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前言N95口罩是后“病毒”时代防疫的必备用品，它是通过口罩机将多层无纺布进行热压、折叠成型、超声波焊接、废料切除、耳带鼻梁条焊接等工序制造而成的。
其中齿模是口罩机的关键零件，主要功能是熔接和印花，将连续不间断运行的多层无纺布复合利用超声波配合滚焊。
并压出口罩表面纹路，且压接线压而不穿，使四层布密实在一起，并留有薄薄的半透明熔喷布，以保证过滤性和密封性。
为保证N95口罩更强的病毒过滤效果和密封性，口罩机对齿模的制造技术要求极高，滚齿与标志的圆跳动公差控制在0.005mm，全曲面跳动公差控制在0.01mm。
这无疑对齿模的制造工艺提出了更高的要求，同时这也是造成齿模质量不统一、寿命短，制约口罩机生产效率的主要困扰。
运用对N95口罩齿模进行三维造型，分析齿模的结构特征和加工难点，选用合适的铣削策略，确定优质高效的工艺方案和生成加工程序，并在四轴数控加工中心加工验证。
在解决齿模加工难点问题之前，先了解清楚N95口罩齿模结构，即吃透问题。
齿模工艺分析图1所示为N95口罩齿模结构，在直径φ75.5mm
图1所示为N95口罩齿模结构，在直径φ75.5mm的旋转体上的两端对称分布有82个长为2mm，宽为1mm，高为1mm的滚齿。
中间包裹有宽为6mm，高为1mm的切割辊轮廓，切割辊轮廓上阵列了118个长宽高均为1mm的滚齿，呈左右对称。
为保证口罩不易变形，增加美感，中间还对称分布有2个长为47mm，宽为2mm，2个长为45mm，宽为2mm的表面加强筋，每个加强筋上均均匀分布有8个直径为1mm，高为1mm的滚齿。
而带图标和数字1921-2021的标志分布在长57mm、宽为36mm、高为1mm的特征上。
旋转体上的滚齿和标志用来压花成型5层布料，其展开图的形状控制整个口罩表面纹路。齿模左边设计有键槽，用键连接传动齿轮，左右两端φ30mm处作用是安装滚动轴承，装配到压纹机构上。
齿模材料为45#，加工位置有：外圆面、键槽、滚齿、切割棍、表面加强筋、标志，整个齿模为机加工一体成形，加工难点如下。
齿模结构特征复杂，特征与旋转面不垂直，加工区域多而密，滚齿就有470个，编程繁琐，且各滚齿之间间距小，最窄处仅为2.1099mm，限制了刀具的直径和切削量，加工时间长，工序环节多。
滚齿截面尺寸小，精度要求高，尺寸公差控制在0.1mm，径向圆跳动公差控制在0.005mm，全曲面跳动公差控制在0.01mm，确保5层布料压而不穿以保证过滤性和密封性。
齿模模具
齿模硬度要求在58~62HRC，经热处理后硬度高，只能小切削量和小刀具，存在刀具磨损快、效率低等因素，影响生产效益。
与滚动轴承配合不仅要求转动灵活、平稳，φ30mm外圆面尺寸要求较高，同时还得保证两端同轴度，若同轴度过大，将导致工作不平稳，影响切断及使用寿命。
齿模加工工艺设计分析齿模的结构特征和加工难点，再结合多轴加工技术因加工效率高、加工周期短，加工表面质量好的优势，大量应用在包裹于旋转体上的特征加工，确定加工方案。
下料，φ85mm×210mm。
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，接着车削齿模外形，单边留0.1mm外磨余量。
磨削加工，双顶尖磨削齿模外形保证各直径同轴度，精磨外形φ79.5mm尺寸至图纸公差范围，保证圆跳动公差控制在0.005mm公差及全曲面跳动公差控制在0.01mm内。
四轴铣削加工，一夹一顶粗铣齿模轮廓，二次粗加工滚齿、标志、两端滚齿与切割辊狭窄处，再半精铣、精铣齿模轮廓、滚齿、标志，留0.1mm的滚齿精修余量。
热处理，保证材料硬度达到58~62HRC。
磨削加工，双顶尖精磨两轴承位置φ30mm至尺寸，与轴承相配合用。
四轴铣削加工，精修滚齿至截面尺寸，保证刃口尺寸均匀，控制公差在0.1mm内。
基于的齿模铣削策略设计齿模加工区域多而密，小刀具小切削量，加工时间长，环节多，硬度和精度要求都较高，在旋转轴上选择合适的四轴铣削策略铣削符合要求的滚齿部分，是破解齿模加工难点的关键。
N95口罩齿模三维建模的难点仍然是切割辊、表面加强筋、滚齿、标志部分，特别是包裹到φ75.5mm的轴上。
口罩机滚花轴建模
识读图纸，在XY平面内绘制封闭截面用旋转的方法生成台阶轴。
接着YZ平面绘制截面拉伸方轴面，在XZ平面绘制截面拉伸键槽。
根据技术要求，印花包裹于φ75.5mm的轴上，通过φ75.5mm的象限点创建平行XY平面的基准面，在基准面上绘制齿模展开图的图案，将绘制的图案拉伸成实体。
其中切割辊上的滚齿采用沿的方式阵列，点选切割辊轮廓定义阵列路径，设置数量和步距即可完成滚齿的创建。
在基准面上通过φ75.5mm的象限点对称拉伸一个平面，平面的长度是pi*75.5/2。
点选编辑→曲面→整体变形，选择按曲面方法生成，选择绘制的实体面为要变形的几何体，选择拉伸平面为基本曲面。
选择φ75.5mm的轴面为控制曲面并点选法向，确保标志部分图案为反，变形方向选择垂直于控制对象，即将切割辊、表面加强筋、滚齿和标志部分包裹到φ75.5mm的轴上，如图2所示。
图2齿模的切割辊、表面加强筋、滚齿和标志部分整体变形
通过分析齿模各部分功能及加工要求可知，齿模分为齿模轮廓、切割辊轮廓、切割辊狭窄处、切割辊轮廓与右端滚齿狭窄处、切割辊上滚齿、表面加强筋轮廓、表面加强筋上滚齿、标志、两端滚齿进行加工，如图3所示。
图3齿模加工区域
为了减少装夹误差，尽可能在一次装夹中加工到位，考虑到毛坯尺寸和两轴承位置的同轴度和φ79.5mm轴的圆跳动和全曲面公差，选用一夹一顶的常规装夹方法，如图4所示。
工件装夹前需找正回转工作台的回转中心及校正尾座的直线度，使尾座的中心顶尖与回转工作台的中心线在同一高度，再打表找正毛坯。
图4齿模工装夹具
通过分析零件图纸，齿模加工区域多，滚齿多而密，且滚齿之间间距小，粗加工综合考虑高效原则和残余余量的均匀，选择d6的立铣刀。
通过测量齿模三维模型，切割辊轮廓与右端滚齿狭窄处间距为3.3mm，选择d2立铣刀对切割辊狭窄处及切割辊轮廓与右端滚齿狭窄处，进行二次粗加工，再通过测量滚齿之间的间距最窄处为2.1099mm，选择d1的立铣刀对滚齿进行二次粗加工。
图5齿模粗铣刀轨
精加工考虑优质原则，齿模轮廓根据最小曲率半径选择d4的立铣刀，切割辊轮廓根据与右端滚齿狭窄处间距选择d2的立铣刀，切割辊上和两端滚齿选择d1的立铣刀，表面加强筋上滚齿和标志选择d1的立铣刀。
齿模轮廓粗铣策略。齿模粗加工常采用层降加工，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，点选齿模轮廓（即φ75.5mm的外圆面）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，生成刀轨，如图5所示。
由于所选刀具无法在切割辊狭窄处、切割辊轮廓与右端滚齿狭窄处进刀，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，更改刀具，创建和点选如图6所示封闭轮廓线指定空间范围环即可生成刀轨。
图6切割辊狭窄处、切割辊轮廓与右端滚齿狭窄处粗铣刀轨
切割辊上、表面加强筋上滚齿和标志粗铣策略。由于d2的立铣刀也没法在滚齿之间进刀，需要用d1的立铣刀进行二次开粗，用同样的方法选择多轴粗加工策略。
点选切割辊上表面指定驱动表面，点选切割辊轮廓指定空间范围环，即可生成切割辊上滚齿粗铣刀轨，同理生成表面加强筋上滚齿及标志的粗铣刀轨，如图7所示。
图7切割辊上、表面加强筋上滚齿和标志粗铣刀轨
两端滚齿粗铣策略。选用mill_multi-axis的外形轮廓铣策略，点选滚齿底面为指定底面，勾选自动璧，设置多重深度，生成刀轨。
再点选刀轨进行变换，选择绕直线旋转，定义过滚齿圆心的Y轴为参考直线，设置旋转角度360°/82，复制82个，即生成一段滚齿的刀轨。
接着点选复制后的刀轨进行平移变换，输入两端滚齿的间距即可生成另一端滚齿刀轨，如图8所示。
图8两端滚齿粗铣刀轨
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。齿模轮廓精铣策略。
精铣策略与粗铣、半精铣策略一致，只是切削刀具不同，切削参数不同，底面余量为0，部件余量留0.1mm的切割辊轮廓精修余量，切削步距更小，生成的刀轨更密，表面质量更高，如图9所示。
图9齿模轮廓精铣刀轨
切割辊轮廓精铣策略。选择中mill_multi-axis的外形轮廓铣策略，设置刀具和切削参数，点选齿模轮廓指定底面，勾选自动璧，设置多重深度，生成精铣刀轨，用同样的方法生成切割辊狭窄处精铣刀轨，如图10所示。
图10切割辊轮廓精铣刀轨
切割辊上、表面加强筋上滚齿和标志、两端滚齿精铣策略。精铣策略与该区域的粗铣、半精铣策略一致，只是切削参数不同，底面余量为0，部件余量为0，如图11所示。
齿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，得到的齿模试切件如图12所示。
由此可知，基于软件强大的多轴粗加工策略，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，解决了齿模滚齿难加工的问题。
图12齿模试切件
作者观点分析了N95口罩齿模的结构特征和加工难点，各部分功能及加工要求，选用四轴铣削加工方案。
运用软件分区域选择铣削策略，齿模轮廓、切割辊上滚齿、表面加强筋上滚齿、标志选用多轴粗加工策略，切割辊轮廓与两端滚齿选用外形轮廓铣策略。
N95全自动口罩机
生成的刀轨简洁，编程方法简单，破解了齿模的加工难点，降低了齿模的编程难度，缩短了加工辅助周期，提高了生产效率，对同类产品的加工具有指导意义。
