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(lái)，我國(guó)的制造業(yè)得到快速發(fā)展，以數(shù)控加工為代表的先進(jìn)制造業(yè)取得了卓越的成績(jī)，隨著制造業(yè)企業(yè)的發(fā)展，普通數(shù)控機(jī)床已經(jīng)被高端多軸加工數(shù)控機(jī)床所代替，基于多軸加工技術(shù)的高端零部件制造在我國(guó)的汽車制造業(yè)、模具加工與制造業(yè)、航天航空、大型艦船等領(lǐng)域得到十分廣泛的應(yīng)用。比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪整體加工、汽車工業(yè)中發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪等。從2020 年開始，隨著疫情的全球性爆發(fā)，口罩刀模與齒模的加工供不應(yīng)求，應(yīng)用多軸加工機(jī)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(duì)多軸加工技術(shù)的提升非常有意義。

一、口罩齒模數(shù)控加工工藝分析

KN95 口罩機(jī)熔接齒是一種典型的軸類棍子模具，棍子上加工內(nèi)容多，形狀復(fù)雜，難加工區(qū)域多而且區(qū)域位置尺寸小。整體加工難度比較大。零件在加工前使用數(shù)控車床車削到精毛坯。毛坯軸兩端打中心孔，用來(lái)在安裝四軸時(shí)候，方便頂尖頂緊。由于棍子比較長(zhǎng)，切削時(shí)候承受力量大，因此必須采用頂尖頂緊。如圖1 所示。整個(gè)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(duì)KN95 文字、滾齒部分，滾刀部分分別進(jìn)行區(qū)域粗加工、精加工。最后達(dá)到加工精度要求。

圖1 棍子裝夾示意圖

二、加工設(shè)備

基于口罩齒模棍子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，必須保證一次裝夾，完成多個(gè)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(chǔ)上增加旋轉(zhuǎn)軸A 軸的一種加工中心，其中A 軸繞X 軸旋轉(zhuǎn)，示意如如圖3 所示。四軸加工常用于加工具有復(fù)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(zhuǎn)示意

三、加工刀具特點(diǎn)

該零模具的加工屬于多軸加工，在數(shù)控加工中，數(shù)控刀具對(duì)加工的效率、指令起著重要的作用。基于該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝性，設(shè)計(jì)了該零件的加工刀具表，主要采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工，硬質(zhì)合金刀具具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)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(shí)仍有很高的硬度。因此在高速加工中有很好的應(yīng)用。在粗加工中，選用直徑10MM 的山高硬質(zhì)合金4 刃刀具，這樣的刀具在棍子跟隨聯(lián)動(dòng)的過(guò)程中，能起到很好的清根效果。主軸轉(zhuǎn)速能達(dá)到10000r/min，進(jìn)給能夠在2000mm/min。

本模具棍子還有另外一個(gè)特點(diǎn)，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(shì)必會(huì)帶來(lái)加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這樣就容易造成斷刀現(xiàn)象，解決這個(gè)問(wèn)題主要是采用以下兩個(gè)方法：

1.盡可能提高吃到深度，減少加工時(shí)間。

2.盡可能選用進(jìn)口材料的硬質(zhì)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(shí)際加工過(guò)程中，這兩個(gè)方面優(yōu)化后，對(duì)刀具壽命和加工效率都有很大提升。

四、編程關(guān)鍵問(wèn)題解決

在這個(gè)零件的中，一體滾軸設(shè)計(jì)方式是現(xiàn)在口罩模具設(shè)計(jì)的主要方向，是目前的最新款口罩機(jī)應(yīng)用模具。但是由于齒和刀口之間空間狹窄，齒數(shù)多，導(dǎo)致編程繁瑣，耗時(shí)長(zhǎng)。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(diǎn)?；赨G 軟件的解決方案，其基本實(shí)思想采用二維平面編程，然后通過(guò)軟件的纏繞功能指令，把平面的加工轉(zhuǎn)化到棍子的曲面上來(lái)。其機(jī)床設(shè)置采用四軸加工方法，通過(guò)實(shí)現(xiàn)機(jī)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(qū)動(dòng)方法采用曲線/點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)方法，對(duì)曲線的選擇就是我們?cè)谄矫嫔铣沙傻牡毒呗窂剿D(zhuǎn)成的曲線。這樣就能在棍子面上產(chǎn)生比較理想的刀具路徑。使用該編程思想，其關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)以下幾個(gè)方面：

1.投影矢量。

投影矢量是多軸加工的一個(gè)重要概念，由驅(qū)動(dòng)面或者驅(qū)動(dòng)邊界生成的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，把面、線或者點(diǎn)投射到部件曲面上，原理和人站在太陽(yáng)下面，投影矢量允許定義驅(qū)動(dòng)點(diǎn)投影到部件表面的方式，和刀具接觸的部件表面?zhèn)取Ｋx的是驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的范圍。

2.驅(qū)動(dòng)方法。

驅(qū)動(dòng)是產(chǎn)生加工刀具路徑，生成路徑計(jì)算的重要要素?！翱勺冚喞姟钡牡盾壭枰却_定驅(qū)動(dòng)幾何要素，從而確定刀具和零件幾何的“接觸點(diǎn)”，然后形成刀軌。在UG 軟件中針對(duì)“可變輪廓銑”加工方案提供了多種的驅(qū)動(dòng)方法，主要曲線與點(diǎn)、邊界、曲面、流線、刀軌、徑向切削、外形輪廓銑、用戶定義等多個(gè)策略。在該案例中，我們選擇曲線的驅(qū)動(dòng)方法，用平面的刀具路徑產(chǎn)生的曲線作為驅(qū)動(dòng)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(shù)控加工的一個(gè)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(guò)程中，刀具始終在棍子軸的接觸法向量，實(shí)現(xiàn)刀具軸矢量在空間按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行變化，進(jìn)而保證機(jī)床的A 軸擺動(dòng)迎合切削而獲得高的切削效率和表面質(zhì)量，避免加工過(guò)程中存在的刀具干涉問(wèn)題。因此選定矢量方向?yàn)榇怪庇诓考?/p>

4.刀路工藝處理。

針對(duì)該模具加工，設(shè)計(jì)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(guò)中，這么小的刀具能滿足切削的實(shí)際和切削效果，需要對(duì)齒的部分進(jìn)行預(yù)處理，采用的方法是分區(qū)域包圍處理，對(duì)包圍區(qū)域之外進(jìn)行粗精加工，然后剩余的包圍單獨(dú)進(jìn)行刀路處理，具體設(shè)計(jì)如圖6 所示。在進(jìn)行邊緣齒加工時(shí)候，同樣存在這樣問(wèn)題，齒更密更多。采用面直接驅(qū)動(dòng)的方式，生成的刀路徑不具備加工特征，主要在于計(jì)算機(jī)不能細(xì)化優(yōu)化小位置的走刀方向和走刀樣式，為了解決這個(gè)問(wèn)題。利用UG 的曲線功能指令，在齒中間，靠曲線功能，設(shè)計(jì)出刀具的具體路徑，用直線端收尾連接起來(lái)，形成一個(gè)完整的路徑，具體如圖4 所示，然后利用該路徑做為驅(qū)動(dòng)要素，生成小刀的刀具路徑。最后把所成才的平面路徑轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)樣式

圖5 平面刀具路徑

圖6 分區(qū)包圍處理

圖7 平面路徑纏繞效果

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)口罩模具，采用了本文所設(shè)計(jì)的編程思路進(jìn)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(dá)到了需求企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)也解決了在機(jī)床實(shí)際加工過(guò)程中，由于刀具過(guò)小，而造成的刀具損壞的問(wèn)題。使用該方法編程可以縮減程序編制與調(diào)試的時(shí)間，降低企業(yè)加工生產(chǎn)成本，節(jié)省加工機(jī)床和刀具等的消耗，對(duì)多軸加工制造有很好的借鑒意義。