發布日期：2022-04-27 點擊率：109
雕刻加工是飽含著人類高智能和高技能的工匠型勞動，當代雕刻制造技術正經歷著從手工雕刻向CNC雕刻的變革。本文較為詳盡地講述了CNC電腦雕刻機和數控銑、加工中心的機器結構、控制系統、應用軟件等方面的關系，并介紹了運用MasterCAM等軟件進行CAM編程，在電腦雕刻機加工模具型芯的工藝。
圖1 CNC四軸電腦雕刻機
CNC電腦雕刻機最近幾年在國內有較大的發展，在國外很早就有雕銑機的名詞（CNC Engraving And Milling Machine）。嚴格地講，雕是銑的一部分，傳統的數控銑床、CNC加工中心功率大，加工效率高，機床穩定性較好，但加工銅、鋁等軟質材料時存在著加工表面光潔度低、加工效率不高等缺點，而高速CNC加工中心雖然可以克服以上的缺點，但價格昂貴，一般的廠家難以承受。和傳統的CNC數控設備相比，CNC電腦雕刻機有著轉速高、加工軟質材料效率高、表面光潔度高、性價比高等優點。
一、CNC電腦雕刻機與數控銑、加工中心的對比
1.機械部分
通用機床的機械一般都分為兩個部分：即移動部分和非移動部分，工作臺，主軸滑板等為移動部分，床身、底座，立柱等為非移動部分。
(1)數控銑、CNC加工中心
數控銑、CNC加工中心的非移動部分和移動部分剛性都要求非常高，因此能進行重切削。但由于移動部分同樣龐大，犧牲了機床靈活性，對于細小的切削和快速進給就顯得力不從心。
(2)CNC電腦雕銑機
雕銑機的非移動部分剛性要求也要盡可能地好，而移動部分的剛性則要以靈活為前題，要設計得盡可能地輕巧一些，同時保持一定的剛性。如此設計CNC電腦雕刻機就可以進行比較細小的精加工，加工精度較高，對于軟金屬可以進行高速加工，但由于移動部分的剛性較差，所以不可能進行重切削。所以如何從機械結構上解決移動部分重量又輕、剛性又好的矛盾，關鍵在于機械結構上的功夫。這里可采用以下的方法：
1)設計采用超寬的立柱和橫梁，因為龍門式的結構有極好的對稱性和極佳的剛性，它是高速切削設備的首選結構。與傳統的C型床身結構相比，龍門架形式的床身剛性較高，受力平均，工件只在一個軸向移動，各運動軸及相對慣性低，設計緊湊精密，確保高剛性，高精度及高動態特性。機床的橫梁可采用傾斜30度結構，使主軸鞍座的的重心向后方移動，并且使得橫梁的導軌間距盡量加大，如此大大提高主軸的穩定性和剛性。由于立柱的質量遠遠大于主軸等移動部件的質量，所以為機床的高速運動和主軸的高速運轉及負荷切削提供了堅實的保障。
2)底座采用鑄鐵整體鑄造而成，采用高低筋配合的網狀箱型架構，或直接采用蜂巢的相接的內六角網狀結構，底座必須有一定的重量以增加機床的穩定性，如此高剛性的底座設計可確保對固定工作臺和立柱以及鞍座、主軸等移動部件的剛性支持，使機床動態加工的穩定性最好，全行程范圍內完全支撐立柱，使加工產生的變形量最小。
3)對于移動部分有與數控銑顯著的不同之處是加寬了很多導軌與導軌之間的距離，以克服不良力矩的問題。
4)由于機床的剛性主要用于克服移動部分在高速移動時對非移動部分的強大沖擊，所以導軌、絲桿要求粗一些，以及加強連接部分剛性，最后，為了適應高速和負荷切削的雙重要求，X/Y/Z三軸都采用伺服電機加高精度彈性聯軸節連接高精度滾珠絲杠副，所有導軌和絲杠均采用高等級低摩擦系數、高淬硬層的優質產品，既保證了重載下機床的剛性，又保證了高速運動的精度，確保機床在長期連續高速加工狀態下的低磨損和精度保持性，節省用戶的維護保養費用。
5)對于數控銑和CNC加工中心，因為要求輸出低轉速大扭矩，所以一定需要主軸變速箱的減速比來提升扭力，所以轉速低是不可避免的，一般數控銑和CNC加工中心的最高轉速6000r/min，所以不大可能用很小半徑的刀具。但對于CNC雕刻機來說，主軸通常在2～3萬r/min才可工作，回轉精度一般2μ左右，不然斷刀現象會很嚴重，所以一定要用電主軸或氣動主軸，即電機和主軸是一體的，且主軸的固定板一般都采用合金鋁等輕質材料。對于高速切削設備來講，要求內藏式電主軸，而且在低轉速時也要用一定的扭矩，要有油水冷卻機來保持主軸工作溫度恒定，主軸功率要在7.5～8kW以上，轉速要超過25000r/min。
2.數控部分
數控銑、CNC加工中心對數控系統要求速度一般，主軸轉速0～6000r/min左右。而雕銑機要求高速的數控系統以及極好的伺服電機特性，主軸轉速3000～40000r/min左右。現在的高速數控系統，操作平臺一般為Windows、其性能都有很大提高，不僅加工高速、平穩，而且可與國內外各種雕刻機、加工中心兼容使用編程軟件，直接支持MasterCAM等多種CAD/CAM軟件生成的G代碼。數控系統同時具有如下功能：
(1)自動對刀功能：自動尋中心、邊角、深度。精度極高，解決模具找正的難題。
(2)自動/手動加工：支持 ISO標準的G指令，也支持通過機床輸入設備，如手持設備等操縱機床，同時內嵌地支持通過計算機輸入設備，如鍵盤、鼠標完成手動操作。
(3)增量進給和進給倍率在線調整功能：方便用戶精確設定進給量，且步長和進給倍率可靈活調整。
(4)用戶數據輸入（MDI）功能：用戶可以在線輸A G指令并立即執行。
(5)單步模式：用戶可以把要執行的加工任務設置為單步模式，從而為錯誤診斷和故障恢復提供了良好的支持。
(6)高速平滑速度連接特性：自適應地決定當前指令與下一條指令間的銜接速度。不僅大大提高了加工效率，而且改善了加工性能，消除了留在加工表面的速度接刀痕。
(7)三維模擬顯示功能：通過簡單的操作可以從各個角度觀察三維加工結果，從而可以更準確、更直觀的對加工結果有所了解。
(8)仿真功能：可以對加工程序進行快速仿真加工，能在極短的時間內完成，同時檢查加工程序是否出錯，加工結果是否滿意，并能準確的計算出實際加工所需要的時間。
3.編程軟件
(1)多樣的二維設計
目前的雕刻軟件如Type4，提供了強大的圖形創建、編輯、排版功能，精確繪圖和藝術繪圖功能，強大的文字處理功能。具有多種任意曲線的藝術文字排列效果，字型和尺寸任意調整、編輯；強大的節點編修功能，可以快速隨意地修整輪廓的局部形狀。
(2)靈活的三維設計
Type4等浮雕雕刻軟件提供了方便、快捷地由二維圖形產生三維模型的強大功能，由二維曲線構造強烈藝術效果的藝術浮雕、復雜曲面，并將藝術浮雕與曲面造型完美結合，使之產生形態復雜的雕刻產品。還可直接輸出二維、三維刀具路徑，刀具路徑中提供了粗加工、半精加工、精加工及刀具路徑的仿真等功能。
(3)強大的CAD造型設計
MasterCAM等CAD/CAM模具設計與制造軟件是目前機械加工行業廣為使用且相當成功的軟件，不僅具有精確繪制二維和三維圖形的功能，還可由此產生曲面、實體模型等強大功能，而且具有對圖形、曲面、實體模型直接編制刀具路徑，通過模擬刀具路徑驗證NC程式，由計算機輸入CNC電腦雕刻機、數控機床來完成工件的加工的強大功能。
(4)方便的數據交換功能
軟件之間可直接進行二、三維數據的轉化。CNC雕刻機與CNC加工中心和數控銑一樣，其加工基礎是計算機輔助設計數據。這是雕刻CAD功能的關鍵所在。目前國內外比較先進的電腦雕刻軟件的功能各有所長。從軟件的角度上講，數控銑、CNC加工中心，CNC雕刻機都可以使用標準的CAD/CAM軟件，如Pro/ENGINEER、MasterCam、Cimatron、UG等。生產中，通常運用Pro/ENGINEER、MasterCAM等先進的CAD/CAM軟件先進行產品的3D圖形設計，然后根據產品的特點設計擬定數控加工工藝，輸入加工參數，生成刀具路徑，生成加工程序并輸送到數控機床的控制系統進行自動化加工。實際生產中，我們充分利用了我校自行設計的CNC電腦雕刻機，將MasterCAM編制的CAM程序輸送到雕刻機的控制系統來加工模具的銅電極和小型鋼件，由于雕刻機的轉速高達40000r/min，進給率也很高，大大提高了加工效率和質量。
4. 刀庫自動換刀和全自動對刀
加工中心是為了完成多種工序于自動狀態的數控設備，主要是對于一些固定的大批量的生產作業。但對于模具行業和小批量生產單位千萬不要動不動就上加工中心，很多的廠家買加工中心當數控銑來使用。使用刀庫對數控系統的成本上來講很簡單，但主軸和刀庫、空壓機以及各種刀柄等會增加成本，而且編程、調整刀庫也要花費相應的時間。所以，對于生產量同一品種不到一二百個的工件盡量不要使用加工中心，成本高、效率低。可使用全自動對刀系統，刀往上一裝，一個按鈕，機床自動對刀，直接加工，誤差在0.001～.0003mm內，與自動換時間來比，慢不了很多。如果是加工中心，但無自動對刀裝置的機床與不帶刀庫，但有自動對刀裝置的機床相比，實踐中的效率后者遠高于前者。對于國內的制造業，特別是模具生產企業來說，一般都是單件生產，而且勞動力資源充足，所以，對于小批量工業零件的加工，要充分考慮資金的利用價值，不要動輒采用加工中心設備。更何況國內廠家的刀庫基本上還存在很多問題。
二、應用策略
隨著科技的日新月異，CNC高速機床日益得到模具制造商們的青睞，高速切削的本質就是把刀具的行走的長度在短時間內走完，由于其自身優良的特性，可以大幅度地提高加工效率，從而可以降低生產成本。高速CNC加工中心的轉速可達40000r/min，目前國內使用較多，性價比較好的有德國DMG生產高速機。但高速機的使用目前存在很多問題，首先是編程，很多編程人員在高速機面前常常感到茫然不知所措，不知道如何采用切削用量，目前多數模具廠的CNC編程人員都是在工廠跟師傅從學徒成長起來的，他們往往有著豐富的實踐經驗，但缺少系統的理論指導，對切削用量的認識，往往憑借的是經驗和感覺，而這些經驗和感覺是在低速CNC機床積累的。所以，面對高速機時就找不到感覺了。其次還要考慮加工工件的材料和硬度，材料越硬，切削用量相應取小值。所用刀具的性能也很重要，因為你所選擇的刀具決定你能用的轉速，決定了機床的加工是普通加工還是高速加工。所以，只有選用了高速刀，才能給出相應的高速，進行高速加工。而不同公司的刀具參數也是大相徑庭的，所以編程人員需要加工刀具的相關技術資料。和普通低速CNC機床相比，由于機床的功率是一定的，主軸轉速越快，其所能承受的切削力將越小，所以高速機加工時，吃刀量相應要小。只有將機床、刀具、加工材料、加工性質等結合起來才能摸索出最佳的切削用量，產生最佳的生產效率。
針對這種情況，經權衡后可采用以下的加工工藝：由于目前國適合重切削機床很多，加工費也便宜，刀具也便宜。而一般的工件加工量大，精度要求不高。鑒于這種情況，可以用仿形銑或數控銑把大部分切削量完成（重切削），剩下2～3mm的加工余量，把剩余的切削量在高速CNC雕刻機上快速完成。轉入高速切削后，因為加工對象已接近成形，所以第一刀的切削量很均勻，可采用進口的刀具，刀具雖貴，但加工時間短，切削量不大，所以性能價格比率很好。對于小型模具，加工余量不大，則可以全部的加工任務都在CNC電腦雕刻機上完成。我們充分利用了我校自行設計的CNC電腦雕刻機進行了嘗試，由于雕刻機的主軸轉速高達40000r/min，可有效地進行高速加工。用于高速加工復雜模具的型腔或凸模，可采用直徑為8～10mm的雙刃圓鼻刀（允許線速度380m/min）用于粗加工，用6～8mm的雙刃球刀精加工。例如，高速加工一個小型手機的模具，該零件有許多按鍵及屏幕的凹的型腔，是一個復雜多曲面的典型零件，模具的材料為T10工具鋼，刀具為德國瓦爾特公司的帶涂層的R3雙刃球頭刀，刀具線速度200m/min，主軸轉速1.1～2.0萬r/min，刀具吃刀深度0.5～0.8mm，進給速度5m/min，刀具間隔量粗加工0.5～5mm，精加工0.1～0.2mm，加工時間共1小時12分鐘。很多細微之處須清角加工，無法直接精加工，可加工銅電極，用電火花加工來完成。用于高速加工電火花機床所用的銅電極，包括石墨電極和紫銅電極等，采用相應的刀具，在加工相當復雜的型面時的進給速度可達3～8m/min，同時還具有很高的加工精度。以上的加工工藝大大提高了加工效果和質量。
三、結束語
目前，數控技術的發展日新月異，而CAD/CAM軟件的發展速度遠勝于機床的CNC的發展速度，應用先進的Pro/ENGINEER、MasterCAM等軟件進行CAD/CAM設計加工，各取所長，并將最終的CAM程序傳輸給電腦雕刻機執行，將CNC電腦雕刻和CNC數控加工有機地結合起來。數控銑和CNC加工中心主要用于完成較大銑削量的工件的加工；而CNC電腦雕刻機主要用于完成較小銑削量，工件有較高的表面光潔度或軟金屬的加工。使CNC電腦雕刻成為模具加工不可缺少的輔助加工手段，有著廣泛的前景和應用市場。
作者單位：東莞理工學校
原載：《CAD/CAM與制造業信息化》
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