CNC雕刻系統(tǒng)的組成

1、 精雕機的表殼手板加工 一、前言 手板是在沒有開模具的前提下，根據(jù)產(chǎn)品外觀圖樣或結(jié)構(gòu)圖樣先做出的一個或幾個、 用來檢查外觀或結(jié)構(gòu)合理性的功能樣板。隨著社會競爭的日益激烈，手板的制作在產(chǎn)品開 發(fā)過 程中的地位越來越重要。 早期的手板因為受到各種條件的限制，大部分工作都是用手工完成的，使得做出的手 板工期長且很難達(dá) 到外觀和結(jié)構(gòu)圖樣的尺寸要求。隨著數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，快速成型C NC手板制作成為可能。而且近幾年CNC雕刻機在國內(nèi)開始得到應(yīng)用，它的產(chǎn)品和市場發(fā) 展很快，尤其是近兩三年，CNC雕刻機不僅在傳統(tǒng)的雕刻應(yīng)用領(lǐng)域 廣告標(biāo)識制作業(yè) 占據(jù)了舉足 輕重的地位，同時也以精細(xì)和快速的優(yōu)勢，越來越深入了

2、諸多工業(yè)領(lǐng)域。特別 在CNC雕刻機具有突出優(yōu)勢的小模具、小產(chǎn)品的加工上，已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。為此， 作者利用精雕機對一個表殼進(jìn)行手板加工，其俯視圖和三維實體圖如圖1、圖2所示。 ffl 1表殼懾現(xiàn)圖 S2社殼三樂實體謝 木8規(guī)則曲面 二、精雕CNC雕刻系統(tǒng)的組成 計算機數(shù)控雕刻技術(shù)（簡稱CNC雕刻技術(shù)）是傳統(tǒng)雕刻技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn) 物，它秉承了傳統(tǒng)雕刻精細(xì)輕巧、靈活自如的操作特點，同時利用了傳統(tǒng)數(shù)控加工中的自 動化技術(shù)。CNC雕刻機是集計算機輔助設(shè)計技術(shù) （CAD技術(shù)）、計算機輔助制造技術(shù)（CAM 技術(shù)）、數(shù)控技術(shù)（NC技術(shù)）和精密制造技術(shù)于一體的先進(jìn)數(shù)控加工設(shè)備。與傳統(tǒng)的數(shù)控加工

3、相比，CNC雕刻具有如下特點： C N C雕刻的加工對象具有尺寸小、形態(tài)復(fù)雜以及成品要求精細(xì)等特點； CNC雕刻的工藝特點是使用小刀具進(jìn)行加工； CNC雕刻產(chǎn)品的尺寸精度高，產(chǎn)品一致性好。 CNC雕刻采用的是一種高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給和快走刀的高速銃削加工方式。 本文所涉及的精雕 CNC雕刻系統(tǒng)，是一套以精雕CNC雕刻機和JDPaint軟件為核心的 專業(yè)雕刻系統(tǒng)。 精雕CNC雕刻機與數(shù)控銃床、加工中心工作原理是相同的，都是CNC由計算機數(shù)字 程序控制機床各個部件運行。從表面上看，三者之間的差別、機床配置方面的不同之處是： 加工中心有刀庫，一個工件裝卡好后，多把刀具一次性加工完成；精雕CNC雕刻機和數(shù)控

4、銃 床沒有刀庫，每把刀具加工完成后，都必須手動換刀再繼續(xù)加工。機床控制系統(tǒng)的差異： 它們的控 制系統(tǒng)的功能相似，但是因為由不同的廠家開發(fā)，控制系統(tǒng)的操作方法和具體 的功能會有一定的差異。這些差異對機床的性能差別不會起到?jīng)Q定性作用。 決定機床性能差異的關(guān)鍵要從具體的細(xì)節(jié)方面來看，數(shù)控銃床和加工中心主軸都比較 大，但轉(zhuǎn)速比較低，一般機床最高轉(zhuǎn)速最高為6000rpm，少數(shù)高速機的轉(zhuǎn)速能到lOOOOrp m以上。但功率比較大，主軸輸出扭矩比較大，適合直徑比較大的刀具。精雕CNC雕刻 機主軸轉(zhuǎn)速按不同大 小主軸來分，主軸外徑為 48、功率180w的轉(zhuǎn)速范圍為1000040000r pm，主軸外徑為 62

5、、功率370w的轉(zhuǎn)速范圍為1000024000rpm，主軸外徑為 80、功率12 00w的轉(zhuǎn)速范圍為600020000rpm，主軸外徑為100、功率3000w的轉(zhuǎn)速范圍為 30001600 0rpm，主軸外徑為120、功率4000w的轉(zhuǎn)速范圍為 210015000rpm。轉(zhuǎn)速比較高，主軸輸 出扭矩相對比較小，適合底直徑為100.05mm刀具加工。因主軸轉(zhuǎn)速高、刀具小，所以加 工的工件比較細(xì)致，表面光潔度高。另外，數(shù)控銃床、加工中心床體比較大，運動部件也 相應(yīng)比較大，重量比較重，運動起來后加速比較慢，對加工大工件來說比較合適。精雕CN C雕刻機床體相對較小，運動部件小、質(zhì)量輕，便于快速轉(zhuǎn)向、掉頭

6、，加工小工件時平均 加工速度會比較高。 因此，精雕CNC雕刻機適合使用中小刀具，加工中小型工件，細(xì)節(jié)部位加工精細(xì)，表 面光潔度高 澈控銃床、加工中心適合使用比較大的刀具，加工大型一點的工件，由于其主 軸轉(zhuǎn)速低，使用刀具大，加工表面光潔度相對雕刻機要低，而且細(xì)小部位加工不到位。 而這些加工不到位和光潔度比較差的情況，還可以由雕刻機來幫助完成，減少后期的處理 量。精 雕CNC雕刻機和數(shù)控銃床、加工中心各有所長各有所短，對于工件加工，尤其模 具加工，兩者都是必不可少的加工工具。 JDPaint軟件為精雕CNC雕刻系統(tǒng)提供了完備的CAD/CAM功能。在CAD方面：JDP aint軟件具有平面設(shè)計、曲面

7、造型和藝術(shù)浮雕曲面造型等功能，同時也提供了與UG、Pro/ ENGINEER、MasterCAM 和AutoCAD 等軟件的文件接口。在 CAM方面：JDPaint軟件提 供了豐富的工藝控制和刀具路徑優(yōu)化功能，并以獨特的等量切削”方法實現(xiàn)了多種CNC 雕刻工藝的高速銃削（HSM），更好地解決了小刀具的加工效率問題，提高了產(chǎn)品的加工精度 和加工速度。 、表殼手板的加工方案 1曲面特點及技術(shù)要求 曲面特點 如圖1、圖2所示，曲面的外形尺寸為 33.0mm 24.5mm 6.77mm。圖2中 A、B處的表殼外輪廓曲面和一個凹槽臺階曲面為規(guī)則的曲面，這種曲面可以選用二維 加工的方法進(jìn)行精加工。圖2中C

8、處表的兩側(cè)面和上表面是有一定斜度的不規(guī)則曲面， 且這些曲面中既有淺平面又有陡峭面，這種曲面適合選用三維加工(曲面精雕刻)的方法 進(jìn)行加工。圖2中D處的數(shù)字圖標(biāo)所 在的上表面為不規(guī)則曲面，所以上表面上的數(shù)字圖 標(biāo)需要選用投影加工的方法進(jìn)行加工。 (2)加工手板的技術(shù)要求 所有表面粗糙度要求 R a1.6; 工件表面無缺陷，圓角部位無殘料； 凹槽曲面的最小圓角為R 0.4mm; 數(shù)字圖標(biāo)要求深 0.6mm，最小槽寬0.22m m，最小圓角為 R0.1mm。 2.加工手板的工藝分析 材料：鋁合金。毛坯尺寸：25mrhC 25mM 42mm。 刀具材料：根據(jù)加工材料，選擇YT15的硬質(zhì)合金刀具。 設(shè)備

9、：精雕 CNC雕刻機，型號為 JDPMS-G。 工藝分析及刀具選擇：對于同 一個零件，可能在不同的部位需要不同的走刀方式， 對于零件兩個面之間的銜接部分，還需要用專門的清根刀路。此外，還要合理選擇刀具， 優(yōu)化走刀路徑，減少提刀、空刀及不必要的重覆路徑，在改善加工質(zhì)量的同時提高加工 效率。 表殼手板加工的整體思路是先進(jìn)行三維整體開粗，然后進(jìn)行三維精加工和二維精加 工，最后是投影加工，具體分析如下。 三維加工：采用 JDPaint軟件中 曲面雕刻組的 分層區(qū)域粗雕刻”進(jìn)行整體開粗，并 且用 曲面精雕刻”精加工圖2中C處的三處不規(guī)則曲面。 分層區(qū)域粗雕刻”需要盡可能多地去除殘料，要求刀具有足夠的強度

10、。根據(jù)精雕機主 軸所配夾頭情況，選擇$ 3.175的平底刀進(jìn)行粗加工。曲面 精雕刻”要求達(dá)到產(chǎn)品的尺寸 精度和 表面精度，同時兼顧效率，選擇刀具時要考慮刀具強度以及是否會留有殘料或過 切，因此選擇 $ 3.175的球頭刀 半精加工曲面，選擇 $ 2 mm的球頭刀精 加工曲面。 二維加工：在數(shù)控加工中，二維加工的走刀方式簡單，加工效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三維加工。 因此，分別采用JDPaint軟件中 區(qū)域粗雕刻”和 輪 廓切割”的二維加工方法精加工圖 2中A 處的外形輪廓曲面、分模面與圖2中B處的臺階凹槽曲面。進(jìn)行區(qū)域粗雕刻”時，為了保 證凹槽曲面的最小圓角 R0.4mm ,選擇$ 2mm的平底刀。 投影加

11、工：因圖2中D處數(shù)字圖標(biāo)的尺寸很小，所以在加工中心和數(shù)控銃床上無法 進(jìn)行加工，且標(biāo)準(zhǔn)刀具中也不能提供用于加工槽寬0.22mm、最小圓角 R0.1mm的刀具。因此，采用JDPaint軟件中的 投影雕刻”選擇非標(biāo)準(zhǔn)刀具：錐度為 15底直徑為0.1mm的 錐度平底刀進(jìn)行加工。 3加工難點分析 基于上述工藝分析及曲面特點和加工的技術(shù)要求，加工表殼的手板存在兩大難點： 一是曲面精雕刻的方 法，二是投影雕刻的非標(biāo)準(zhǔn)刀具。 (1) 曲面精雕刻問題 圖2中C所示的三處不規(guī)則曲面中，既有淺平面又有陡斜面存在。精雕刻在保證淺 平面與陡斜面加工精度的同時還要兼顧效率。因此，合理選擇精雕刻方法至關(guān)重要。根 據(jù)J D

12、P a i n t軟件 提供的6種曲面精雕刻方法， 針對淺平 面與陡斜面的加工問題，編 制刀具路徑時大多采用以下幾種方法。 平行銃削+陡斜面加工：平行銃 削加工采用X、Y方向的最大間距來控制刀具路 徑的細(xì)密程度，由于陡斜面的坡度很陡，同樣的切削間距，在陡斜面上形成的刀痕要比 在平面或平坦的曲面上大得多，使陡斜面的加工質(zhì)量較差。因此，一般在平行銃削加工之 后添加陡斜 面加工刀路。但是，在陡斜面刀路的切削方式設(shè)置上，若選擇雙向切削，則 刀 具在沿Z軸上升時由于刀具受力不均，導(dǎo)致加工質(zhì)量下降；若選擇單向切削，則刀具 路徑中提刀路徑過多，嚴(yán)重影響加工效率。 等高外形+淺平面加工：等高外形加工是用最大Z

13、軸進(jìn)給量控制刀具路 徑的疏密程 度，在比較平坦的表面上，Z軸下降相同的距離要比陡峭表面的路徑間距大得多，無法保證 淺平面的表面加工質(zhì)量，因此在編制刀路時大多在等高外形加工之后添加淺平面加工刀路。 由于兩個刀路在曲面的淺平面區(qū)域形成很多重疊刀路，致使淺平面刀路中出現(xiàn)很多空刀路， 因此，這一方法加工效率較低。 環(huán)繞等距加工：環(huán)繞等距加工是生成一組環(huán)繞工件曲面的刀具路徑，路徑計算時 間長，生成的N C文件大。 對于形狀不規(guī)則的曲面，在路徑轉(zhuǎn)向地方的路徑間距大于其他位置的路徑間距，會在 工件表面形成刀具路徑轉(zhuǎn)折的刀痕，影響加工質(zhì)量。 以上三種加工方法均存在工件局部表面達(dá)不到加工質(zhì)量要求或加工效率低的缺

14、陷。 根據(jù)曲面特點及J D P a in t精雕刻刀路特點，可采取角度分區(qū)域加工，即將淺平面與 陡斜面分開加工。當(dāng)曲面與水平面夾角小于 45。時，默認(rèn)該曲面為平坦曲面選擇平行刀路 或環(huán)繞刀路加工。當(dāng)曲面與水平面夾角大于 45。時，默認(rèn)該曲面為陡峭曲面選擇等高外形加 工。表殼不規(guī)則曲面中上部分平坦，下部分陡峭，可用角度分區(qū)的方法確定平行銃削與等 高外形的加工區(qū) 域。這種加工方法與前面所述三種方法比較，在加工參數(shù)選擇相同的情況 下， 加工質(zhì)量好、加工效率高。 (2) 投影雕刻問題 圖2中D處的數(shù)字圖標(biāo)尺寸小，且投影表面為不規(guī)則曲面，無法直接進(jìn)行加工。因此， 要加工出滿足深度、槽寬和最小圓角半徑要求

15、的數(shù)字圖標(biāo)，需要選用非標(biāo)準(zhǔn)刀具：錐度為1 5 底直徑為0.1mm的錐度平底刀，采用 JDPaint投影雕刻組的 投影雕刻”進(jìn)行加工。在進(jìn) 行投影雕刻時，需要先提取數(shù)字圖標(biāo)的輪廓曲線設(shè)置一個 區(qū)域粗雕刻”路 徑，然后將 區(qū) 域粗雕刻”路徑投影到上表面上。 在加工過程中，因為所用刀具為非標(biāo)準(zhǔn)刀具，需要參照錐 度平底刀的磨制方法磨制一把錐度為15底直徑為0.1mm的錐度平底刀。磨制的錐刀 是否準(zhǔn)確直接影響數(shù)字圖標(biāo)的加工效果，因此，投影雕刻中錐度平底刀的磨制是手板加工 中的另一難點。 認(rèn)識錐度平底刀：錐刀的三個刀面和兩個刀刃一一錐刀的端部包括前刀面、后刀面 和副后刀面；錐刀有兩個切削刃，分別是底刃和側(cè)

16、刃；底刃用于 切削底面，側(cè)刃用于切削側(cè) 面，如圖3所示。錐刀角度：錐刀有四個角度，即錐角、后角、畐U后角和副刃偏角，如圖 4所示。 磨制錐度平底刀的步驟分為三個部分：開半徑；磨制后角和錐角；點尖（得到刀具底直 徑、副后角和副刃偏 角）。整個過程，如圖5所示。 ;ja開半修酪后角、錐角修辭打尖、副茄肅、副刃偏角 圖鼻曆別第度平底刀的步驥 四、編制刀具路徑 基于以上曲面特點、技術(shù)要求、加工工藝及加工難點的分析，用JDPaint軟件編制了以 下刀具路徑，如表所示。各加工曲面的位置，如圖6所示。將編制好的刀具路徑，用JDPa int軟件的加工模擬功能進(jìn)行加工模擬，其結(jié)果如圖7所示。加工模擬及實體切削驗

17、證后， 通過JDPaint軟件輸出的刀路文件即可在精雕機床上實現(xiàn)表殼手板的加工。 五、結(jié)束語 表刀7W徑列表 加工方法 序號 刀踣名尊 加工余 加工深度 刀典直徑、類型 幀工說明 三維加工 1 分層區(qū)城赧朋劉 04 6.76 G3.175平底刀 整體開忸 2 角度分區(qū)相“刻 0.05 6.76 03.17斑頭刀 半輸加工 3 尋高外形 0 -1.06 02球頭刀 精加工曲面1 4 角度分區(qū)粕菲劉 0 16.3 2球頭刀 楮加工曲面23 二維加工 5 輪廊切割 0 -0.89 2平底刀 輸加工臺階 6 分展區(qū)域相雎劉 0 -3.169 2平底刀 精刼工凹槽 三維加工 7 尋高外形 （或殘料清根）

18、 V 1到 727 02竿底刀 粕慘曲曲4 8 尋高外形 0 56.76 02平底刀 梢修倒龍 二維加工 9 區(qū)域鰹.鵝 0 -6.77 但平底刀 赫修底面 投彭加工 10 區(qū)城相雕刻投影 0 0.6 jiOSkinovc 凹槽臺階曲面1 貼面2 田 g Ydnovc 通過對表殼曲面特點及技術(shù)要求的分析，制訂了采用精雕機床加工表殼手板的加工工 藝。在分析加工工藝的基礎(chǔ)上，指出加工過程中涉及的兩個加工難點一一曲面精 雕 刻的方 法與投 影雕刻的非標(biāo)準(zhǔn)刀具。在比較常用的精雕刻方法后，采用角度分區(qū) 的不規(guī)則曲面精雕刻方法能避免空刀路的產(chǎn)生，在保證表面加工質(zhì)量的同時有效地提高了 加工效率。在加工尺寸要求很高的數(shù)字圖標(biāo)過程中，充分利用了精雕機床的小刀具加工特 點，采用非標(biāo)準(zhǔn)刀具進(jìn)行投影雕刻完成手板的精細(xì)部分加工。 出師表 兩漢：諸葛亮 先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂， 今天下三分，益州疲弊，此誠危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣 不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報之于陛下也。誠宜開張圣聽，以光 先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。 宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜