CNC雕刻零件表面粗糙度影響因素的試驗研究*

穆存遠(yuǎn) 呂 明 葛 震

（①沈陽建筑大學(xué)，遼寧沈陽 110168;②沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870）

傳統(tǒng)的雕刻是手工業(yè)的一個分支，加工產(chǎn)品的質(zhì)量取決于雕刻人員的技巧。因為雕刻技能的繼承性比較差，所以該行業(yè)的發(fā)展十分緩慢。在近十幾年中，由于計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)在機械制造、金融、交通和管理等生產(chǎn)流通領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，極大地推動了這些行業(yè)的發(fā)展。多年來，人們一直希望這些先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)能應(yīng)用到雕刻這個傳統(tǒng)而古老的行業(yè)中，計算機數(shù)控雕刻技術(shù)（簡稱 CNC雕刻技術(shù)）和計算機數(shù)控雕刻機（簡稱 CNC雕刻機）的出現(xiàn)終于把人們這個多年的夢想變成了現(xiàn)實。

CNC雕刻技術(shù)是傳統(tǒng)雕刻技術(shù)和數(shù)控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它秉承了傳統(tǒng)雕刻精細(xì)輕巧、靈活自如的操作特點，同時利用了傳統(tǒng)數(shù)控加工中的自動化技術(shù)，并將二者有機地結(jié)合在一起，成為一種先進(jìn)的雕刻技術(shù)。CNC雕刻集計算機輔助設(shè)計技術(shù)（CAD技術(shù)）、計算機輔助制造技術(shù)（CAM技術(shù)）、數(shù)控技術(shù)（NC技術(shù)）和精密制造技術(shù)于一體，是目前最先進(jìn)的切削加工技術(shù)，代表了最先進(jìn)的雕刻技術(shù)。使用CNC雕刻技術(shù)已經(jīng)成為雕刻行業(yè)的一種潮流。

精密雕刻成型作為產(chǎn)品設(shè)計新型的現(xiàn)代化手段和實現(xiàn)方法，大幅度縮短了研發(fā)周期，在產(chǎn)品研發(fā)實踐中正在逐步得到廣泛應(yīng)用。雕刻成型的質(zhì)量受尺寸精度和表面粗糙程度兩個因素的影響，其中尺寸精度取決于所設(shè)置的精度數(shù)值和CN成型方法，而表面粗糙程度則取決于所用刀具角度、雕刻刀具轉(zhuǎn)速、重疊率以及切削液使用情況等因素。

表面粗糙度是已加工表面的微觀幾何特性，表面粗糙度值的大小直接影響零件的外觀質(zhì)量、工作性能和加工成本。掌握粗糙度的變化規(guī)律對優(yōu)化和合理選用切削參數(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。

鋁合金ZL301是典型的鋁－鎂二元合金，其密度僅為2.55 g/cm3，熔點550℃，可在200℃以下工作。在此溫度下，表面易于形成致密的氧化膜，故不容易被進(jìn)一步氧化，有較強的抗腐蝕能力。在金屬切削加工中，切削液會產(chǎn)生環(huán)境污染，同時也對人體有害，它的使用受到了越來越多的限制。低溫冷風(fēng)切削是一種新興的切削加工方法，使用干式切削和低溫冷風(fēng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的冷卻液，大大改善了加工環(huán)境，符合ISO14000環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和國家可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策要求。加工方式的改變，勢必會引起一系列的變化，其中表面粗糙度的變化是必然的。通過試驗研究找出干式切削和低溫冷風(fēng)切削表面粗糙度的變化規(guī)律，進(jìn)而獲得表面粗糙度的經(jīng)驗公式無疑是很有意義的。

1 試驗條件和方案

試驗對象:ZL301，σb=247～298 MPa，σs=212 ～233 MPa，δ=1.2% ～7.7%，硬度60 HB。

試驗雕刻機:JDEM精密型雕刻機，主電動機額定功率370 W，主軸最高轉(zhuǎn)速n=24 000 r/min。

試件尺寸:20 mm×20 mm，雕刻深度:3.5 mm，吃刀深度:0.5 mm，刀具型號:錐刀（90－0．2）°。

2 曲面雕刻功能的選擇

（1）選擇待雕刻曲面。所有的曲面類型，包括藝術(shù)曲面（網(wǎng)格曲面）、幾何曲面和通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口輸入的曲面都可以被雕刻;一次雕刻曲面?zhèn)€數(shù)可以是1張，也可以是多張;選擇曲面的同時，也可以選擇一組輪廓曲線，限定刀具的雕刻范圍。

（2）選擇“刀具路徑”菜單中的“曲面雕刻”功能，系統(tǒng)彈出“曲面雕刻參數(shù)”對話框，如圖1。

曲面雕刻功能可以單獨生成曲面粗雕刻路徑或精雕刻路徑，也可以同時生成兩種路徑，這取決于是否選擇相應(yīng)的刀具。選擇粗雕刻刀具，系統(tǒng)生成粗雕刻路徑;選擇精雕刻刀具，系統(tǒng)生成精雕刻路徑。如果沒有選擇任何刀具，系統(tǒng)將不生成刀具路徑。

（3）確認(rèn)雕刻參數(shù)后，單擊“確定”按鈕，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定的參數(shù)計算曲面雕刻路徑。

3 曲面雕刻參數(shù)的設(shè)置

生成曲面雕刻路徑的關(guān)鍵步驟是設(shè)置雕刻參數(shù)。曲面雕刻參數(shù)主要用于設(shè)定毛坯形狀、使用刀具、走刀方式、進(jìn)給量、雕刻余量和走刀速度等工藝參數(shù)。為了便于使用，系統(tǒng)將這些參數(shù)分成5組，包括曲面參數(shù)、粗雕參數(shù)、精雕參數(shù)、操作設(shè)置和計算設(shè)置等。每組中的參數(shù)含義不同，對曲面路徑的影響也不盡相同。影響曲面雕刻路徑的參數(shù)包括下列5個方面:

（1）曲面參數(shù) ①定義毛坯形狀（起始高度、雕刻深度、底面雕刻效果、側(cè)面角度）;②選擇粗雕刀具（型號和尺寸）;③選擇精雕刀具（型號和尺寸）。

（2）粗雕參數(shù) ①設(shè)置進(jìn)給量（路徑重疊率、間距）;②選擇走刀形式（分層行切、分層環(huán)切、投影加深）;③設(shè)置走刀參數(shù)（路徑角度、從里向外環(huán)切、分層開槽、開槽次數(shù)）;④設(shè)置粗雕余量（表面預(yù)留、側(cè)邊預(yù)留）。

（3）精雕參數(shù) ①設(shè)置進(jìn)給量（路徑重疊率、間距）;②設(shè)置修邊參數(shù)（修邊一次、修邊量）;③選擇走刀方式（平行截線、環(huán)繞等距、中心放射、曲面流線）;④設(shè)置精雕余量（表面預(yù)留、側(cè)邊預(yù)留）。

（4）操作設(shè)置 ①粗雕操作參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、切割速度、開槽速度、落刀延遲等）;②精雕操作參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、切割速度、落刀延遲等）。

（5）計算設(shè)置 ①曲線精度、曲面精度;②全局參數(shù)（修改后將在以后所有的路徑計算中有效）。

曲面精雕刻側(cè)向進(jìn)給量由路徑間距設(shè)定。為保證曲面質(zhì)量，路徑重疊率一般不能小于60%。

4 實驗結(jié)果

選擇刻刀轉(zhuǎn)速為10 000 r/min和17 000 r/min對應(yīng)不同重疊率進(jìn)行雕刻加工，得到響應(yīng)的雕刻時間和粗糙度數(shù)值如表1、圖2和圖3所示。

表1

5 結(jié)論與分析

被雕刻表面粗糙度和所用加工時間不同的主要原因是重疊率不同。此外被雕刻表面粗糙度還與刀具的設(shè)置有關(guān)。

（1）路徑重疊率越大、路徑間距越小，雕刻時間越長，表面質(zhì)量越光滑。當(dāng)重疊率≥50%時，被雕刻表面粗糙度數(shù)值≤6.3 μm。當(dāng)重疊率≥70%時，雕刻時間明顯增加。所以從雕刻效率和表面粗糙度兩方面來考慮，最優(yōu)重疊率應(yīng)選在50% ～70%之間。

（2）刀具轉(zhuǎn)速越高，表面粗糙度數(shù)值越小（越光滑），重疊率在≤70%時，刀具轉(zhuǎn)速的高低對雕刻時間的長短幾乎沒有影響。

（3）粗雕時刀具的設(shè)定:曲面粗雕刻路徑用于快速切除待雕刻材料，獲得曲面的大致外形。只有選擇粗雕刻刀具后，系統(tǒng)才會生成粗雕刻路徑。如果毛坯形狀比較接近曲面雕刻，可以不選擇粗雕刻刀具，系統(tǒng)將不再生成粗雕刻路徑。

粗雕刻刀具的選擇內(nèi)容包括選擇刀具類型和刀具尺寸。適合曲面粗雕刻的刀具類型包括平底刀、錐刀和牛鼻刀。選擇何種刀具類型需要綜合考慮曲面的復(fù)雜程度和材料。平底刀主要用于比較簡單的曲面加工;錐刀用于比較復(fù)雜的曲面;牛鼻刀用于硬金屬材料的粗加工，它能減小刀具磨損。

粗雕刻刀具的直徑一般都比精雕刻的刀具直徑大，以便于達(dá)到快速去除待加工材料的目的。粗雕刻刀具的尺寸同樣取決于曲面復(fù)雜程度和材料雕刻性能。曲面模型比較簡單時，采用直徑較大的刀具;曲面模型比較復(fù)雜時，需要采用直徑較小的刀，否則殘留的待加工量較多，給曲面精雕帶來一定的困難。雕刻材料硬度較高時，考慮到刀具強度和磨損，一般采用直徑較大的刀具。如圖4所示。

（4）精雕時刻刀具的設(shè)定:曲面精雕刻路徑用于雕刻出曲面模型的實際形狀，模型的質(zhì)量主要取決于精雕刻。在加工曲面模型時，必須生成精雕刻路徑。選擇精雕刻刀具后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的雕刻參數(shù)計算曲面精雕路徑。在實際操作中，可以同時生成粗雕刻路徑和精雕刻路徑，也可以先生成曲面粗雕刻路徑，然后再生成精雕刻路徑。

精雕刻刀具的選擇內(nèi)容包括選擇刀具類型和刀具尺寸。適合曲面精雕刻的刀具類型包括球刀和錐球刀，其中球刀主要用于比較簡單的曲面的精加工，錐球刀用于比較復(fù)雜的曲面。如果雕刻的曲面包含水平面，也可采用牛鼻刀或錐度牛鼻刀。精雕刻刀具的尺寸大小主要取決于曲面的復(fù)雜程度，當(dāng)曲面比較簡單時，一般采用直徑較大的刀具，當(dāng)曲面比較復(fù)雜時，一般采用直徑較小的刀具。需要注意的是，當(dāng)球刀的球半徑小于0.5 mm時，考慮到刀具本身的強度，一般都是用錐球刀。如圖5所示。

（5）在雕刻復(fù)雜曲面模型的過程中，如果粗雕刻刀具和精雕刻刀具的半徑相差很大，粗雕刻留給精雕刻的殘留很多，容易造成精雕刻刀具斷刀或表面質(zhì)量較差等現(xiàn)象。為了優(yōu)化加工工藝，往往需要在粗雕刻和精雕刻之間增加一道半精雕刻路徑，它使用的刀具直徑界于粗雕刻刀具和精雕刻刀具之間，在整個曲面雕刻過程中起到承上啟下的作用。半精雕刻路徑和精雕刻路徑的形式完全相同，在此不贅述。

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