矢量功能在数控雕刻工艺中的应用

矢量功能在数控雕刻工艺中的应用
1.天津优瑞纳斯液压机械有限公司天津 300385；
2.长春大学机械与车辆工程学院吉林长春130022；
3.天津飞亚电线电缆有限公司天津 301600
本文以桃花烟灰缸的数控雕刻工艺的设计及加工为例，应用ArtCAM软件以二维灰度图为素材，生成矢量轮廓曲线并转化为三维浮雕模型，并对模型进行雕刻优化。

分析该模型数控雕
刻的工艺方法，针对加工过程可能出现的问题设计雕刻工艺流程，在ArtCAM软件上设置刀
具参数、加工参数、生成刀具路径并模拟仿真。

把生成的数控程序导入数控雕铣机，阐述了
操作流程。

1.三维浮雕模型和矢量曲线的生成
1.1三维浮雕模型的生成及优化
图3 矢量轮廓曲线图4 矢量轮廓曲线
2.雕刻材料及设备的选择
雕刻材料的选择直接影响雕刻加工的工艺设计、切削刀具和加工参数的设置。

雕刻材料的硬
度是确定加工工艺及参数的重要参考因素。

在相同切削环境下，硬度越高所需要的切削力越大，刀具磨损越快，会出现崩刀、断刀等情况。

雕刻材料要具有良好的雕刻性能，切削不易
粘刀，排削顺畅。

同时，雕刻材料要具有适中的硬度及密度，能够较好的呈现三维形貌，表
面形貌美观，易于抛光。

本文的雕刻材料选择适于雕刻加工，而且价格适中的红花梨木。

依
据生成的三维模型的尺寸，选用的材料长宽高为：200mm、200mm、20mm。

雕刻机选用固高科技公司生产的三维数控雕刻机，型号为：GCV4030B。

该雕刻机基于高性能
运动控制器GE300SV和标准CNC系统平台的开放式系统。

固高运动控制器应用高速DSP芯
片实现系统的高性能、高速度和高精度。

而CNC系统平台提供对标准NC程序代码的编译并
最终形成运动控制器的控制指令。

3.雕刻工艺分析
在软件默认设置情况下，烟灰缸及毛坯材料的三维图像区域为毛坯需切除15mm深度，即图
中五个由矢量曲线围城的区域和烟灰缸外轮廓到毛坯边缘区域。

五个由矢量曲线围城的区域为完全切削清除部分，这些区域如果和三维模型一起采用雕刻工
艺切削将耗费很多工时，切削效率降低，增加生产成本。

因此，在雕刻之前应用键槽铣刀先
铣削该区域。

分析可知，在雕刻完烟灰缸之后，需要沿外轮廓曲线切割毛坯，因此外轮廓曲线之外的毛坯
被整体切深15mm为多余工序，而且该区域面积大，切削工作量大，用时较长。

如果此区域
不切削，在最后切削外轮廓时由于外轮廓曲线几处凹陷区半径较小，应采用小直径刀具切削（本文采用直径为3.175mm键槽铣刀），这样就导致切削厚度（20mm）与刀具直径比较大。

由于切削外轮廓工序沿单一矢量曲线进行，曲线的尖角及凹陷部分较多，切削应用的雕刻机
床功率小，雕刻材料为木质，切削厚度与刀具直径比较大，因此在实际加工中容易产生机床
停滞、夹刀或断刀现象。

若避免以上现象发生，只有改变切削厚度与刀具直径比，减少切削
厚度。

因此，在切削外轮廓前要对外轮廓矢量曲线外侧区域进行减薄铣削，前文分析把轮廓
矢量曲线外侧区域的毛坯全部减薄铣削15mm切削工作量大，用时长。

本文应用矢量曲线能
够编辑的特点，设计了部分铣削区域，既满足铣削外轮廓的需求，而且切削量要比轮廓外区
域完全切削工作量少，提高了加工效率。

4.雕刻工艺流程的设计及数控参数的选择
依据前文雕刻工艺分析及切削面积的大小，首先切削烟灰缸中部矢量曲线内区域及轮廓外部
分区域。

轮廓外区域采用矢量曲线编辑中的偏置功能，本文设定轮廓矢量曲线向外侧偏移
15mm。

由于这两个区域面积大，切削区域轮廓规整，因此本文选用6mm键槽铣刀切削，以
提高工作效率。

然后采用直径为3.175mm的键槽铣刀切削另外四处矢量曲线内区域。

数控参数的设定如下：直径6mm的键槽铣刀的切削参数；直径3.175mm的键槽铣刀的切削参数；
直径为3.175球头刀的切削参数；直径为3.175，刀尖为0.2mm的平底刻刀。

在软件的刀具路径菜单栏中选择材料设置，设置材料的厚度为20mm。

按住shift键选择外轮
廓矢量曲线和偏置之后曲线。

在菜单栏选择刀具路径—2D刀具路径—区域清除。

在2D区域
清除对话框设置开始深度为0，结束深度为15mm。

加工安全Z高度设置为10mm。

在刀具列表框下点击增加按钮。

在弹出的刀具数据库对话框中点击增加刀具，这里本文把要用到的4
种刀具都添加到刀具数据库里，分别为直径6mm和3.175mm的键槽铣刀，直径为3.175mm
的球头铣刀和刀尖为0.2mm刀杆为3.175mm的雕刻刀。

加工这部分区域选择直径为6mm的键槽铣刀，之后在对话框最下面点击现在计算按钮，计算刀具路径。

切削其它区域步骤同上，选择矢量曲线，刀具路径选择2D区域清除，中间椭圆形区域较大，刀具选择直径为6mm的键槽铣刀，另外4个矢量包围区域较小，刀具选择直径为3.175mm
的键槽铣刀。

下一步进行雕刻加工。

首先按住shift键选择模型轮廓曲线和内部矢量线。

在菜单栏选择刀具
路径—3D刀具路径—加工浮雕。

在弹出的加工浮雕对话框，下面的加工区域选择自动边界—
矢量内，精加工选择刀尖为0.2mm刀杆为3.175mm的平底刻刀，粗加工选择直径为
3.175mm的球头刀。

之后在最下面的刀具路径栏里点击现在计算。

雕刻后进行外轮廓切割。

选择模型轮廓矢量曲线，在菜单栏选择刀具路径—2D刀具路径—轮廓。

在弹出轮廓加工对话框里设置为轮廓外侧，切削深度20mm，加工刀具直径为3.175mm
的键槽铣刀，然后点击现在计算，生成刀具路径。

5.模拟仿真及后处理
在每一步刀具路径计算完之后，在菜单栏选择刀具路径—仿真—仿真控制栏，弹出加工仿真
窗口。

点击运行按钮观察所计算的刀具加工路径及毛坯的去除区域。

检查加工的区域及刀具
运行方式是否与设计的工艺相符，如果不符可及时修改。

模拟仿真无误，下一步为输出数控
程序。

在菜单栏
选择刀具路径—保存刀具路径为，弹出保存刀具路径对话框，选择要保存的刀具路径及保存
地址，命名文件名，在机床文件格式里选择适合雕刻机数控系统的格式，保存数控文件。

6.数控雕铣机的操作
图7 PA数控系统界面
雕铣机采用的是PA数控系统，该系统是基于PC技术的开放式数控系统，该系统基于windows操作系统，具有全球数控领域的最前沿技术，其技术被世界多家著名的自动化公司
所采用，如图7。

机床通电、启动之后，首先使Z、X、Y轴依次回到机床坐标原点，建立机床坐标系。

依据加
工程序对刀具的选择，更换刀具。

在工作台面装夹毛坯，要求装夹紧固，注意避免加工时产
生干涉现象。

通过“对刀”，使刀尖与设定的加工起点重合，建立工件坐标系。

通过网络传输
进系统。

按启动按钮开始加工，在开始初期，通过调节进给倍率旋钮，控制加工速度，观察
实际加工是否符合设定要求及预订轨迹，如有错误，可立即停车，检查程序。

如果加工与设
计相符，可把进给倍率旋钮逐渐调整到100%，恢复正常加工。

7.结语
本文以ArtCAM软件为载体，以桃花烟灰缸的数控雕刻为例，着重探讨矢量功能在雕刻工艺
设计及加工方面的应用。

在雕刻工艺的分析、矢量曲线的生成、数控加工参数的设定方面做
了详细的阐述，介绍了数控系统及操作流程。

通过矢量功能的应用，改进了加工工艺，能够
提高了工作效率，能够降低生产成本。