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，根據產品外觀圖樣或結構圖樣先做出的一個或幾個、 用來檢查外觀或結構合理性的功能樣板。隨著社會競爭的日益激烈，手板的制作在產品開 發過 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 到外觀和結構圖樣的尺寸要求。隨著數控技術的快速發展，快速成型C NC手板制作成為可能。而且近幾年CNC雕刻機在國內開始得到應用，它的產品和市場發 展很快，尤其是近兩三年，CNC雕刻機不僅在傳統的雕刻應用領域 廣告標識制作業 占據了舉足 輕重的地位，同時也以精細和快速的優勢，越來越深入了

2、諸多工業領域。特別 在CNC雕刻機具有突出優勢的小模具、小產品的加工上，已經獲得了廣泛的應用。為此， 作者利用精雕機對一個表殼進行手板加工，其俯視圖和三維實體圖如圖1、圖2所示。 ffl 1表殼懾現圖 S2社殼三樂實體謝 木8規則曲面 二、精雕CNC雕刻系統的組成 計算機數控雕刻技術（簡稱CNC雕刻技術）是傳統雕刻技術與現代數控技術結合的產 物，它秉承了傳統雕刻精細輕巧、靈活自如的操作特點，同時利用了傳統數控加工中的自 動化技術。CNC雕刻機是集計算機輔助設計技術 （CAD技術）、計算機輔助制造技術（CAM 技術）、數控技術（NC技術）和精密制造技術于一體的先進數控加工設備。與傳統的數控加工

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、形態復雜以及成品要求精細等特點； CNC雕刻的工藝特點是使用小刀具進行加工； CNC雕刻產品的尺寸精度高，產品一致性好。 CNC雕刻采用的是一種高轉速、小進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，是一套以精雕CNC雕刻機和JDPaint軟件為核心的 專業雕刻系統。 精雕CNC雕刻機與數控銃床、加工中心工作原理是相同的，都是CNC由計算機數字 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加工。機床控制系統的差異： 它們的控 制系統的功能相似，但是因為由不同的廠家開發，控制系統的操作方法和具體 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決定性作用。 決定機床性能差異的關鍵要從具體的細節方面來看，數控銃床和加工中心主軸都比較 大，但轉速比較低，一般機床最高轉速最高為6000rpm，少數高速機的轉速能到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 機主軸轉速按不同大 小主軸來分，主軸外徑為 48、功率180w的轉速范圍為1000040000r pm，主軸外徑為 62

5、、功率370w的轉速范圍為1000024000rpm，主軸外徑為 80、功率12 00w的轉速范圍為600020000rpm，主軸外徑為100、功率3000w的轉速范圍為 30001600 0rpm，主軸外徑為120、功率4000w的轉速范圍為 210015000rpm。轉速比較高，主軸輸 出扭矩相對比較小，適合底直徑為100.05mm刀具加工。因主軸轉速高、刀具小，所以加 工的工件比較細致，表面光潔度高。另外，數控銃床、加工中心床體比較大，運動部件也 相應比較大，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、質量輕，便于快速轉向、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，細節部位加工精細，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 軸轉速低，使用刀具大，加工表面光潔度相對雕刻機要低，而且細小部位加工不到位。 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雕刻系統提供了完備的CAD/CAM功能。在CAD方面：JDP aint軟件具有平面設計、曲面

7、造型和藝術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化功能，并以獨特的等量切削”方法實現了多種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則的曲面，這種曲面可以選用二維 加工的方法進行精加工。圖2中C

8、處表的兩側面和上表面是有一定斜度的不規則曲面， 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 進行加工。圖2中D處的數字圖標所 在的上表面為不規則曲面，所以上表面上的數字圖 標需要選用投影加工的方法進行加工。 (2)加工手板的技術要求 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; 數字圖標要求深 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：根據加工材料，選擇YT15的硬質合金刀具。 設備

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，在改善加工質量的同時提高加工 效率。 表殼手板加工的整體思路是先進行三維整體開粗，然后進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 分層區域粗雕刻”進行整體開粗，并 且用 曲面精雕刻”精加工圖2中C處的三處不規則曲面。 分層區域粗雕刻”需要盡可能多地去除殘料，要求刀具有足夠的強度

10、。根據精雕機主 軸所配夾頭情況，選擇$ 3.175的平底刀進行粗加工。曲面 精雕刻”要求達到產品的尺寸 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：在數控加工中，二維加工的走刀方式簡單，加工效率遠遠大于三維加工。 因此，分別采用JDPaint軟件中 區域粗雕刻”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。進行區域粗雕刻”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處數字圖標的尺寸很小，所以在加工中心和數控銃床上無法 進行加工，且標準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”選擇非標準刀具：錐度為 15底直徑為0.1mm的 錐度平底刀進行加工。 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準刀具。 (1) 曲面精雕刻問題 圖2中C所示的三處不規則曲面中，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重要。根 據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，導致加工質量下降；若選擇單向切削，則刀具 路徑中提刀路徑過多，嚴重影響加工效率。 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域形成很多重疊刀路，致使淺平面刀路中出現很多空刀路， 因此，這一方法加工效率較低。 環繞等距加工：環繞等距加工是生成一組環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。 對于形狀不規則的曲面，在路徑轉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折的刀痕，影響加工質量。 以上三種加工方法均存在工件局部表面達不到加工質量要求或加工效率低的缺

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

15、的數字圖標，需要選用非標準刀具：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”進行加工。在進 行投影雕刻時，需要先提取數字圖標的輪廓曲線設置一個 區域粗雕刻”路 徑，然后將 區 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準刀具，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 是否準確直接影響數字圖標的加工效果，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

16、刃；底刃用于 切削底面，側刃用于切削側 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行加工模擬，其結果如圖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表殼手板的加工。 五、結束語 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 分層區城赧朋劉 04 6.76 G3.175平底刀 整體開忸 2 角度分區相“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 區域鰹.鵝 0 -6.77 但平底刀 赫修底面 投彭加工 10 區城相雕刻投影 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 影雕刻的非標準刀具。在比較常用的精雕刻方法后，采用角度分區 的不規則曲面精雕刻方法能避免空刀路的產生，在保證表面加工質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字圖標過程中，充分利用了精雕機床的小刀具加工特 點，采用非標準刀具進行投影雕刻完成手板的精細部分加工。 出師表 兩漢：諸葛亮 先帝創業未半而中道崩殂， 今天下三分，益州疲弊，此誠危急存亡之秋也。然侍衛之臣 不懈于內，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