3.4.1 加工工藝制定

合理規劃工藝路線及加工工步至關重要，經過綜合分析，熔接齒模的加工工藝制定如下：模型整體粗加工（?10立銑刀）→模型整體二次粗、精加工（?6立銑刀）→區域粗加工（?3R0.2圓鼻刀）→區域半精加工（?1.5R0.2圓鼻刀）→區域精加工（?1R0.5球刀）。

3.4.2 加工程序設計

將齒模圓柱表面上的結構特征沿X軸展開，運用動態銑削加工策略，生成刀具路徑。將Y軸運動軌跡替換成X軸與A軸的聯動[3]，熔接齒模的形狀復雜，運用替換軸功能編程可快速生成加工程序。二次開粗時可基于上一刀路或剩余毛坯計算，節省開粗時間。

分別拾取刀鋒刃口邊界線、齒模邊界線，刻字標記邊界線，添加必要的輔助線，運用纏繞功能將其展開，運用2D動態銑削功能生成圖4所示的加工軌跡，再修改參數，運用替換軸功能將其替換為Y軸，選擇順時針旋轉，替換旋轉直徑為79 mm。動態銑削主要參數設定如圖5所示。

圖4 加工軌跡

圖5 動態參數設定

3.4.3 刀具選用及切削用量的選擇

熔接齒模的輪廓復雜，加工區域多，細微輪廓數量多，間距小，精加工只能采用小直徑刀具清根，對刀具的性能要求高，為增加刀具剛度及耐磨性，粗加工采用圓鼻銑刀，清根采用錐度銑刀，以直徑1 mm的刀為例，如圖6所示。刀具的切削用量如表2所示。

圖6 刀具示意圖

表2 切削用量

4 零件銑削加工

4.1 加工前準備

熔接齒模的形位精度要求高，根據工藝安排，需采用一夾一頂的裝夾方式。工件裝夾前需找正回轉工作臺的回轉中心及校正尾座的直線度，尾座的中心頂尖應與回轉工作臺的中心線在同一高度，如圖7所示。

圖7 找正

4.2 確定加工坐標系

三軸數控銑床加工坐標系一般設定在工件上表面，熔接齒模屬于回轉體類零件，加工需采用一夾一頂的裝夾方式。為了編程及操作的方便，將坐標X、Y設定在工件最大輪廓的左端面上[4]，Z坐標設定在工件的回轉中心線上，如圖2所示。

圖2 車削輪廓圖

4.3 加工零件

將刀具對完刀長后依次放入刀庫，可避免手動換刀失誤，首件加工時需注意觀察切削過程，優化加工參數，為批量生產作準備。加工完成后打表檢測刀口的高度，檢測合格后方可拆下工件，如圖8所示。

圖8 檢測刀口高度

5 結語

本文對一體式KN95熔接齒模作了詳細的工藝分析，針對齒模精度要求高、加工難度大、生產效率低等現狀，運用Mastercam 軟件動態銑削加工策略、強大的替換軸功能，解決了其他軟件程序抬刀、跳刀、空刀過多導致加工效率低下的問題，生產效率提升40%以上，同時也降低了刀具損耗。結果表明，Mastercam軟件簡化了編程過程，提高了編程和加工的效率，并充分發揮了多軸數控后制處理的技術優勢，幫助加工企業充分利用現有CNC設備，快速適應市場變化，為其他類似復雜零件的編程處理提供了重要的參考。