CNC雕刻與數控銑床的聯合加工策略

摘 要：CNC電腦雕刻及數控銑與加工中心在機械加工中都有各自的優勢，將CNC雕刻和數控銑相結合，充分發揮各自的優勢，相互取長補短無疑是一種明智的選擇。基于利弊對比，本文討論一種將CNC雕刻與數控銑床組合應用的聯合加工策略。　　
關鍵詞：數控雕刻 數控銑床 聯合加工策略
Abstract:There exist respective advantages in mechanism machining for CNC engraving machine, numerical control milling machine and processing center. It is a wise choice without fail to combine CNC engraving with numerical control milling machine, to exert fully in respective advantages and to learn from other’s strong points to offset one’s weakness each other. Based on comparison of advantages and disadvantages, the paper discussed a sort of combining machining strategy based on compounding application CNC engraving with numerical control milling machine.
Key Words: CNC engraving Numerical control milling machine Combining machining strategy
[中圖分類號] TP273 [文獻標識碼]B 文章編號
1 引 言
CNC雕刻機最近幾年在國內有較大的發展，在國外早就有了雕銑機（CNC Engraving And Milling Machine）。確切地說，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，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。將CNC雕刻和數控銑相結合，充分發揮各自的優勢，相互取長補短無疑是一種明智的選擇，這就是CNC雕刻與數控銑床的聯合加工策略，以下對相關技術關鍵略作討論。　　
2 CNC電腦雕刻及數控銑與加工中心的對比
2.1 機械部分
機床機械由兩個部分構成：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
對數控銑與CNC加工中心的非移動部分和移動部分剛性要求高，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。如此設計的CNC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。如何從機械結構上解決移動部分重量輕、剛性又好的矛盾，其關鍵在于機械結構設計，可采用以下的技術措施：
　　1) 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，可確保高剛性，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，并且使橫梁的導軌間距盡量加大，如此可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，采用高低筋配合的網狀箱型架構，或直接采用蜂巢相接的內六角網狀結構，確保底座有足夠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) 其移動部分與數控銑顯著的不同之處在于加寬了導軌與導軌之間的距離，以克服不良力矩的影響。
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，以及加強連接部分的剛性。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，這樣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，可節省用戶的維護保養費用。
5) 對數控銑和CNC加工中心，因為要求輸出低轉速大扭矩，需要采用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，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20000～30000r/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。
2.2數控系統
　　數控銑與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。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；
(3) 增量進給和進給倍率在線調整功能：該操作可以精確設定進給速度；
(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；
(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，可消除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；
(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，并能準確地計算出實際加工所需要的時間。
2.3 編程軟件
(1) 多樣的二維設計
目前很多雕刻軟件，都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
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
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程序，由計算機輸入CNC雕刻機和數控機床完成工件加工的強大功能。
(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加工中心和CNC雕刻機都可以使用標準的CAD/CAM軟件，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，再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。CNC四軸電腦雕刻機如圖1所示

圖1 CNC四軸電腦雕刻機
2.4 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，主要用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，很多廠家買加工中心當數控銑來使用。使用刀庫對數控系統來講很簡單，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，對于生產同一品種而工件數量少的加工盡量不要使用加工中心，因為成本高、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0.001～0.0003mm內，與自動換時間相比，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系統還存在不少問題，圖2為某加工中心視圖。

圖2 加工中心
3 聯合加工策略的應用
　　隨著生產水平的不斷提高，CNC高速機床也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，但高速機的使用目前存在很多問題，首先是高速加工經驗問題，很多編程人員在高速機面前不知道如何采用切削用量，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，因為所選擇的刀具決定了能用的轉速，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，經權衡利弊后可采用以下的加工工藝：由于目前國內適合重切削的機床很多，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，可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，則可把全部的加工任務都在CNC電腦雕刻機上完成。
4 結束語
目前，數控技術的迅速發展，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，可將CNC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雕刻機主要用于完成銑削量較小而且工件有較高的表面光潔度或軟金屬的加工，聯合加工策略的應用將使CNC雕刻成為模具加工不可缺少的加工手段，有著廣泛的應用前景。