1刀模工艺分析
1.1刀模结构特征
图1所示为N95口罩刀模结构，刃角为90°、高为2.25mm、宽为1.5mm的刃口设计在直径φ75mm的圆周上，呈左右对称包裹于轴上，包裹区域为切刀工作区域，用来切断已经压花成型5层布料，其展开图的形状就是整个口罩轮廓尺寸。刀模右边设计有键槽，用键连接传动齿轮，左右两端φ30mm处是安装滚动轴承，装配到压纹机构上[4]。
图1口罩刀模结构
1.2刀模加工难点
刀模材料为45#钢，需加工位置有：外圆面、键槽、方轴面、刀模刃口，整个刀模为机加工一体成形，加工难点如下。
（1）刀模刃口截面尺寸小，精度要求高，径向全跳动公差控制在0.02mm，以免太过锋利导致使用寿命短；宽度公差控制在0.1mm，以免刃口宽度过大导致切断效果不良、效率低，且对全曲面均匀度要求较高，同样需将公差控制在0.1mm。
（2）与滚动轴承配合要求转动灵活、平稳，φ30mm外圆面尺寸精度要求较高，同时还需保证两端同轴度，若同轴度偏差大，将导致工作不平稳，影响切断及使用寿命。
（3）刀模硬度要求在58~62HRC，经热处理后硬度高，只能小量切削，存在刀具磨损快、效率低等问题，影响生产效益。
2刀模加工工艺设计
多轴加工因具有加工效率高、加工周期短、加工表面质量好的优势在模具零件加工中得到广泛应用[5-7]，再结合刀模的结构特征和加工难点，确定如下加工方案。
（1）下料。棒料尺寸为φ85mm×230mm。
（2）数控车削加工。先加工两端中心孔，为后续工序磨削和铣削加工提供装夹及定位，接着车削刀模外形，单边留0.15mm外磨余量。
（3）数控铣削加工。精铣方轴面至要求尺寸。
（4）四轴铣削加工。一夹一顶粗铣刀模内外轮廓，二次粗加工刃口狭窄处，再半精铣、精铣刀模内外轮廓，留0.15mm的刃口部分精修余量。
（5）热处理。保证材料硬度达到58~62HRC。
（6）磨削加工。双顶尖精磨两轴承位置φ30mm尺寸及外形尺寸至图纸公差要求，保证同轴度公差及径向全跳动公差控制在0.02mm。
（7）四轴铣削加工。精修刀模刃口至截面尺寸，保证刃口尺寸均匀，宽度公差和全曲面均匀度公差控制在0.1mm。
3基于的刀模铣削策略设计
刀模加工时间长，环节多，硬度和精度要求都较高[7]，在旋转轴上选择合适的四轴铣削策略铣削符合要求的刃口部分，是解决刀模加工难点的关键。
3.1基于刀模三维建模
N95口罩刀模三维建模的难点仍然是刃口部分，特别是因其需包裹在φ75mm的轴上。
（1）识读图纸，在XOY平面内绘制封闭截面并用旋转的方法生成台阶轴。
（2）接着在YOZ平面绘制截面拉伸方轴面，在XOZ平面绘制截面拉伸键槽。
（3）根据技术要求，印花包裹于φ75mm的轴上，通过φ75mm的象限点创建平行XOY平面的基准面，在基准面上绘制刀模展开图，将绘制的图案拉伸成实体，接着对其倒角生成刃口。
（4）在基准面上通过φ75mm的象限点对称拉伸一个平面，平面的长度是pi*75/2。
（5）点选编辑→曲面→整体变形，选择按曲面方法生成，选择绘制的刃口实体面为要变形的几何体，选择拉伸平面为基本曲面，选择φ75mm的轴面为控制曲面并点选法向，变形方向垂直于控制对象，即将刃口部分包裹在φ75mm的轴上，如图2所示。
图2刃口部分整体变形
3.2选择工装夹具
为了减少装夹误差，尽可能在一次装夹中完成全部加工，考虑毛坯尺寸与两轴承位置的同轴度和φ75mm轴的全跳动公差，选用一夹一顶的常规装夹方法，如图3所示，打表找正毛坯。
图3刀模工装夹具
3.3加工内容分析
通过分析刀模各部分功能及加工要求可知，刀模分为刀模内轮廓、刀模外轮廓、刃口狭窄处、刃口轮廓、刃口倒角等区域进行加工，如图4所示。
图4刀模加工区域
3.4刀具选择分析
通过分析零件图纸，刀模加工区域多，刃口部分轮廓复杂，刃口狭窄处间距小，粗加工综合考虑高效原则和保证残余余量均匀，选择φ10mm的立铣刀，通过测量刀模三维模型，刃口狭窄处间距仅为2mm，根据刃口狭窄处的间距选择φ1mm的立铣刀进行二次粗加工；精加工考虑优质原则，刀模内、外轮廓根据最小曲率半径选择φ6mm的立铣刀，刃口轮廓选择φ1mm的立铣刀，刃口选择φ6mm的倒角刀。
3.5粗铣策略选择分析
杨伟民[3]研究表明，刀模粗加工采用层降加工，即每加工完一个切削深度，再继续下刀加工下一层深度。选择中mill_multi-axis的多轴粗加工策略，设置刀具和切削参数，点选刀模内轮廓指定驱动底面，深度模式选择从底面偏置，切削类型选择跟随部件，切削模式选择往复；接着设置几何体，点选刃口内轮廓线指定空间范围；随后设置螺旋进刀方式，生成刀轨。用同样的方法设置刀模外轮廓刀轨，只需更改刀模外轮廓指定驱动底面、刃口外轮廓线指定空间范围环即可，如图5所示。
图5刀模粗铣刀轨
由于所选刀具无法在刃口狭窄处进刀，残留余量较多，需要进行二次粗加工，用同样的方法选择多轴粗加工策略，创建如图6所示刃口狭窄处轮廓线指定空间范围环即可生成刀轨。半精铣策略与粗加工策略一致，只是底面余量设置不同，为精铣留均匀余量。
图6刀模二次粗加工刀轨
3.6精铣策略选择分析
（1）刀模内、外轮廓、刃口狭窄处精铣策略。精铣策略与粗铣、半精铣策略一致，只是切削刀具不同，对应的切削参数不同，底面余量为0，部件留0.15mm的刃口部分精修余量，切削步距更小，生成的刀轨更密，表面质量更高，如图7所示。
图7刀模内外轮廓及刃口狭窄处精铣刀轨
（2）刃口内、外轮廓精铣策略。选择中mill_multi-axis的外形轮廓铣策略，设置刀具和切削参数，点选刀模内轮廓指定底面，勾选自动壁，进刀矢量选择远离直线，编辑参数设置远离直线的指定矢量为Z轴负方向和指定点为左端φ30mm处端面圆心，设置多重深度，生成内轮廓精铣刀轨，用同样的方法生成外轮廓精铣刀轨，如图8所示。
图8刃口内外轮廓精铣刀轨
（3）刃口倒角精铣策略。选择中的mill_multi-axis的可变轮廓铣策略，设置刀具与切削参数，选择曲线/点驱动方法，设置点选刃口倒角边为驱动几何体，定义切削方向，设置切削步长，投影矢量选择刀轴，刀轴采用远离直线的方法设置，设置圆弧进刀和退刀，生成刀轨，如图9所示。
图9刃口倒角精铣刀轨
4刀模铣削策略的验证
选择VMC850L四轴数控加工中心试切验证铣削策略，得到的刀模试切件如图10所示。由此可知，基于软件的多轴粗加工策略，避免了低版本UG和同类型软件需要复杂的缠绕后处理，编程方法简单，刀轨简洁可行，无碰撞和过切现象，能满足零件各项技术要求，解决了刀模刃口难加工的问题。
图10刀模试切件
▍原文作者:张桂花谢正
