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CNC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。

　　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銑削加工方式。

　　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雕刻機與數控銑床、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，數控銑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10000~40000rpm，主軸外徑為62、功率370w的 轉速范圍為10000~24000rpm，主軸外徑為80、功率1200w的轉速范圍為6000~20000rpm，主軸外徑為100、功率3000w的轉速范圍為3000~16000rpm，主軸外徑為120、功率4000w的轉速范圍為2100~15000rpm。轉速比較高，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，數控銑床、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CNC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，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;數控銑床、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雕刻系統提供了完備的CAD/CAM功能。在CAD方面：JDPaint軟件具有平面設計、曲面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雕刻工藝的高速銑削(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。

　　三、表殼手板的加工方案

　　1.曲面特點及技術要求

　　(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0.22mm，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：根據加工材料，選 擇YT15的硬質合金刀具。

　　◎設備：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。 根據精雕機主軸所配夾頭情況，選擇 φ 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φ2mm的平底刀。

　　◎投影加工：因圖2中D處數字圖標的尺寸很小，所以在加工中心和數 控銑床上無法進行加工，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 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 率低的缺陷。根據曲面特點及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 方法確定平行銑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的數字圖標，需要選用非標準刀具：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——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、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行加工模擬，其結果如圖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表殼手板的加工。

　　五、結束語

　　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 —— 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。