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CNC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。

　　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)給和快走刀的高速銑削加工方式。

　　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)控銑床、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)控銑床沒有刀庫，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)控銑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10000rpm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10000~40000rpm，主軸外徑為62、功率370w的 轉(zhuǎn)速范圍為10000~24000rpm，主軸外徑為80、功率1200w的轉(zhuǎn)速范圍為6000~20000rpm，主軸外徑為100、功率3000w的轉(zhuǎn)速范圍為3000~16000rpm，主軸外徑為120、功率4000w的轉(zhuǎn)速范圍為2100~15000rpm。轉(zhuǎn)速比較高，主軸輸出扭矩相對比較小，適合底直徑為10~0.05mm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)控銑床、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CNC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，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;數(shù)控銑床、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)控銑床、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：JDPaint軟件具有平面設(shè)計、曲面造型和藝術(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雕刻工藝的高速銑削(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。

　　三、表殼手板的加工方案

　　1.曲面特點及技術(shù)要求

　　(1)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0.22mm，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：25mm×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：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。 根據(jù)精雕機主軸所配夾頭情況，選擇 φ 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φ 3.175的球頭刀 半精加工曲面，選擇φ 2mm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φ2mm的平底刀。

　　◎投影加工：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) 控銑床上無法進(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 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。

　　◎平行銑削+陡斜面加工：平行銑 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，一般在平行銑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 率低的缺陷。根據(jù)曲面特點及J D P a i n 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 方法確定平行銑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的數(shù)字圖標(biāo)，需要選用非標(biāo)準(zhǔn)刀具：錐度為15°、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——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)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、副后角和副刃偏角，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。

　　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JDPaint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

　　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 —— 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。