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。本文較為詳盡地講述了CNC電腦雕刻機(jī)和數(shù)控銑、加工中心的機(jī)器結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等方面的關(guān)系，并介紹了運(yùn)用MasterCAM等軟件進(jìn)行CAM編程，在電腦雕刻機(jī)加工模具型芯的工藝。
圖1 CNC四軸電腦雕刻機(jī)
CNC電腦雕刻機(jī)最近幾年在國內(nèi)有較大的發(fā)展，在國外很早就有雕銑機(jī)的名詞（CNC Engraving And Milling Machine）。嚴(yán)格地講，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(diǎn)，而高速CNC加工中心雖然可以克服以上的缺點(diǎn)，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(diǎn)。
一、CNC電腦雕刻機(jī)與數(shù)控銑、加工中心的對比
1.機(jī)械部分
通用機(jī)床的機(jī)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(shù)控銑、CNC加工中心
數(shù)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(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電腦雕銑機(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(jì)得盡可能地輕巧一些，同時保持一定的剛性。如此設(shè)計(jì)CNC電腦雕刻機(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。所以如何從機(jī)械結(jié)構(gòu)上解決移動部分重量又輕、剛性又好的矛盾，關(guān)鍵在于機(jī)械結(jié)構(gòu)上的功夫。這里可采用以下的方法：
1)設(shè)計(jì)采用超寬的立柱和橫梁，因?yàn)辇堥T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(yùn)動軸及相對慣性低，設(shè)計(jì)緊湊精密，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，并且使得橫梁的導(dǎo)軌間距盡量加大，如此大大提高主軸的穩(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(yùn)動和主軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)及負(fù)荷切削提供了堅(jiān)實(shí)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(wǎng)狀箱型架構(gòu)，或直接采用蜂巢的相接的內(nèi)六角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，底座必須有一定的重量以增加機(jī)床的穩(wěn)定性，如此高剛性的底座設(shè)計(jì)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)對于移動部分有與數(shù)控銑顯著的不同之處是加寬了很多導(dǎo)軌與導(dǎo)軌之間的距離，以克服不良力矩的問題。
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，既保證了重載下機(jī)床的剛性，又保證了高速運(yùn)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，節(jié)省用戶的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。
5)對于數(shù)控銑和CNC加工中心，因?yàn)橐筝敵龅娃D(zhuǎn)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(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，所以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2～3萬r/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.數(shù)控部分
數(shù)控銑、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。現(xiàn)在的高速數(shù)控系統(tǒng)，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(wěn)，而且可與國內(nèi)外各種雕刻機(jī)、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(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，也支持通過機(jī)床輸入設(shè)備，如手持設(shè)備等操縱機(jī)床，同時內(nèi)嵌地支持通過計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)完成手動操作。
(3)增量進(jìn)給和進(jìn)給倍率在線調(diào)整功能：方便用戶精確設(shè)定進(jìn)給量，且步長和進(jìn)給倍率可靈活調(diào)整。
(4)用戶數(shù)據(jù)輸入（MDI）功能：用戶可以在線輸A G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，從而為錯誤診斷和故障恢復(fù)提供了良好的支持。
(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，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(jié)果，從而可以更準(zhǔn)確、更直觀的對加工結(jié)果有所了解。
(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)確的計(jì)算出實(shí)際加工所需要的時間。
3.編程軟件
(1)多樣的二維設(shè)計(jì)
目前的雕刻軟件如Type4，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(diǎn)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(jì)
Type4等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(jì)
MasterCAM等CAD/CAM模具設(shè)計(jì)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(shí)體模型等強(qiáng)大功能，而且具有對圖形、曲面、實(shí)體模型直接編制刀具路徑，通過模擬刀具路徑驗(yàn)證NC程式，由計(jì)算機(jī)輸入CNC電腦雕刻機(jī)、數(shù)控機(jī)床來完成工件的加工的強(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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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，CNC雕刻機(jī)都可以使用標(biāo)準(zhǔn)的CAD/CAM軟件，如Pro/ENGINEER、MasterCam、Cimatron、UG等。生產(chǎn)中，通常運(yùn)用Pro/ENGINEER、MasterCAM等先進(jìn)的CAD/CAM軟件先進(jìn)行產(chǎn)品的3D圖形設(shè)計(jì)，然后根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)設(shè)計(jì)擬定數(shù)控加工工藝，輸入加工參數(shù)，生成刀具路徑，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。實(shí)際生產(chǎn)中，我們充分利用了我校自行設(shè)計(jì)的CNC電腦雕刻機(jī)，將MasterCAM編制的CAM程序輸送到雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)來加工模具的銅電極和小型鋼件，由于雕刻機(jī)的轉(zhuǎn)速高達(dá)40000r/min，進(jìn)給率也很高，大大提高了加工效率和質(zhì)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(tài)的數(shù)控設(shè)備，主要是對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，很多的廠家買加工中心當(dāng)數(shù)控銑來使用。使用刀庫對數(shù)控系統(tǒng)的成本上來講很簡單，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(fèi)相應(yīng)的時間。所以，對于生產(chǎn)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(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～.0003mm內(nèi)，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(jī)床與不帶刀庫，但有自動對刀裝置的機(jī)床相比，實(shí)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)廠家的刀庫基本上還存在很多問題。
二、應(yīng)用策略
隨著科技的日新月異，CNC高速機(jī)床日益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，目前國內(nèi)使用較多，性價比較好的有德國DMG生產(chǎn)高速機(jī)。但高速機(jī)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(jī)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(shù)模具廠的CNC編程人員都是在工廠跟師傅從學(xué)徒成長起來的，他們往往有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但缺少系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，對切削用量的認(rèn)識，往往憑借的是經(jīng)驗(yàn)和感覺，而這些經(jīng)驗(yàn)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?yàn)槟闼x擇的刀具決定你能用的轉(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)衡后可采用以下的加工工藝：由于目前國適合重切削機(jī)床很多，加工費(fèi)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，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?yàn)榧庸ο笠呀咏尚危缘谝坏兜那邢髁亢芫鶆颍刹捎眠M(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，則可以全部的加工任務(wù)都在CNC電腦雕刻機(jī)上完成。我們充分利用了我校自行設(shè)計(jì)的CNC電腦雕刻機(jī)進(jìn)行了嘗試，由于雕刻機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)40000r/min，可有效地進(jìn)行高速加工。用于高速加工復(fù)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(jī)的模具，該零件有許多按鍵及屏幕的凹的型腔，是一個復(fù)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(zhuǎn)速1.1～2.0萬r/min，刀具吃刀深度0.5～0.8mm，進(jìn)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(xì)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(jī)床所用的銅電極，包括石墨電極和紫銅電極等，采用相應(yīng)的刀具，在加工相當(dāng)復(fù)雜的型面時的進(jìn)給速度可達(dá)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(zhì)量。
三、結(jié)束語
目前，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展日新月異，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(jì)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，將CNC電腦雕刻和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電腦雕刻機(jī)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(yīng)用市場。
作者單位：東莞理工學(xué)校
原載：《CAD/CAM與制造業(yè)信息化》
