基于CNC加工技術的復雜曲線構件加工與試驗
為滿足功能、結構及審美需求，復雜曲線構件得以 廣泛應用|1]。傳統成型方式因設備投人低而成為多數 加工企業的首選，但加工產品精度差且操作危險系數 高。隨著現代加工技術的提高，CNC加工中心成為異 型復雜構件加工的首選設備叭通過自動控制系統，勻 速進給，使加工產品表面光潔、精度好、效率高。 筆者從傳統加工方式人手,通過對復雜曲線構件 的分析，比較與探討CNC加工技術的優勢W，旨在實現 復雜曲線構件的高效與精密加工。同時，以一酒架產 品為例，闡述具體試驗過程。1傳統加工方式人們對家具產品審美通常會以各種曲線形零部件 來表現|4\傳統成型方式多以套裁為主，即將要加工 的異型構件制成模板，并以此為依據在基材上畫出構 件輪廓，然后用細木工帶鋸機或線鋸機將板件加工成 異型毛料，再經過靠模銑型加工成成品。圖1所示為畫 線套裁異型構件加工常見的流程。但在實際生產中上述方法存在以下不足：1)零件 精度差。此問題尤以“銑型”工序突出，究其原因，主要 是零件進給速度不均勻，加工面易出現波紋，且當進給 不連續時，刀具在問一■接觸點上局速旋轉，將零件表面 “燒黑”，影響加工面質量。2 ) “畫線”工序要求操作員 分辨并去除材料缺陷、如何最大化利用基材等。“套 裁”工序要求操作員能將“套裁”余量控制在2mm之內。在“銑型”工序中，操作員要注意構件的順恍與逆銑，方 向不對很容易造成構件崩邊，且操作危險系數高。2 CNC加工技術 CNC加工技術是通過數字化信號對刀具運動過 程進行控制％通常自帶有一定繪圖功能的軟件系 統，常用的有CAM-Pm軟件。但對復雜圖形進行編輯 時，常需要借助并兼容其他繪圖軟件，如Aoto-CAD、 Rhino 等。圖2為一實木酒架的零部件圖，加工時可將產品分 解為4個部分，并在CAD軟件中進行模擬排產，以便直 觀地了解材料利用率。且運用CNC加工技術能通過一 次運行同時加工多套產品，可以提高生產效率。針對類似圖2中復雜異型曲線構件，CNC加工技 術具有很大優勢。運用計算機控制切削量及切削速 度，保證切削面平整、光滑。 但在實際制作過程中可以進行如下技術處理：1 ) 圖3為某產品構件一“內直角”轉角處，由于銑刀旋轉， 此處會被加工成圓角（圖中未被加工部分)而影響裝 配。經多次實踐，構件外輪廓切割前，在轉角處執行一 條鉆孔指令，可有效避免“內圓角”缺陷。2 )刀具路徑 優化與控制。CNC加工技術對構件輪廓加工應遵循“外 周逆時針”，“內壁順時針”銑削原則。錯誤的銑削順序 會使構件切削面出現“毛刺”。且當多個構件一起加工時要減少主軸的空駛路徑，以達到生產效率最大化目 的，即保證第一個構件加工的最終位置離下一構件加 工的開始位置距離最短。因此，在制定加工方案時，不 能簡單依靠軟件生成刀具路徑，而往往要根據實際加 工方案進行優化。3)小零件加工。小零件如何固定 為CNC加工中的主要問題。以真空吸附型CNC加工中 心為例，小零件在加工中會受到刀具的巨大切削力。 當構件與臺面接觸面積過小時，零件會發生移位，導致 零件及刀具的損壞。如以案例中零件4為例，將多個零件4編輯成圖4形 式,原因是將多個小零件聯排可以有效提高臺面對構 件的吸附力，保證正常加工。在其外形切割完成后，只 需進行分解，便可得到多個零件4。其中兩構件間距w 應視銑刀直徑而定，值過大則浪費材料，而過小則會損 壞構件。3基于CNC技術的異型構件加工試驗3.1試驗材料與設備試驗材料:砂紙、〇.5mm7jC曲柳覆面18mm厚多層膠 合板，板材厚度約19mm，幅面尺寸為2 440mm x 1220mm;試驗設備:恩德OWEN48加工中心，零件采用真空吸附 固定;軟件系統:Aoto CAD、CAM-Pro;加工刀具:川木 直刀，切削直徑奶mm、08mm。3.2試驗方案該案例產品各零件采用卡口接合自鎖式裝配，對 零件加工精度要求高，尤其是卡槽處。因此，該案例將 采用CNC加工中心對其進行加工。但需注意:漆膜厚 度對卡槽間裝配有影響。案例中4種零件卡槽寬度均 需進行重新編輯，即在原寬度基礎上加寬0.1mm以保 證裝配。3.3試驗步驟 3.3.1分析與設計圖紙設計圖紙并不能立即應用于CAM-Pro進行刀具路 基于CNC加工技術的復雜曲線構件加工與試驗——陳新義劉文金徑的編輯，而常會依據實際需求在CAD或Rhinn中進行 再編輯。案例中，依實際需求，在各零件“內直角”處編 輯預鉆孔位置，并對卡槽寬度進行再編輯，全部加寬0. 1mm3零件長度方向應與基材木紋方向一致。編輯 文件以(W格式保存備用。3.3.2生成刀具路徑、編輯加工參數CNC加工技術是通過計算機控制機床執行，靠參 數化傳輸指令。1)選取刀具、編輯加工參數。將備 用rlxdt件導人CAM-Pro軟件，檢查圖形是否為封閉回 路。若構件輪廓線未能形成封閉回路，則需重新導人 CAD或Rhino軟件中進行再編輯，直至形成封閉回路 為止。案例選取刀具分2個步驟:步驟一，選取<?5mm 直刀對各零件中“內直角”位置進行孔加工,加工深 度19mm;步驟二，選取少8mm直刀加工各零件內、外輪 廓。由于刀具切削深度達19mm，如只進行1次切割，刀 具前進中會受到巨大阻力。為降低加工中斷刀概率， 故切割分2次進行，即每次切削深度為9.5mm。如圖5 所示，選取加工刀具及編輯加工參數。切削進給速度 則根據基材硬度判定，如基材硬則應適當放慢進給速 度，反之則加快進給速度。2)編輯與優化刀具路徑。 選取好加工刀具及加工參數，便可進行加工路徑編輯。 切削方向按照“外沿逆時針、內壁順時針”原則，如圖6 所示。CAM-Pro軟件根據加工刀具方向自動生成的刀 具路徑往往需要經過優化才能達到加工效率最大化, 即減少機器運行中刀具的空駛路徑。圖7為優化后加 工刀具加工順序:鉆孔(Y處）一拉手孔(L處）一零件 外輪廓一分解得到零件4。零件1上拉手孔加工順序應 緊隨鉆孔工序之后，這是因為當零件1從基材上切割下 來后，其真空吸附面積急劇減小，為防止加工拉手孔過程中因吸附力不足造成構件損壞，故應在鉆孔工序完成 之后立即加工拉手孔。3)生成NC代碼、加工零件。各 刀具路徑以及參數調整完成，可在軟件中對加工過程 進行模擬，待準確無誤后輸出NC代碼,而后便可開機 加工。CNC加工中心開始自動加工前由操作人員加 載加工程序(將NC代碼指定給CNC加工中心）、選擇裝 卸刀具、裝夾加工材料1^。布置以及固定好加工材料 后，先對加工程序以及材料的定位進行檢查，即將安全 高度調整到加工深度以外的距離，保證對材料不造 成影響。確認程序以及材料定位無誤，進行實際的 加工生產。3.3.3裝配將各部件從臺面上取出，用砂紙將其邊部毛刺打 磨去除，而后進行涂飾。待漆膜干燥完畢后便可進行 裝配。如圖8所示，酒架成品。4結論CNC加工技術因加工精度及效率高而受到青睞,其能無限復制加工精度且保持同一精度的特征更是統工藝無法比擬的。筆者以一卡槽接合自鎖式酒架的加工試制，探討與分析CMC加工技術對于復雜曲線構件的加工優勢，并闡述了具體試制過程，旨在為此類復雜曲線構件加工提供參考。