摘要：本文利用精雕机床小刀具加工的特点进行表壳手板的加工。采用非标准小刀具使精雕机床能够实现手板在 加工中心、数控铣上无法完成的小尺寸加工。采用角度分区的曲面精加工方法，在保证曲面加工质量的同时有 效地提高了加工效率。...

本文利用精雕机床小刀具加工的特点进行表壳手板的加工。采用非标准小刀具使精雕机床能够实现手板在 加工中心、数控铣上无法完成的小尺寸加工。采用角度分区的曲面精加工方法，在保证曲面加工质量的同时有 效地提高了加工效率。
—、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 曰益激烈，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C N C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：
CNC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C N C雕刻机和J DPaint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，二者之间的差别、 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3 7 0w的转 速范围为1 0000~24000rpm，主 轴外径为80、功率1 200w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。
JDPain t软件为精雕C N C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33.0mmx24.5mmx6.77mm。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Ra1.6;
◎工件表面无缺陷，圆角部位无
残料：
◎凹槽曲面的最小圆角为 R0.4mm；
◎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。毛还尺寸：
25mmx25mmx42mm0
◎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 命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，因此选择命3.175的球头刀 半精加工曲面，选择命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，选择命2mm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，米用 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JDPaint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 削加工米用K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/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/轴进给量控制刀具路 径的疏密程度，在比较平坦的表面上，
/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NC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自 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^ 率低的缺陷。根据曲面特点及JDPainl 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，
认该曲面为平坦曲面选择平行刀路或J 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。
⑵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 刀面和两个刀刃一锥刀的端部包括前 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 JDPain t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 J DPaint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数控设备网络化集成制造技术是现代企业实现制造资源共享、提高现代制造系统的效益并减少风险，使企 业能优质、高效地设计和制造的必然需要。本文探讨了利用网络技术，实现CAD/CAE/CAM系统与底层数控加 工设备的集成，实现产品的远程设计、制造和无纸化生产。