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CNC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。

　　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铣削加工方式。

　　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雕刻机与数控铣床、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雕刻机和数控铣床没有刀库，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，数控铣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10000rpm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10000~40000rpm，主轴外径为62、功率370w的 转速范围为10000~24000rpm，主轴外径为80、功率1200w的转速范围为6000~20000rpm，主轴外径为100、功率3000w的转速范围为3000~16000rpm，主轴外径为120、功率4000w的转速范围为2100~15000rpm。转速比较高，主轴输出扭矩相对比较小，适合底直径为10~0.05mm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，数控铣床、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CNC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，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;数控铣床、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雕刻机和数控铣床、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：JDPaint软件具有平面设计、曲面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雕刻工艺的高速铣削(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。

　　三、表壳手板的加工方案

　　1.曲面特点及技术要求

　　(1)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0.22mm，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：25mm×25mm×42mm。

　　◎刀具材料：根据加工材料，选 择YT15的硬质合金刀具。

　　◎设备：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。 根据精雕机主轴所配夹头情况，选择 φ 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φ 3.175的球头刀 半精加工曲面，选择φ 2mm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φ2mm的平底刀。

　　◎投影加工：因图2中D处数字图标的尺寸很小，所以在加工中心和数 控铣床上无法进行加工，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 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。

　　◎平行铣削+陡斜面加工：平行铣 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，一般在平行铣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 率低的缺陷。根据曲面特点及J D P a i n 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 方法确定平行铣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的数字图标，需要选用非标准刀具：锥度为15°、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——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、副后角和副刃偏角，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。

　　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JDPaint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

　　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 —— 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。