實(shí)木數(shù)控鏤銑加工中的縱向逆銑問(wèn)題與解決措施

劉殷輝

[摘要]以楊樹(shù)等樹(shù)種為試材，采用ARTCAM軟件設(shè)計(jì)特殊的浮雕雕刻進(jìn)行測(cè)試，并采用數(shù)控雕刻機(jī)進(jìn)行不同刀具路徑的實(shí)木浮雕加工實(shí)驗(yàn)。本文分析了實(shí)木垂直反向銑削的原因，并提出了有效的解決方案。如果楊樹(shù)和杉木的密度小于0.6 g/cm³，則壓花容易卷取，密度大于0.9 g/cm³的木材應(yīng)以500或900或螺旋形路徑銑削，密度大于0.9克/立方厘米的木材不會(huì)皺紋，加工質(zhì)量好。

[關(guān)鍵詞]數(shù)控路徑 加工路徑 纖維方向

數(shù)控鏤銑機(jī)在木材加工中的應(yīng)用越來(lái)越受歡迎，但相關(guān)的設(shè)備和技術(shù)還有待提高。關(guān)于加工過(guò)程問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)分析和總結(jié)的文獻(xiàn)很少，不利于技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)水平的提高。木材，特別是實(shí)木材料，與其他材料具有不同的性質(zhì)，最突出的是木纖維結(jié)構(gòu)的各向異性，這對(duì)銑削加工有特殊的影響。因此，有必要總結(jié)實(shí)木數(shù)控加工的規(guī)則。本文針對(duì)數(shù)控布線中的“縱向反向銑削”問(wèn)題，借助CAD/CAM軟件設(shè)計(jì)了一種特殊的實(shí)驗(yàn)浮雕。來(lái)自不同加工角度的數(shù)字控制代碼用于測(cè)試各種樹(shù)種的實(shí)際木材加工。分析了產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題的原因，提出了解決方案，為實(shí)木數(shù)控加工的理論研究和相關(guān)加工提供參考。

一、實(shí)木數(shù)控銑削和銑削簡(jiǎn)介

由于其自然生長(zhǎng)，木材的細(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。木材的破壞是由微纖維和纖維素骨架填料的力撕裂或破碎引起的。由于木材細(xì)胞的特殊排列，木材的橫向強(qiáng)度遠(yuǎn)低于縱向的橫向強(qiáng)度。在實(shí)木切割中，由于木材的各向異性和切割工具以不同方式的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了許多不同的切割方法和不同的切屑。對(duì)于銑刨機(jī)，切削方式有縱向銑削，端銑和介質(zhì)在縱向和端部之間的銑削和銑削之間的過(guò)渡。

對(duì)于每種類型的雕刻，平底鋒利刀只有一個(gè)刀片參與切割。切割器的移動(dòng)方向與纖維方向之間的角度在縱向布線中為0°，在末端布線中為90°。在縱向反向銑削中，刀片由加工表面切割。如果木纖維之間的強(qiáng)度低，它將分裂，并且刀片不能直接切割纖維，這將導(dǎo)致切屑形狀的刨花。在縱向銑削中，刀片從木材表面切割到加工表面。木纖維直接切斷以產(chǎn)生小芯片。在最終布線過(guò)程中，將形成木纖維，因?yàn)榍懈钇鞯囊苿?dòng)方向與木纖維之間的角度是90°。

由刀片切割，僅在0°和90°之間產(chǎn)生小切屑。隨著角度的增加，木纖維的去除可以簡(jiǎn)單地從撕裂到剪切。在切割時(shí)，根據(jù)木纖維的破壞形式，我們可以得到加工表面粗糙度從小到大的順序：（b），（c），（d），（e）。但是，NC布線的速度和其他參數(shù)是可調(diào)的，因此加工表面的粗糙度可以控制在可接受的范圍內(nèi)。數(shù)控布線是自動(dòng)加工，工件可以在一次夾緊中完成多種形狀表面的加工，雕刻刀具必須在一次加工中實(shí)現(xiàn)多種形式的雕刻。因此可能發(fā)生不完全切割。例如，在縱向反向銑削中，如果刀具突然停止切削，則剃須形狀的切屑將保留在加工表面上，從而導(dǎo)致“毛發(fā)”現(xiàn)象。當(dāng)頭發(fā)發(fā)育嚴(yán)重時(shí)，會(huì)影響加工質(zhì)量。

數(shù)控加工離不開(kāi)CAD/CAM軟件的支持。在本文中，ARTCAM軟件用于完成建模工作。該軟件是AUTODESK集團(tuán)DELCAM公司的CAD/CAM產(chǎn)品之一。它功能強(qiáng)大，可以設(shè)計(jì)復(fù)雜的浮雕，并生成多種數(shù)控加工代碼。該軟件的一個(gè)顯而易見(jiàn)的特點(diǎn)是它簡(jiǎn)單易用。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)。

二、數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)

（一）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 X 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。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。

（二）試驗(yàn)過(guò)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(kāi)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。

三、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(wú)，因此加工質(zhì)量是由差至優(yōu)；大于50°后已無(wú)起毛，90°加工質(zhì)量最好。加工過(guò)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(méi)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。總體看，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(méi)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。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析，可以得出以下結(jié)論：

主要結(jié)果如下：①如果縱向反向銑削中木纖維的橫向強(qiáng)度過(guò)低，則會(huì)產(chǎn)生刨花，這通常發(fā)生在樹(shù)種密度小于0.6 g/cm³時(shí)。在數(shù)控銑削壓花中，會(huì)產(chǎn)生毛發(fā)，影響加工質(zhì)量：如果木纖維之間的強(qiáng)度足夠高，就沒(méi)有毛發(fā)，就可以獲得良好的加工質(zhì)量。對(duì)于密度大于0.9 g/cm³的樹(shù)種，在數(shù)控加工壓花時(shí)使用縱向雕刻可以獲得優(yōu)異的加工質(zhì)量。②在數(shù)控雕刻中，對(duì)于在縱向加工中產(chǎn)生剃須的樹(shù)種，使用50?；?0。布線或螺旋布線可以避免毛發(fā)并獲得良好或優(yōu)異的加工質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于楊樹(shù)，杉木等快速生長(zhǎng)的低密度樹(shù)種，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)募庸ぢ窂綄?shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的雕刻，為擴(kuò)大應(yīng)用范圍提供了一種可行的加工方法。雖然本文沒(méi)有處理更多的樹(shù)種，該方法和分析具有理論性和實(shí)用性，可供參考。