基于CNC的產品原型加工工藝

龍峰

【摘 ?要】本文針對傳統的CNC產品原型加工方法進行改進，提出了一種新的CNC產品原型加工工藝。首先簡要地分析了3D打印、傳統CNC產品原型加工工藝的優缺點。然后詳細介紹了一種新的基于CNC的產品原型加工工藝的原理和實施過程。最后總結了該改進型工藝的優缺點和價值。

【關鍵詞】CNC;快速原型;刀路規劃

引言

近年來，隨著3D打印技術的發展和普及，3D打印技術已經越來越被人們所了解。3D打印技術作為一種加材料的加工技術，與傳統的減材料的切削加工技術有著明顯的優點，它可以加工形狀復雜且用傳統的加工方法無法加工的零件。但是，3D打印在零件精度以及材料的選擇上缺陷還是很明顯。目前，利用3D打印和CNC加工的兩種手板加工方法還不存在相互替代的可能性。

傳統的基于CNC加工產品原型的工藝至少要2次裝夾才能完成加工，利用填充石膏和膠水或真空吸附在工作臺面來改善加工工藝條件。本文旨在介紹一種利用普通的三軸CNC機床，添加分度裝置和三抓卡盤，通過一次性的裝夾來完成整個手板的加工的工藝。

1.原理結構

通過旋轉工件，得到不同的加工角度，利用分層切削方法，對工件進行分層切削。如圖1所示，a圖中，箭頭方向為刀具方向，圖中的黑色陰影部分為加工不到的區域，如果旋轉工件到b圖所示的方向，那么a圖中不可加工的區域就可以加工了。一般來說，一個產品原型的加工，需要少則2個方向，多則3個以上。

為了防止工件加工完后掉落，在工件的模型上人為地增添相應的支撐結構，待加工完成后，再把它們從原型上移除掉。為了讓工件旋轉到預先設定的角度，在CNC機床上添加分度頭和三抓卡盤，把工件固定在兩個相對的三爪卡盤上，三爪卡盤與分度頭連接，分度頭可以精確地控制旋轉的角度，分度頭手動控制，可以不與CNC機床的XYZ三軸聯動，詳細的加工原理如圖2所示。

2.技術實施

把待加工的3D模型導入到CAD/CAM系統，之后需要分析一下內容：（1）旋轉軸分析;（2）建立工作坐標系;（3）支撐部件分析;（4）安裝方位分析;（5）生成加工工序;詳細流程如圖3。

2.1旋轉軸分析

旋轉軸分析，主要考慮該旋轉軸選定后，能保證刀具的切削角度最少，圓棒毛坯的直徑最小。當確定了旋轉軸后，沿著旋轉軸軸向方向分析其剖切面最大輪廓半徑，通過分析剖切圖，可以確定其刀具的切削角度。如果剖切面最大輪廓半徑小則意味著需要的毛坯圓棒的半徑小，加工時剔除的材料少，對刀具長度的要求也低，可以用更短的刀具。

2.2建立坐標系

為了保證刀具不發生干涉和碰撞，以零件的旋轉軸為x軸，原點建立在工件原棒毛坯的一個端面上，整個工件處于負x軸區域。

2.3添加臨時支撐

傳統CNC原型加工工藝的裝夾方式一般為臺虎鉗，三爪卡盤，真空吸附或者利用502膠水吸附等。傳統的加工工藝一般需要多次裝夾，從而導致加工精度及效率的下降。

新的CNC原型加工工藝為了盡可能地減少裝夾次數，通過在CAD模型的兩端增設臨時性支撐就可以使加工的零件在整個加工的過程中始終依附在毛坯上，而不是在加工的中途重新裝夾，定位等，從而極大的提高了零件的加工精度和效率。如圖4所示。

2.4加工角度及刀路規劃

當CAD模型添加了支撐后，支撐就成為了CAD模型的一部分了。接下來就是確定加工的方位角度、切削深度、進給及切削用量等。通過沿著模型x軸的剖切面，可以分析出切削方向和切削深度。并以此為基礎，規劃刀具路徑。如圖5、圖6所示。

3.結論

本文介紹的基于CNC的產品原型方法，適用于周期短、批量小、定制產品的生產和加工，相對于傳統的CNC產品原型加工方法，產品精度和效率更高。當然與3D打印技術相比，基于CNC的產品原型工藝仍然不能加工形狀特別復雜的產品原型，但它在零件的材料選擇及表面精度方面的優勢又非常明顯。所以，對現有CNC產品原型工藝的改進仍然具有非常高的價值。

參考文獻

[1] Bi， Z.M. and Zhang， W.J.， “Flexible fixture design and automation： Review， issues and future directions”， International Journal of Production Research， Vol. 39， No.13， pp. 2867-2894， September 2001

[2]. Chen， Y.H.， Lee， Y.S.， and Fang， S.C.，”Optimal cutter selection and machining plan determination for process planning and NC machining of complex surfaces”， Journal of Manufacturing Systems， Vol. 17， No. 5， pp. 371-388， 1998

[3]Hatna，A.，Grieve，R.，&Broom head，P.（1998）.Automatic CNC milling of pockets：Geometric and technological issues. Computer Integrated Manufacturing Systems，11，309-330.