摘要：CNC電腦雕刻及數(shù)控銑與加工中心在機(jī)械加工中都有各自的優(yōu)勢，將CNC雕刻和數(shù)控銑相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，相互取長補(bǔ)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(shù)控銑床組合應(yīng)用的聯(lián)合加工策略。
關(guān)鍵詞：數(shù)控雕刻數(shù)控銑床聯(lián)合加工策略
1承包引言
CNC雕刻機(jī)最近幾年在國內(nèi)有較大的發(fā)展，在國外早就有了雕銑機(jī)（CNCEngravingAndMillingMachine）。確切地說，雕是銑的一部分，傳統(tǒng)的數(shù)控銑床、CNC加工中心功率大，加工效率高，機(jī)床穩(wěn)定性較好，但加工銅、鋁等軟質(zhì)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(tǒng)的CNC數(shù)控設(shè)備相比，CNC電腦雕刻機(jī)有著轉(zhuǎn)速高、加工軟質(zhì)材料效率高、表面光潔度高、性價比高等優(yōu)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(dāng)代雕刻制造技術(shù)正經(jīng)歷著從手工雕刻向CNC雕刻的變革。將CNC雕刻和數(shù)控銑相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，相互取長補(bǔ)短無疑是一種明智的選擇，這就是CNC雕刻與數(shù)控銑床的聯(lián)合加工策略，以下對相關(guān)技術(shù)關(guān)鍵略作討論。
2 CNC電腦雕刻及數(shù)控銑與加工中心的對比
2.1機(jī)械部分
機(jī)床機(jī)械由兩個部分構(gòu)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(shù)控銑、CNC加工中心
對數(shù)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(jìn)行重切削。但由于移動部分同樣龐大，犧牲了機(jī)床靈活性，對于細(xì)小的切削和快速進(jìn)給就顯得力不從心。
(2)CNC雕銑機(jī)
雕銑機(jī)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(shè)計得盡可能地輕巧一些，同時保持一定的剛性。如此設(shè)計的CNC雕刻機(jī)就可以進(jìn)行比較細(xì)小的精加工，加工精度較高，對于軟金屬可以進(jìn)行高速加工，但由于移動部分的剛性較差，所以不可能進(jìn)行重切削。如何從機(jī)械結(jié)構(gòu)上解決移動部分重量輕、剛性又好的矛盾，其關(guān)鍵在于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，可采用以下的技術(shù)措施：
1)采用超寬的立柱和橫梁，因為龍門式的結(jié)構(gòu)有極好的對稱性和極佳的剛性，它是高速切削設(shè)備的首選結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的C型床身結(jié)構(gòu)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(shè)計緊湊精密，可確保高剛性，高精度及高動態(tài)特性。機(jī)床的橫梁可采用傾斜30度結(jié)構(gòu)，使主軸鞍座的的重心向后方移動，并且使橫梁的導(dǎo)軌間距盡量加大，如此可大大提高主軸的穩(wěn)定性和剛性。由于立柱的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主軸等移動部件的質(zhì)量，所以為機(jī)床的高速運動和主軸的高速運轉(zhuǎn)及負(fù)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(wǎng)狀箱型架構(gòu)，或直接采用蜂巢相接的內(nèi)六角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，確保底座有足夠的重量以增加機(jī)床的穩(wěn)定性，如此高剛性的底座設(shè)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(jī)床動態(tài)加工的穩(wěn)定性最好，全行程范圍內(nèi)完全支撐立柱，使加工產(chǎn)生的變形量最小。
3)其移動部分與數(shù)控銑顯著的不同之處在于加寬了導(dǎo)軌與導(dǎo)軌之間的距離，以克服不良力矩的影響。
4)由于機(jī)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(qiáng)大沖擊，所以導(dǎo)軌、絲桿要求粗一些，以及加強(qiáng)連接部分的剛性。最后，為了適應(yīng)高速和負(fù)荷切削的雙重要求，X/Y/Z三軸都采用伺服電機(jī)加高精度彈性聯(lián)軸節(jié)連接高精度滾珠絲杠副，所有導(dǎo)軌和絲杠均采用高等級低摩擦系數(shù)、高淬硬層的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，這樣既保證了重載下機(jī)床的剛性，又保證了高速運動的精度，確保機(jī)床在長期連續(xù)高速加工狀態(tài)下的低磨損和精度保持性，可節(jié)省用戶的維護(hù)保養(yǎng)費用。
5)對數(shù)控銑和CNC加工中心，因為要求輸出低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速低是不可避免的，一般數(shù)控銑和CNC加工中心的最高轉(zhuǎn)速6000r/min，不大可能用很小半徑的刀具。但對于CNC雕刻機(jī)來說，主軸通常在20000～30000r/min才可工作，回轉(zhuǎn)精度一般2μ左右，不然斷刀現(xiàn)象會很嚴(yán)重，所以一定要用電主軸或氣動主軸，即電機(jī)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(zhì)材料。對于高速切削設(shè)備來講，要求內(nèi)藏式電主軸，而且在低轉(zhuǎn)速時也要用一定的扭矩，要有油水冷卻機(jī)來保持主軸工作溫度恒定，主軸功率要在7.5～8kW以上，轉(zhuǎn)速要超過25000r/min。
2.2數(shù)控系統(tǒng)
數(shù)控銑與CNC加工中心對數(shù)控系統(tǒng)要求速度一般，主軸轉(zhuǎn)速0～6000r/min左右。而雕銑機(jī)要求高速的數(shù)控系統(tǒng)以及極好的伺服電機(jī)特性，主軸轉(zhuǎn)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(shù)控系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的G指令；
(3)增量進(jìn)給和進(jìn)給倍率在線調(diào)整功能：該操作可以精確設(shè)定進(jìn)給速度；
(4)用戶數(shù)據(jù)輸入（MDI）功能：用戶可以在線輸AG指令并立即執(zhí)行；
(5)單步模式：用戶可以把要執(zhí)行的加工任務(wù)設(shè)置為單步模式；
(6)高速平滑速度連接特性：自適應(yīng)地決定當(dāng)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(jié)果；
(8)仿真功能：可以對加工程序進(jìn)行快速仿真加工，能在極短的時間內(nèi)完成，同時檢查加工程序是否出錯，加工結(jié)果是否滿意，并能準(zhǔn)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(shè)計
目前很多雕刻軟件，都提供了強(qiáng)大的圖形創(chuàng)建、編輯、排版功能，精確繪圖和藝術(shù)繪圖功能，強(qiáng)大的文字處理功能。具有多種任意曲線的藝術(shù)文字排列效果，字型和尺寸任意調(diào)整、編輯；強(qiáng)大的節(jié)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(shè)計
浮雕雕刻軟件提供了方便、快捷地由二維圖形產(chǎn)生三維模型的強(qiáng)大功能，由二維曲線構(gòu)造強(qiáng)烈藝術(shù)效果的藝術(shù)浮雕、復(fù)雜曲面，并將藝術(shù)浮雕與曲面造型完美結(jié)合，使之產(chǎn)生形態(tài)復(fù)雜的雕刻產(chǎn)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(qiáng)大的CAD造型設(shè)計
CAD/CAM模具設(shè)計與制造軟件是目前機(jī)械加工行業(yè)廣為使用且相當(dāng)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(chǎn)生曲面、實體模型等強(qiáng)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(jī)輸入CNC雕刻機(jī)和數(shù)控機(jī)床完成工件加工的強(qiáng)大功能。
(4)方便的數(shù)據(jù)交換功能
軟件之間可直接進(jìn)行二、三維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。CNC雕刻機(jī)與CNC加工中心和數(shù)控銑一樣，其加工基礎(chǔ)是計算機(jī)輔助設(shè)計數(shù)據(jù)，這是雕刻CAD功能的關(guān)鍵所在。目前國內(nèi)外比較先進(jìn)的電腦雕刻軟件的功能各有所長，從軟件的角度上講，數(shù)控銑、CNC加工中心和CNC雕刻機(jī)都可以使用標(biāo)準(zhǔn)的CAD/CAM軟件，CAD/CAM軟件先進(jìn)行產(chǎn)品的3D圖形設(shè)計，然后根據(jù)產(chǎn)品的特點設(shè)計擬定數(shù)控加工工藝，輸入加工參數(shù)，生成刀具路徑，再生成加工程序并輸送到數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)進(jìn)行自動化加工。CNC四軸電腦雕刻機(jī)如圖1所示。
圖1CNC四軸電腦雕刻機(jī)
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(tài)的數(shù)控設(shè)備，主要用于一些固定的大批量的生產(chǎn)作業(yè)。但對于模具行業(yè)和小批量生產(chǎn)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(dāng)數(shù)控銑來使用。使用刀庫對數(shù)控系統(tǒng)來講很簡單，但主軸和刀庫、空壓機(jī)以及各種刀柄等會增加成本，而且編程、調(diào)整刀庫也要花費相應(yīng)的時間。所以，對于生產(chǎn)同一品種而工件數(shù)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(tǒng)，刀往上一裝，一個按鈕，機(jī)床自動對刀，直接加工，誤差在0.001～0.0003mm內(nèi)，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(jī)床與不帶刀庫，但有自動對刀裝置的機(jī)床相比，實踐中的效率后者遠(yuǎn)高于前者。對于國內(nèi)的制造業(yè)，特別是模具生產(chǎn)企業(yè)來說，一般都是單件生產(chǎn)，而且勞動力資源充足，所以，對于小批量工業(yè)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(shè)備，更何況國內(nèi)廠家的刀庫系統(tǒng)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(lián)合加工策略的應(yīng)用
隨著生產(chǎn)水平的不斷提高，CNC高速機(jī)床也得到模具制造商們的青睞，高速切削的本質(zhì)就是把刀具的行走的長度在短時間內(nèi)走完，由于其自身優(yōu)良的特性，可以大幅度地提高加工效率，從而可以降低生產(chǎn)成本。高速CNC加工中心的轉(zhuǎn)速可達(dá)40000r/min，但高速機(jī)的使用目前存在很多問題，首先是高速加工經(jīng)驗問題，很多編程人員在高速機(jī)面前不知道如何采用切削用量，對切削用量的認(rèn)識，往往憑借的是經(jīng)驗和感覺，而這些經(jīng)驗和感覺是在低速CNC機(jī)床積累的。所以，面對高速機(jī)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(yīng)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(zhuǎn)速，決定了機(jī)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(yīng)的高速，進(jìn)行高速加工。而不同公司的刀具參數(shù)也是大相徑庭的，所以編程人員需要加工刀具的相關(guān)技術(shù)資料。和普通低速CNC機(jī)床相比，由于機(jī)床的功率是一定的，主軸轉(zhuǎn)速越快，其所能承受的切削力將越小，所以高速機(jī)加工時，吃刀量相應(yīng)要小。只有將機(jī)床、刀具、加工材料、加工性質(zhì)等結(jié)合起來才能摸索出最佳的切削用量，產(chǎn)生最佳的生產(chǎn)效率。
針對這種情況，經(jīng)權(quán)衡利弊后可采用以下的加工工藝：由于目前國內(nèi)適合重切削的機(jī)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(shù)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(jī)上快速完成。轉(zhuǎn)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(jìn)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(wù)都在CNC電腦雕刻機(jī)上完成。
4 結(jié)束語
目前，數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展，而CAD/CAM軟件的發(fā)展速度遠(yuǎn)勝于機(jī)床的CNC的發(fā)展速度，應(yīng)用先進(jìn)的Pro/ENGINEER、MasterCAM等軟件進(jìn)行CAD/CAM設(shè)計加工，各取所長，并將最終的CAM程序傳輸給電腦雕刻機(jī)執(zhí)行，可將CNC雕刻和CNC數(shù)控加工有機(jī)地結(jié)合起來。數(shù)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(jī)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(lián)合加工策略的應(yīng)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(yīng)用前景。
