實(shí)木數(shù)控鏤銑加工中縱向逆銑問題和對(duì)策

張 亮 程 菲 江俊諳 劉 渝

(北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

實(shí)木數(shù)控鏤銑加工中縱向逆銑問題和對(duì)策

張 亮 程 菲 江俊諳 劉 渝

(北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

以楊木等樹種為試材，利用ARTCAM軟件設(shè)計(jì)了測(cè)試專用浮雕，用數(shù)控雕刻（鏤銑）機(jī)進(jìn)行了不同刀具路徑的實(shí)木浮雕加工試驗(yàn)，分析實(shí)木縱向逆銑起毛原因并提出了有效的解決方法。楊木、杉木等密度小于0.6 g/cm3的樹種用縱向鏤銑加工浮雕容易起毛，應(yīng)采用50°～90°鏤銑或螺旋路徑鏤銑加工；綠檀等密度大于0.9 g/cm3以上的樹種用縱向鏤銑不會(huì)起毛，加工質(zhì)量?jī)?yōu)良。

數(shù)控鏤銑；加工路徑；纖維方向；起毛

數(shù)控鏤銑機(jī)在木材加工中的應(yīng)用已越來越普及，然而相關(guān)設(shè)備和技術(shù)還有待提高，對(duì)于有關(guān)加工工藝問題的試驗(yàn)分析和總結(jié)的文獻(xiàn)較少，不利于技術(shù)進(jìn)步和工藝水平的提高[1]。木質(zhì)材料，尤其是實(shí)木材料有著與其他材料不同的特性，最突出的是木纖維結(jié)構(gòu)形成的各向異性，對(duì)鏤銑加工產(chǎn)生了特有的影響[2]。因此，進(jìn)行實(shí)木數(shù)控加工試驗(yàn)，總結(jié)規(guī)律很有必要。

本文針對(duì)數(shù)控鏤銑中“縱向逆銑起毛”問題，借助CAD/CAM軟件設(shè)計(jì)了專門的試驗(yàn)浮雕、生成了不同加工角度的數(shù)控代碼，進(jìn)行了多種樹種的實(shí)木加工試驗(yàn)，分析了產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因，提出了解決辦法，以期對(duì)實(shí)木數(shù)控加工理論研究和相關(guān)加工有所參考。

1 實(shí)木數(shù)控鏤銑方式簡(jiǎn)述

木材由于自然生長(zhǎng)的特性，其細(xì)胞壁主要由纖維素、木質(zhì)素和半纖維素組成。纖維素賦予木材彈性和強(qiáng)度；木質(zhì)素賦予木材硬度和剛性；半纖維素賦予木材剪切強(qiáng)度。木材發(fā)生破壞是微纖絲和纖維素骨架填充物受力撕裂或被壓潰引起。由于木細(xì)胞的特殊排列，木材橫向強(qiáng)度遠(yuǎn)低于縱向強(qiáng)度[3]。實(shí)木切削中，由于木材的各向異性和刀具不同方式的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致了多種不同的切削方式，產(chǎn)生了形態(tài)不同的切屑。對(duì)鏤銑而言，切削方式有縱向銑削、端向銑削和介于縱向和端向之間的過渡鏤銑等[4]。圖1以平底尖刀為例，表示了數(shù)控鏤銑機(jī)x-y平面的鏤銑形式。?

圖中（a）為雕刻常用的平底尖刀的示意圖，有兩個(gè)切削刃；平行線表示木纖維；(b)為縱向逆銑，(c)為縱向順銑，（d）為端向逆銑，（e）為端向順銑。對(duì)于每種鏤銑方式，平底尖刀只有一個(gè)刀刃參加切削?？v向鏤銑時(shí)，刀具運(yùn)動(dòng)方向與纖維方向的夾角為0°，端向鏤銑時(shí)，為90°。縱向逆銑時(shí)，刀刃由加工面切出，如果木纖維橫向之間強(qiáng)度低，就會(huì)產(chǎn)生劈裂，刀刃不能直接切斷纖維，會(huì)產(chǎn)生刨花形態(tài)的切屑[5]；縱向順銑時(shí)，刀刃由木材表面切入至加工面，木纖維被直接切斷，產(chǎn)生碎小切屑。端向鏤銑時(shí)，由于刀具運(yùn)動(dòng)方向與木纖維的夾角為90°，木纖維會(huì)被刀刃剪斷，因此只產(chǎn)生碎小切屑。0°到90°之間為過渡鏤銑，隨著角度的變大，木纖維的去除方式可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為是由撕裂到剪斷。切削時(shí)，根據(jù)木纖維的破壞形式，可以得出加工面粗糙度由小到大的排序：（b）、（c）、（d）、（e）[6]。然而數(shù)控鏤銑的速度等參數(shù)是可調(diào)的，因此加工面的粗糙度可以控制在可接受的范圍。

數(shù)控鏤銑是自動(dòng)加工，工件一次裝夾就可以完成多種形面的加工，鏤銑刀要在一次加工中實(shí)現(xiàn)多種形式的鏤銑，因此可能產(chǎn)生不完全切削[7]。例如，在縱向逆銑時(shí)，如果刀具突然停止切削，呈刨花形態(tài)的切屑就會(huì)殘留在加工面，產(chǎn)生“起毛”現(xiàn)象[8]。起毛現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)就會(huì)影響加工質(zhì)量。

數(shù)控加工離不開CAD/CAM軟件的支持。本文采用了ARTCAM軟件來完成建模等工作。該軟件是AUTODESK集團(tuán)旗下DELCAM公司的CAD/CAM產(chǎn)品之一，其功能強(qiáng)大，可以設(shè)計(jì)復(fù)雜浮雕并可生成多種方式的數(shù)控加工代碼[9]。ARTCAM軟件的一個(gè)顯著特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易學(xué)，普通人按其教程就可以掌握[10]。該公司的CAD/CAM軟件產(chǎn)品已用于飛機(jī)、汽車、珠寶和木雕等制造業(yè)[11]。

2 數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)

2.1 浮雕設(shè)計(jì)

為了考察木紋理方向?qū)?shù)控鏤銑加工質(zhì)量的影響，專門設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)用浮雕。浮雕的幅面為100mm×100mm，高度為6mm，其中包含了相互垂直的平面、斜面、六面錐體和圓環(huán)形曲面，力圖包括浮雕加工中的典型形面。浮雕如圖2示。

試驗(yàn)浮雕用ARTCAM軟件設(shè)計(jì)，再利用該軟件功能將浮雕模型轉(zhuǎn)換成數(shù)控加工代碼。

2.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)中將刀具運(yùn)動(dòng)路徑與木材纖維長(zhǎng)度方向的夾角作了如下規(guī)定：刀具運(yùn)動(dòng)方向與纖維方向平行時(shí)為0°，與纖維方向垂直時(shí)為90°。

首先將所設(shè)計(jì)的浮雕生成為3種不同的加工路徑代碼：平行于木纖維長(zhǎng)度方向的縱向加工（0°）、垂直于木纖維長(zhǎng)度方向的端面加工（90°）和螺旋路徑加工。其中，螺旋路徑加工是從浮雕的中心點(diǎn)開始，刀具以阿基米德螺旋線軌跡在x-y平面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工。

試件為楊木、杉木和楓木的弦切板或徑切板。本文中提及的木材密度皆為氣干密度。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為北京某數(shù)控公司的JD6090型雕刻機(jī)。

所有試驗(yàn)采用了相同的加工參數(shù)：

主軸轉(zhuǎn)速：24000r/m

采用刀具：平底尖刀（刀徑3mm，斜度30°，平底刀刃長(zhǎng)0.5mm）

進(jìn)料速度：40mm/s（最大）

下切步距：16mm/s

進(jìn)料行距：0.15mm（平底刀刃長(zhǎng)的30%）

按照上述參數(shù)，最大切削速度為400r/ s或3.77m/s，切屑厚度為0.15mm， 最大切屑長(zhǎng)度為0.1mm。

加工質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為有無起毛：起毛而不能用毛刷去除為差、能用毛刷去除為良、不起毛為優(yōu)。完成加工的試件如圖3示（以楊木為例）。

圖1 鏤銑示意圖

圖2 試驗(yàn)用浮雕仿真圖

圖3 初步加工結(jié)果

圖4 5°～80°加工結(jié)果

由圖3可見，加工質(zhì)量最好的是端面鏤銑加工（90°），其次是螺旋路徑加工，而縱向鏤銑（0°）加工出現(xiàn)了多處起毛，質(zhì)量最差。

為了考察0°～90°之間的加工質(zhì)量情況，再利用ARTCAM軟件的功能生成了以每10°為變化量的數(shù)控加工代碼，用同一塊楊木試材逐一進(jìn)行了加工試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)10°與20°起毛現(xiàn)象更嚴(yán)重，因此又增加了5°和15°的加工試驗(yàn)。5°～80°加工結(jié)果如圖4示。

為了更多地了解不同密度木材“縱向逆銑”的性能，遂用椿木、改性楊木、柏木和綠檀等實(shí)木板以縱向鏤銑（0°）方式做了同樣的雕刻試驗(yàn)或縱向鏤銑試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從0°至90°，楊木起毛現(xiàn)象是由多變少至無，因此加工質(zhì)量是由差至優(yōu)；大于50°后已無起毛，90°加工質(zhì)量最好。加工過程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)縱向逆銑出現(xiàn)刨花而不是細(xì)碎切屑時(shí)，就可能出現(xiàn)起毛，影響質(zhì)量。觀察加工樣品可以發(fā)現(xiàn)，起毛發(fā)生在縱向逆銑中某些刀刃抬起或返回的部位，這是因?yàn)榍邢魍蝗煌Ｖ?，木纖維沒能被切斷所致。

起毛最嚴(yán)重出現(xiàn)在5°～15°，而不是在0°，這一現(xiàn)象可以作如下解釋：首先，加工時(shí)，木纖維的方向與刀具運(yùn)動(dòng)方向的夾角不一定正好與所設(shè)定的角度相同，導(dǎo)致加工結(jié)果有不規(guī)律的變化；其次，所加工的部位木纖維的橫向強(qiáng)度有可能不均衡，造成該角度范圍起毛現(xiàn)象有一定差別?？傮w看，0°～40°的質(zhì)量為差。

螺旋路徑加工方式不起毛，有良好的加工質(zhì)量，僅略次于90°加工。其加工質(zhì)量好的原因是刀具運(yùn)動(dòng)在x-y平面的加工運(yùn)動(dòng)路徑為近圓形，沒有連續(xù)的縱向或端向鏤銑，避免了“縱向逆銑”。但是螺旋路徑加工耗時(shí)為1.33小時(shí)，比0°或90°方式加工多30%，效率較低，因此，應(yīng)酌情采用。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，弦切板和徑切板的纖維方向差別對(duì)加工質(zhì)量沒有明顯的影響。對(duì)于楊木試件，即使將加工時(shí)的刀具行距減小為0.1mm，0°鏤銑雕刻的試件仍然存在不能接受的起毛缺陷，加工質(zhì)量差。

與楊木（密度0.43g/cm3）加工結(jié)果相似的樹種還有杉木（密度0.36g/cm3）。

對(duì)椿木（密度0.57g/cm3）的試驗(yàn)表明，0°加工的試件存在起毛，用毛刷不能刷除起毛，加工質(zhì)量差；對(duì)改性楊木（密度0.53g/cm3），0°加工的試件存在起毛，但用毛刷能基本刷除起毛，加工質(zhì)量良；對(duì)楓木（密度0.6g/cm3）和柏木（密度0.6g/cm3），0°加工的試件存在起毛，但用毛刷能刷除起毛，加工質(zhì)量良；對(duì)綠檀（密度1.15 g/cm3 ）的試驗(yàn)表明，進(jìn)行0°加工的試件在整個(gè)加工過程中始終不會(huì)產(chǎn)生刨花，不起毛，加工質(zhì)量?jī)?yōu)。對(duì)花梨木（密度0.89 g/cm3）的縱向逆銑會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的細(xì)小刨花；對(duì)紅酸枝（密度0.95 g/ cm3）的縱向逆銑僅會(huì)產(chǎn)生零星細(xì)小刨花?？梢?，隨著密度的增加和木材縱向與橫向組織的更加交錯(cuò)復(fù)雜，縱向逆銑起毛是減少的趨勢(shì)。

順便指出，對(duì)中密度纖維板(澳松板，0.72 g/cm3）的0°試驗(yàn)加工不會(huì)出現(xiàn)起毛，質(zhì)量?jī)?yōu)。還應(yīng)當(dāng)提及，木材更復(fù)雜的構(gòu)造（例如早晚材構(gòu)成、散孔材與環(huán)孔材、木射線等）對(duì)縱向逆銑產(chǎn)生刨花現(xiàn)象會(huì)有影響，而本文此并沒有作更多的試驗(yàn)。

4 結(jié)語

通過試驗(yàn)和分析可以得出以下結(jié)論：

（1）實(shí)木在縱向逆銑時(shí)，如果木纖維之間橫向強(qiáng)度過低，就會(huì)產(chǎn)生刨花，這一般出現(xiàn)在樹種密度小于0.6 g/cm3的加工中。在數(shù)控鏤銑浮雕時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生起毛，影響加工質(zhì)量；如果木纖維之間強(qiáng)度足夠高，就不會(huì)起毛，可以獲得優(yōu)良的加工質(zhì)量。對(duì)于密度大于0.9 g/cm3 的樹種，數(shù)控加工浮雕時(shí)采用縱向鏤銑就可以獲得優(yōu)的加工質(zhì)量。

（2）數(shù)控鏤銑雕刻中，對(duì)于縱向加工產(chǎn)生刨花導(dǎo)致起毛的樹種，采用50°～90°的鏤銑路徑或螺旋鏤銑路徑就可以避免起毛，獲得良或優(yōu)的加工質(zhì)量。

試驗(yàn)表明，對(duì)于楊木、杉木等密度較小的速生樹種，采用適當(dāng)?shù)募庸ぢ窂?，就可以?shí)現(xiàn)質(zhì)量?jī)?yōu)良的鏤銑雕刻，為擴(kuò)大其應(yīng)用范圍提供了可行的工藝方法。雖然本文并沒有對(duì)更多的樹種進(jìn)行加工試驗(yàn)，但所采用的方法和分析具有理論依據(jù)和實(shí)用性，可供相關(guān)者參考應(yīng)用。

（責(zé)任編輯：賀 輝）

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Issues and Countermeasures of Longitudinal Up-Milling of Wood CNC Routing

Zhang Liang & Cheng Fei & Jiang Junan & Liu Yu

Special relief for test has been designed using ARTCAM software with poplar and other wood species as the test materials. The wood relief experiments of different tool path were carried out on CNC engraving (routing) machine and the results were analyzed. The reasons for the fl uff phenomenon of longitudinal up-milling were pointed out and effective solutions were put forward. Species, less than 0.6 g/cm3, such as poplar and spruce, were easier fl uff when longitudinal milling, hence50°~90° or helical routing methods were suggested. Species the density of which is greater than 0.9 g/cm3, such as green sanders will no fl uff occur when longitudinal milling and have a good machining quality.

CNC Routing; Machining Path; Fiber Direction; Fluff

TS664.01

A

1006-8260(2015)04-0060-02

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（編號(hào)：201204702）