家具雕刻的数控加工彭有升

家具雕刻的数控加工彭有升

彭有升

华鹤集团金鹤门业发展有限公司技术部161000

摘要：为了提高加工精度，减少铣刀的种类，加工时可采用直径比转角半径更小的铣刀，先铣转角的中间部分，然后用刀具半径补偿功能来铣转角的两边，以达到提高表面的加工精度的目的。外形铣削刀具路径是由沿着工件外形的一系列线、弧所组成的刀具路径。外形铣削通常用于加工二维或三维工件的外形，二维外形铣削刀具路径的切削深度固定不变，而三维外形铣削刀具路径的切削深度随工件外形的位置变化而变化。在加工家具雕刻件时，外轮廓有时候和加工基准面的相交部分时常通过这种方法加工。

关键词：雕刻加工中的曲面铣削与生成数控加工程序的CAM流程

一、雕刻加工中的曲面铣削

在家具雕刻加工中主要应用到的是曲面铣削，结合木材的材性，应注意：

1）粗铣时应根据被加工曲面给出的余量，用立铣刀按等高面一层一层地铣削，这种铣削方式效率高。粗铣后的曲面类似于山坡上的阶梯田。台阶的高度视粗铣精度而定。粗加工给半精加工的余量为0.5mm～1mm。

2）半精铣的目的是洗掉“梯田”的台阶，使被加工表面更接近于理论曲面，采用球头铣刀或圆弧刀加工，一般为精加工工序留出0.2mm-0.5mm左右的加工余量。半精加工的行距和步长可比精加工大。

3）精加工，最终加工出理论曲面。用球头铣刀精加工曲面时，一般用行切法。对于开敞性比较好的零件而言，行切的接近点应选在曲面的外面，即在编程时，应把曲面向外延伸一些。对开敞性不好的零件表面，由于折返时切削速度的变化，很容易在已加工表面上及检查面上留下由于停顿和振动产生的刀痕。所以在加工和编程时，一是要在折返时降低进给速度，二是被加工曲面折返点应稍离开检查面。对曲面与检查面相贯线应单作一个清根程序另外加工，这样就会使被加工曲面与检查面光滑连接，而不致产生很大的刀痕。

4）球头铣刀在铣削曲面时，其刀尖处的切削速度很低，如果用球刀垂直于被加工面铣削比较平缓的曲面时，球刀刀尖切出的表面质量比较差，所以应适当地提高主轴转速，另外还应避免用刀尖切削。

5）避免垂直进刀，平底立铣刀可有两种，一种是端面有顶尖孔，其切削刃不过中心；另一种是端面无顶尖孔，端刃相连且过中心。在铣削曲面时，有顶尖孔的立铣刀绝对不能像钻头似的向下垂直进刀，除非预先钻有工艺孔，否则会把铣刀顶断。如果用无顶尖孔的立铣刀可以垂直向下进刀，但由于刀刃角度太小，轴向力很大，所以也应尽量避免，最好的办法是向斜下方进刀，进到一定深度后再用侧刃横向切削。在铣削凹槽面时，可以预钻出工艺孔以便进刀。用球头铣刀垂直进刀的效果虽然比平底的端铣刀要好。但也因轴向力过大，影响切削效果，最好不使用这种进刀方式。

6）在加工带有复杂曲面的雕刻零件时，一般需要较长的周期，因此在每次开机铣削前应对机床、夹具、刀具进行适当的检查，以免在中途发生故障，影响加工精度，甚至造成废品。

7）在加工难度较大的雕刻件时，对于铣削比较困难的部位，如果加工表面粗糙度较差，应适当多留些修锉余量；而对于平面、直角沟槽等容易加工的部位，应尽量降低加工表面粗糙度，减少修锉工作量，避免因大面积修锉而影响雕刻面的精度。

二、生成数控加工程序的CAM流程

整个家具雕刻数控加工程序的CAM流程如图：（图1）

2.1选择合适的夹具装置

零件的数控加工大都采用工序集中原则，加工的部位较多，同时批量较小，零件更换周期短，夹具的标准化、通用化和自动化对加工效率的提高及加工费用的降低有很大影响。夹具的选择就很重要了。选择什么样的夹具、加紧的方式对加工都很重要，对后面的数控编程也很重要，要考虑到走刀的时候不跟这些夹具有干涉的现象。所以在编程以前选择合适的夹具很重要。

2.2夹具的分类

夹具按照结构类型可分为通用类、组合类与专用类夹具3种：

1）通用类夹具

为可换支承钳口、气动类夹紧通用虎钳。该系统夹紧时由压缩空气使活塞7下移，带动杠杆1使活动钳口2右移，快速调整固定钳口宽度，由手柄5反转而使支承板4的凸块从槽中退出完成对工件的装夹。

为数控铣床上通用的可调夹具系统。该系统由图示基础件和另外一套定位夹紧调整件组成。基础件1为内装立式油缸2和卧式液压缸3的平板，通过销4与5和机床工作台的一个孔与槽对定，夹紧元件可从上或侧面把双头螺杆或螺栓旋入液压缸活塞杆，不用的定位孔用螺塞封盖。

2）组合类夹具

现代组合夹具的结构主要分为孔系与槽系两种基本形式，两者各自有其长处。槽系为传统组合夹具的基本形式，生产与装配积累的经验越多，可调性越好。在近30余年中为世界各国广泛应用。孔系为新兴的结构，结构刚性上比有纵横交错的槽更好。由于孔比槽易加工，孔系组合夹具制造工艺性好，组装中靠高度精度的销孔定位，比需费时测量的槽系组合夹具操作简单。

3）专用类夹具

对于批量较大，且周期投产，加工精度要求较高的关键工序应设计专业夹具，以保证加工精度和提高装夹效率。对于家具雕刻件来说，有很多特殊形状的零件在编程之前就要设计出专用夹具，以便在编程时考虑走刀路径，避免碰撞。

2.3确定合适的加紧方式

考虑加紧方案时，加紧力应力求通过和靠近中心点上，或在支持点所组成的三角区之内，应力求靠近切削部分，并在刚性较高的地方，尽量不要在被加工孔上方进行夹压。现在的数控机床大多数都采用的是气压加紧，关键是要设计气孔的位置。在夹具雕刻中有很多是透雕，气孔的位置非常的重要。旋转合适的加紧方式对后面的数控编程也是有影响。

2.4选择有足够的刚性和强度的夹具方案

夹具的主要任务是保证零件的加工精度，因此要求必须具备足够的刚性和强度，以及下面几点：

1）装卸零件方便，加工中易于观察零件的加工情况。

2）压板、螺钉、气孔等加紧元件的几何尺寸要适当，不能影响加工路线和刀具交换。

3）因数控铣床主轴端面至工作台间有一最小距离，夹具的高度应能保证刀具下到待加工面。

4）便于在机床上测量。

5）夹具应能够满足只对首件零件对刀找正的条件下保证一批零件加工尺寸的一致性要求。

2.5铣削加工刀具选择

在数控机床上使用到的刀具很多，但是用在家具雕刻件上的刀具有以下几种。

1）立铣刀

立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，它们可同时进行切削，也可单独进行切削。立铣刀端面刃主要用来加工与侧面相垂直的底平面。

为了提高加工精度，减少铣刀的种类，加工时可采用直径比转角半径更小的铣刀，先铣转角的中间部分，然后用刀具半径补偿功能来铣转角的两边，以达到提高表面的加工精度的目的。

2）模具铣刀

模具铣刀由立铣刀发展而成，可分为口锥形立铣刀、四柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀3种，其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄。它的结构特点是球头或端面上布满了切削刃，圆周刃与球头刃圆弧连接，可以作径向和轴向进给。

铣刀工作部分用高速钢或硬质合金制造。为高速钢制造的模具铣刀。小规格的硬质合金模具铣刀多制成整体结构，0.16mm以上直径的，制成焊接或机夹可转位刀片结构。

2.6Mastercam提供的刀具路径功能

虽然家具雕刻件的建模是在Art中完成，且Relief的加工设置也是在Relief中的加工模块中完成的，但是要完成整个加工Mastercam中的加工路径功能还是必不可少的。

2.7二维刀具路径

在Mastercam中，二维刀具路径包括外形铣削、挖槽、钻孔、面铣削、全圆铣削等刀具路径。在家具数控雕刻过程中，部分加工还是需要建立二维刀具路径进行加工。

1）外形铣削加工（Contour）

外形铣削刀具路径是由沿着工件外形的一系列线、弧所组成的刀具路径。外形铣削通常用于加工二维或三维工件的外形，二维外形铣削刀具路径的切削深度固定不变，而三维外形铣削刀具路径的切削深度随工件外形的位置变化而变化。在加工家具雕刻件时，外轮廓有时候和加工基准面的相交部分时常通过这种方法加工。

在主菜单中选择Toolpaths→Contour命令，在绘图区选取二维曲线串联或三维曲线串联后单击Done按钮。系统弹出Contour（2D）对话框，选择Contourparameters选项，出现外形铣削刀具路径特有的参数选项卡。

2）挖槽加工（Pocket）

挖槽加工主要用来切除内封闭外形所包围的材料或切削一个槽。在主菜单中选择Toolpath→pocket命令，弹出串联菜单，在串联时首先连接外形，然后连接内部岛屿（即凸起的轮廓）。当串联完成后，单击Done按钮，弹出挖槽加工刀具路径参数对话框，挖槽加工刀具路径由两组主要的参数来设置：挖槽参数（Pocketingparameter）和粗加工/精加工参数（Roughing/Finishingparameter）。在家具雕刻中有很多地方会遇到这种加工，有些造型是下凹的槽时，这种加工更为精确。

3）钻孔（Drill）

钻孔刀具路径主要用于钻孔、镗孔和攻螺纹等加工，对于家具雕刻来讲主要时用在钻孔上面，比如透雕里面龙的眼睛。

4）面铣削加工（Face）

面铣削加工是将工件表面铣削指一定深度，为下一次加工做准备，可以铣削整个加工的表面，也可以通过选取串联铣削其包围区域。在家具雕刻中，浮雕的加工基准面就可以用这种加工完成。在Facing对话框中单击Facingparameiers选项，打开Facingparameter选项卡。

2.8曲面加工刀具路径

曲面加工刀具路径用来加工曲面、实体或实体表面。系统提供了7种粗加工刀具路径和10种精加工刀具路径。每种曲面刀具路径都有其特有的特征及参数。在主菜单中选择Toolpaths→Surface→Rough选项，打开SurfaceRoughing子菜单，出现7种粗加工刀具路径供选择。

1）平行铣削（Parallel）：沿着某一特定角度生成一组相互平行的粗加工刀具路径。

2）放射状（Radial）：生成放射状的粗加工刀具路径。

3）投影加工（Project）：将已有的刀具路径或几何图形投影到选择的曲面上生成的粗加工刀具路径。

4）曲面流线（Flowline）：沿曲面流线方向生成的粗加工刀具路径。

5）等高外形（Contour）：沿曲面的等高线生成粗加工刀具路径。

6）挖槽（Pocket）：依曲面形态，在方向下降生成的粗加工刀具路径。

7）抽削（Plunge）：切削所有位于曲面与凹槽边界材料生成的粗加工刀具路径。

在主菜单中选择Toolpaths→Surface→finish命令，打开Surfacefinishing子菜单，出现10种精加工刀具路径供选择。

1）平行铣削（Parallel）：沿着某一特定角度生成一组相互平行的精加工刀具路径。

2）陡斜面加工（Par.Steep）：生成用于清除曲面斜坡上残留材料的精加工刀具路径，斜坡面由两斜坡角度决定。

3）放射状（Radial）：生成放射状的精加工刀具路径。

4）投影加工（Project）：将已有的刀具路径或几何图形投影到选取的曲面上生成加工刀具路径。

5）曲面流线（Flowline）：沿曲面流线方向生成精加工刀具路径。

6）等高外形（Contour）：沿曲面外形生成精加工刀具路径。

7）浅平面加上（Shallow）：生成用于清除曲面浅面积部分残留材料的精加工刀具路径，浅面积也由两斜坡角度决定。

8）交线清角（Pencil）：生成用于清除曲面间的交角部分残留材料的精加工刀具路径。

9）清除残料（Leftover）：产生J1具路径用于清除因直径较大刀其加工所残留材料的精加工刀具路径。

10）等距环绕（Scallop）：生成等距环绕工件曲而的精加工刀具路径。