基于UG 的口罩齒模多軸編程加工策略研究

◎吳偉濤

自2010 年以來，我國的制造業得到快速發展，以數控加工為代表的先進制造業取得了卓越的成績，隨著制造業企業的發展，普通數控機床已經被高端多軸加工數控機床所代替，基于多軸加工技術的高端零部件制造在我國的汽車制造業、模具加工與制造業、航天航空、大型艦船等領域得到十分廣泛的應用。比如航空發動機葉輪整體加工、汽車工業中發動機中的渦輪等。從2020 年開始，隨著疫情的全球性爆發，口罩刀模與齒模的加工供不應求，應用多軸加工機床加工口罩模具的制造工藝，是多軸加工的典型代表，研究基于口罩模具的多軸加工，對多軸加工技術的提升非常有意義。

一、口罩齒模數控加工工藝分析

KN95 口罩機熔接齒是一種典型的軸類棍子模具，棍子上加工內容多，形狀復雜，難加工區域多而且區域位置尺寸小。整體加工難度比較大。零件在加工前使用數控車床車削到精毛坯。毛坯軸兩端打中心孔，用來在安裝四軸時候，方便頂尖頂緊。由于棍子比較長，切削時候承受力量大，因此必須采用頂尖頂緊。如圖1 所示。整個棍子加工采用粗加工去除齒模的多余余量、精加工去除齒模上多余材料的底面。對KN95 文字、滾齒部分，滾刀部分分別進行區域粗加工、精加工。最后達到加工精度要求。

圖1 棍子裝夾示意圖

二、加工設備

基于口罩齒模棍子的結構特點，必須保證一次裝夾，完成多個工序的加工，因此選擇使用四軸加工中心，如圖2 所示。四軸加工指的是在三軸（X、Y、Z）加工的基礎上增加旋轉軸A 軸的一種加工中心，其中A 軸繞X 軸旋轉，示意如如圖3 所示。四軸加工常用于加工具有復雜纏繞面或者分角度面的軸類零件的加工。

圖2 四軸加工中心

圖3 A 軸旋轉示意

三、加工刀具特點

該零模具的加工屬于多軸加工，在數控加工中，數控刀具對加工的效率、指令起著重要的作用。基于該產品的結構特點和工藝性，設計了該零件的加工刀具表，主要采用硬質合金刀具進行加工，硬質合金刀具具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優良性能，特別是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的溫度下也基本保持不變，在1000℃時仍有很高的硬度。因此在高速加工中有很好的應用。在粗加工中，選用直徑10MM 的山高硬質合金4 刃刀具，這樣的刀具在棍子跟隨聯動的過程中，能起到很好的清根效果。主軸轉速能達到10000r/min，進給能夠在2000mm/min。

本模具棍子還有另外一個特點，就是齒與齒之間的間隙很小，最大只能使用0.8mm 的刀具，這給精加工帶了很大的難度。刀具直徑小，能夠承受的切削力非常有限，因此吃到深度不能太深，切削量小勢必會帶來加工時間過長，這樣就容易造成斷刀現象，解決這個問題主要是采用以下兩個方法：

1.盡可能提高吃到深度，減少加工時間。

2.盡可能選用進口材料的硬質合金刀具，刀具材料和制造方式很大程度上影響刀具的壽命。

在實際加工過程中，這兩個方面優化后，對刀具壽命和加工效率都有很大提升。

四、編程關鍵問題解決

在這個零件的中，一體滾軸設計方式是現在口罩模具設計的主要方向，是目前的最新款口罩機應用模具。但是由于齒和刀口之間空間狹窄，齒數多，導致編程繁瑣，耗時長。如何快速地編程，如何提高工程師的工作效率，是本文研究的重點。基于UG 軟件的解決方案，其基本實思想采用二維平面編程，然后通過軟件的纏繞功能指令，把平面的加工轉化到棍子的曲面上來。其機床設置采用四軸加工方法，通過實現機床模擬和后處理，生成加工程序。核心思想是采用UGCAM 模塊里面的mill multi-axis（多軸銑），驅動方法采用曲線/點的驅動方法，對曲線的選擇就是我們在平面上成成的刀具路徑所轉成的曲線。這樣就能在棍子面上產生比較理想的刀具路徑。使用該編程思想，其關鍵技術點以下幾個方面：

1.投影矢量。

投影矢量是多軸加工的一個重要概念，由驅動面或者驅動邊界生成的驅動點，把面、線或者點投射到部件曲面上，原理和人站在太陽下面，投影矢量允許定義驅動點投影到部件表面的方式，和刀具接觸的部件表面側。它定義的是驅動點的范圍。

2.驅動方法。

驅動是產生加工刀具路徑，生成路徑計算的重要要素。“可變輪廓銑”的刀軌需要先確定驅動幾何要素，從而確定刀具和零件幾何的“接觸點”，然后形成刀軌。在UG 軟件中針對“可變輪廓銑”加工方案提供了多種的驅動方法，主要曲線與點、邊界、曲面、流線、刀軌、徑向切削、外形輪廓銑、用戶定義等多個策略。在該案例中，我們選擇曲線的驅動方法，用平面的刀具路徑產生的曲線作為驅動要素，在加工零件上形成所需要的多軸加工軌跡。

3.刀軸矢量。

刀軸矢量數控加工的一個重要概念，在三軸加工中，刀具軸往往采用固定軸，一般把Z 軸作為刀具矢量軸，但是在該加工案例中，由于要保證纏繞的刀具路徑能夠在切削過程中，刀具始終在棍子軸的接觸法向量，實現刀具軸矢量在空間按照預定規律進行變化，進而保證機床的A 軸擺動迎合切削而獲得高的切削效率和表面質量，避免加工過程中存在的刀具干涉問題。因此選定矢量方向為垂直于部件。

4.刀路工藝處理。

針對該模具加工，設計一平面零件，零件是棍子的展開截面，如圖5 所示，口罩的齒模形狀線素比較多，而且有很多的小齒存在，其之間的間距很小，在1mm 左右，為了保證加工過中，這么小的刀具能滿足切削的實際和切削效果，需要對齒的部分進行預處理，采用的方法是分區域包圍處理，對包圍區域之外進行粗精加工，然后剩余的包圍單獨進行刀路處理，具體設計如圖6 所示。在進行邊緣齒加工時候，同樣存在這樣問題，齒更密更多。采用面直接驅動的方式，生成的刀路徑不具備加工特征，主要在于計算機不能細化優化小位置的走刀方向和走刀樣式，為了解決這個問題。利用UG 的曲線功能指令，在齒中間，靠曲線功能，設計出刀具的具體路徑，用直線端收尾連接起來，形成一個完整的路徑，具體如圖4 所示，然后利用該路徑做為驅動要素，生成小刀的刀具路徑。最后把所成才的平面路徑轉投纏繞到棍子面上，形成四軸加工路徑，效果如圖7。

圖4 曲線驅動樣式

圖5 平面刀具路徑

圖6 分區包圍處理

圖7 平面路徑纏繞效果

五、結語

綜上所述，針對口罩模具，采用了本文所設計的編程思路進行零件的全部編程與加工，獲得了很好的刀路效果，加工效率和表面指令都達到了需求企業的標準。同時也解決了在機床實際加工過程中，由于刀具過小，而造成的刀具損壞的問題。使用該方法編程可以縮減程序編制與調試的時間，降低企業加工生產成本，節省加工機床和刀具等的消耗，對多軸加工制造有很好的借鑒意義。