CNC雕刻系统的组成

1、 精雕机的表壳手板加工 一、前言 手板是在没有开模具的前提下，根据产品外观图样或结构图样先做出的一个或几个、 用来检查外观或结构合理性的功能样板。随着社会竞争的日益激烈，手板的制作在产品开 发过 程中的地位越来越重要。 早期的手板因为受到各种条件的限制，大部分工作都是用手工完成的，使得做出的手 板工期长且很难达 到外观和结构图样的尺寸要求。随着数控技术的快速发展，快速成型C NC手板制作成为可能。而且近几年CNC雕刻机在国内开始得到应用，它的产品和市场发 展很快，尤其是近两三年，CNC雕刻机不仅在传统的雕刻应用领域 广告标识制作业 占据了举足 轻重的地位，同时也以精细和快速的优势，越来越深入了

2、诸多工业领域。特别 在CNC雕刻机具有突出优势的小模具、小产品的加工上，已经获得了广泛的应用。为此， 作者利用精雕机对一个表壳进行手板加工，其俯视图和三维实体图如图1、图2所示。 ffl 1表壳懾现图 S2社壳三樂实体谢 木8规则曲面 二、精雕CNC雕刻系统的组成 计算机数控雕刻技术（简称CNC雕刻技术）是传统雕刻技术与现代数控技术结合的产 物，它秉承了传统雕刻精细轻巧、灵活自如的操作特点，同时利用了传统数控加工中的自 动化技术。CNC雕刻机是集计算机辅助设计技术 （CAD技术）、计算机辅助制造技术（CAM 技术）、数控技术（NC技术）和精密制造技术于一体的先进数控加工设备。与传统的数控加工

3、相比，CNC雕刻具有如下特点： C N C雕刻的加工对象具有尺寸小、形态复杂以及成品要求精细等特点； CNC雕刻的工艺特点是使用小刀具进行加工； CNC雕刻产品的尺寸精度高，产品一致性好。 CNC雕刻采用的是一种高转速、小进给和快走刀的高速铳削加工方式。 本文所涉及的精雕 CNC雕刻系统，是一套以精雕CNC雕刻机和JDPaint软件为核心的 专业雕刻系统。 精雕CNC雕刻机与数控铳床、加工中心工作原理是相同的，都是CNC由计算机数字 程序控制机床各个部件运行。从表面上看，三者之间的差别、机床配置方面的不同之处是： 加工中心有刀库，一个工件装卡好后，多把刀具一次性加工完成；精雕CNC雕刻机和数控

4、铳 床没有刀库，每把刀具加工完成后，都必须手动换刀再继续加工。机床控制系统的差异： 它们的控 制系统的功能相似，但是因为由不同的厂家开发，控制系统的操作方法和具体 的功能会有一定的差异。这些差异对机床的性能差别不会起到决定性作用。 决定机床性能差异的关键要从具体的细节方面来看，数控铳床和加工中心主轴都比较 大，但转速比较低，一般机床最高转速最高为6000rpm，少数高速机的转速能到lOOOOrp m以上。但功率比较大，主轴输出扭矩比较大，适合直径比较大的刀具。精雕CNC雕刻 机主轴转速按不同大 小主轴来分，主轴外径为 48、功率180w的转速范围为1000040000r pm，主轴外径为 62

5、、功率370w的转速范围为1000024000rpm，主轴外径为 80、功率12 00w的转速范围为600020000rpm，主轴外径为100、功率3000w的转速范围为 30001600 0rpm，主轴外径为120、功率4000w的转速范围为 210015000rpm。转速比较高，主轴输 出扭矩相对比较小，适合底直径为100.05mm刀具加工。因主轴转速高、刀具小，所以加 工的工件比较细致，表面光洁度高。另外，数控铳床、加工中心床体比较大，运动部件也 相应比较大，重量比较重，运动起来后加速比较慢，对加工大工件来说比较合适。精雕CN C雕刻机床体相对较小，运动部件小、质量轻，便于快速转向、掉头

6、，加工小工件时平均 加工速度会比较高。 因此，精雕CNC雕刻机适合使用中小刀具，加工中小型工件，细节部位加工精细，表 面光洁度高 澈控铳床、加工中心适合使用比较大的刀具，加工大型一点的工件，由于其主 轴转速低，使用刀具大，加工表面光洁度相对雕刻机要低，而且细小部位加工不到位。 而这些加工不到位和光洁度比较差的情况，还可以由雕刻机来帮助完成，减少后期的处理 量。精 雕CNC雕刻机和数控铳床、加工中心各有所长各有所短，对于工件加工，尤其模 具加工，两者都是必不可少的加工工具。 JDPaint软件为精雕CNC雕刻系统提供了完备的CAD/CAM功能。在CAD方面：JDP aint软件具有平面设计、曲面

7、造型和艺术浮雕曲面造型等功能，同时也提供了与UG、Pro/ ENGINEER、MasterCAM 和AutoCAD 等软件的文件接口。在 CAM方面：JDPaint软件提 供了丰富的工艺控制和刀具路径优化功能，并以独特的等量切削”方法实现了多种CNC 雕刻工艺的高速铳削（HSM），更好地解决了小刀具的加工效率问题，提高了产品的加工精度 和加工速度。 、表壳手板的加工方案 1曲面特点及技术要求 曲面特点 如图1、图2所示，曲面的外形尺寸为 33.0mm 24.5mm 6.77mm。图2中 A、B处的表壳外轮廓曲面和一个凹槽台阶曲面为规则的曲面，这种曲面可以选用二维 加工的方法进行精加工。图2中C

8、处表的两侧面和上表面是有一定斜度的不规则曲面， 且这些曲面中既有浅平面又有陡峭面，这种曲面适合选用三维加工(曲面精雕刻)的方法 进行加工。图2中D处的数字图标所 在的上表面为不规则曲面，所以上表面上的数字图 标需要选用投影加工的方法进行加工。 (2)加工手板的技术要求 所有表面粗糙度要求 R a1.6; 工件表面无缺陷，圆角部位无残料； 凹槽曲面的最小圆角为R 0.4mm; 数字图标要求深 0.6mm，最小槽宽0.22m m，最小圆角为 R0.1mm。 2.加工手板的工艺分析 材料：铝合金。毛坯尺寸：25mrhC 25mM 42mm。 刀具材料：根据加工材料，选择YT15的硬质合金刀具。 设备

9、：精雕 CNC雕刻机，型号为 JDPMS-G。 工艺分析及刀具选择：对于同 一个零件，可能在不同的部位需要不同的走刀方式， 对于零件两个面之间的衔接部分，还需要用专门的清根刀路。此外，还要合理选择刀具， 优化走刀路径，减少提刀、空刀及不必要的重覆路径，在改善加工质量的同时提高加工 效率。 表壳手板加工的整体思路是先进行三维整体开粗，然后进行三维精加工和二维精加 工，最后是投影加工，具体分析如下。 三维加工：采用 JDPaint软件中 曲面雕刻组的 分层区域粗雕刻”进行整体开粗，并 且用 曲面精雕刻”精加工图2中C处的三处不规则曲面。 分层区域粗雕刻”需要尽可能多地去除残料，要求刀具有足够的强度

10、。根据精雕机主 轴所配夹头情况，选择$ 3.175的平底刀进行粗加工。曲面 精雕刻”要求达到产品的尺寸 精度和 表面精度，同时兼顾效率，选择刀具时要考虑刀具强度以及是否会留有残料或过 切，因此选择 $ 3.175的球头刀 半精加工曲面，选择 $ 2 mm的球头刀精 加工曲面。 二维加工：在数控加工中，二维加工的走刀方式简单，加工效率远远大于三维加工。 因此，分别采用JDPaint软件中 区域粗雕刻”和 轮 廓切割”的二维加工方法精加工图 2中A 处的外形轮廓曲面、分模面与图2中B处的台阶凹槽曲面。进行区域粗雕刻”时，为了保 证凹槽曲面的最小圆角 R0.4mm ,选择$ 2mm的平底刀。 投影加

11、工：因图2中D处数字图标的尺寸很小，所以在加工中心和数控铳床上无法 进行加工，且标准刀具中也不能提供用于加工槽宽0.22mm、最小圆角 R0.1mm的刀具。因此，采用JDPaint软件中的 投影雕刻”选择非标准刀具：锥度为 15底直径为0.1mm的 锥度平底刀进行加工。 3加工难点分析 基于上述工艺分析及曲面特点和加工的技术要求，加工表壳的手板存在两大难点： 一是曲面精雕刻的方 法，二是投影雕刻的非标准刀具。 (1) 曲面精雕刻问题 图2中C所示的三处不规则曲面中，既有浅平面又有陡斜面存在。精雕刻在保证浅 平面与陡斜面加工精度的同时还要兼顾效率。因此，合理选择精雕刻方法至关重要。根 据J D

12、P a i n t软件 提供的6种曲面精雕刻方法， 针对浅平 面与陡斜面的加工问题，编 制刀具路径时大多采用以下几种方法。 平行铳削+陡斜面加工：平行铳 削加工采用X、Y方向的最大间距来控制刀具路 径的细密程度，由于陡斜面的坡度很陡，同样的切削间距，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，使陡斜面的加工质量较差。因此，一般在平行铳削加工之 后添加陡斜 面加工刀路。但是，在陡斜面刀路的切削方式设置上，若选择双向切削，则 刀 具在沿Z轴上升时由于刀具受力不均，导致加工质量下降；若选择单向切削，则刀具 路径中提刀路径过多，严重影响加工效率。 等高外形+浅平面加工：等高外形加工是用最大Z

13、轴进给量控制刀具路 径的疏密程 度，在比较平坦的表面上，Z轴下降相同的距离要比陡峭表面的路径间距大得多，无法保证 浅平面的表面加工质量，因此在编制刀路时大多在等高外形加工之后添加浅平面加工刀路。 由于两个刀路在曲面的浅平面区域形成很多重叠刀路，致使浅平面刀路中出现很多空刀路， 因此，这一方法加工效率较低。 环绕等距加工：环绕等距加工是生成一组环绕工件曲面的刀具路径，路径计算时 间长，生成的N C文件大。 对于形状不规则的曲面，在路径转向地方的路径间距大于其他位置的路径间距，会在 工件表面形成刀具路径转折的刀痕，影响加工质量。 以上三种加工方法均存在工件局部表面达不到加工质量要求或加工效率低的缺

14、陷。 根据曲面特点及J D P a in t精雕刻刀路特点，可采取角度分区域加工，即将浅平面与 陡斜面分开加工。当曲面与水平面夹角小于 45。时，默认该曲面为平坦曲面选择平行刀路 或环绕刀路加工。当曲面与水平面夹角大于 45。时，默认该曲面为陡峭曲面选择等高外形加 工。表壳不规则曲面中上部分平坦，下部分陡峭，可用角度分区的方法确定平行铳削与等 高外形的加工区 域。这种加工方法与前面所述三种方法比较，在加工参数选择相同的情况 下， 加工质量好、加工效率高。 (2) 投影雕刻问题 图2中D处的数字图标尺寸小，且投影表面为不规则曲面，无法直接进行加工。因此， 要加工出满足深度、槽宽和最小圆角半径要求

15、的数字图标，需要选用非标准刀具：锥度为1 5 底直径为0.1mm的锥度平底刀，采用 JDPaint投影雕刻组的 投影雕刻”进行加工。在进 行投影雕刻时，需要先提取数字图标的轮廓曲线设置一个 区域粗雕刻”路 径，然后将 区 域粗雕刻”路径投影到上表面上。 在加工过程中，因为所用刀具为非标准刀具，需要参照锥 度平底刀的磨制方法磨制一把锥度为15底直径为0.1mm的锥度平底刀。磨制的锥刀 是否准确直接影响数字图标的加工效果，因此，投影雕刻中锥度平底刀的磨制是手板加工 中的另一难点。 认识锥度平底刀：锥刀的三个刀面和两个刀刃一一锥刀的端部包括前刀面、后刀面 和副后刀面；锥刀有两个切削刃，分别是底刃和侧

16、刃；底刃用于 切削底面，侧刃用于切削侧 面，如图3所示。锥刀角度：锥刀有四个角度，即锥角、后角、畐U后角和副刃偏角，如图 4所示。 磨制锥度平底刀的步骤分为三个部分：开半径；磨制后角和锥角；点尖（得到刀具底直 径、副后角和副刃偏 角）。整个过程，如图5所示。 ;ja开半修酪后角、锥角修辭打尖、副茄肃、副刃偏角 图鼻曆别第度平底刀的步骥 四、编制刀具路径 基于以上曲面特点、技术要求、加工工艺及加工难点的分析，用JDPaint软件编制了以 下刀具路径，如表所示。各加工曲面的位置，如图6所示。将编制好的刀具路径，用JDPa int软件的加工模拟功能进行加工模拟，其结果如图7所示。加工模拟及实体切削验

17、证后， 通过JDPaint软件输出的刀路文件即可在精雕机床上实现表壳手板的加工。 五、结束语 表刀7W径列表 加工方法 序号 刀踣名尊 加工余 加工深度 刀典直径、类型 帧工说明 三维加工 1 分层区城赧朋刘 04 6.76 G3.175平底刀 整体开忸 2 角度分区相“刻 0.05 6.76 03.17斑头刀 半输加工 3 寻高外形 0 -1.06 02球头刀 精加工曲面1 4 角度分区粕菲刘 0 16.3 2球头刀 楮加工曲面23 二维加工 5 轮廊切割 0 -0.89 2平底刀 输加工台阶 6 分展区域相雎刘 0 -3.169 2平底刀 精刼工凹槽 三维加工 7 寻高外形 （或残料清根）

18、 V 1到 727 02竿底刀 粕慘曲曲4 8 寻高外形 0 56.76 02平底刀 梢修倒龙 二维加工 9 区域鰹.鹅 0 -6.77 但平底刀 赫修底面 投彭加工 10 区城相雕刻投影 0 0.6 jiOSkinovc 凹槽台阶曲面1 贴面2 田 g Ydnovc 通过对表壳曲面特点及技术要求的分析，制订了采用精雕机床加工表壳手板的加工工 艺。在分析加工工艺的基础上，指出加工过程中涉及的两个加工难点一一曲面精 雕 刻的方 法与投 影雕刻的非标准刀具。在比较常用的精雕刻方法后，采用角度分区 的不规则曲面精雕刻方法能避免空刀路的产生，在保证表面加工质量的同时有效地提高了 加工效率。在加工尺寸要求很高的数字图标过程中，充分利用了精雕机床的小刀具加工特 点，采用非标准刀具进行投影雕刻完成手板的精细部分加工。 出师表 两汉：诸葛亮 先帝创业未半而中道崩殂， 今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣 不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光 先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。 宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜