實木數控鏤銑加工中的縱向逆銑問題與解決措施

劉殷輝

[摘要]以楊樹等樹種為試材，采用ARTCAM軟件設計特殊的浮雕雕刻進行測試，并采用數控雕刻機進行不同刀具路徑的實木浮雕加工實驗。本文分析了實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皺紋，加工質量好。

[關鍵詞]數控路徑 加工路徑 纖維方向

數控鏤銑機在木材加工中的應用越來越受歡迎，但相關的設備和技術還有待提高。關于加工過程問題的實驗分析和總結的文獻很少，不利于技術進步和技術水平的提高。木材，特別是實木材料，與其他材料具有不同的性質，最突出的是木纖維結構的各向異性，這對銑削加工有特殊的影響。因此，有必要總結實木數控加工的規則。本文針對數控布線中的“縱向反向銑削”問題，借助CAD/CAM軟件設計了一種特殊的實驗浮雕。來自不同加工角度的數字控制代碼用于測試各種樹種的實際木材加工。分析了產生質量問題的原因，提出了解決方案，為實木數控加工的理論研究和相關加工提供參考。

一、實木數控銑削和銑削簡介

由于其自然生長，木材的細胞壁主要由纖維素，木質素和半纖維素組成。纖維素賦予木材彈性和強度：木質素賦予木材硬度和剛性：半纖維素賦予木材剪切強度。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。由于木材細胞的特殊排列，木材的橫向強度遠低于縱向的橫向強度。在實木切割中，由于木材的各向異性和切割工具以不同方式的運動，產生了許多不同的切割方法和不同的切屑。對于銑刨機，切削方式有縱向銑削，端銑和介質在縱向和端部之間的銑削和銑削之間的過渡。

對于每種類型的雕刻，平底鋒利刀只有一個刀片參與切割。切割器的移動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度低，它將分裂，并且刀片不能直接切割纖維，這將導致切屑形狀的刨花。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生小芯片。在最終布線過程中，將形成木纖維，因為切割器的移動方向與木纖維之間的角度是90°。

由刀片切割，僅在0°和90°之間產生小切屑。隨著角度的增加，木纖維的去除可以簡單地從撕裂到剪切。在切割時，根據木纖維的破壞形式，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是可調的，因此加工表面的粗糙度可以控制在可接受的范圍內。數控布線是自動加工，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現多種形式的雕刻。因此可能發生不完全切割。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，從而導致“毛發”現象。當頭發發育嚴重時，會影響加工質量。

數控加工離不開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DELCAM公司的CAD/CAM產品之一。它功能強大，可以設計復雜的浮雕，并生成多種數控加工代碼。該軟件的一個顯而易見的特點是它簡單易用。該公司的CAD/CAM軟件產品已用于飛機，汽車，珠寶和木雕等制造業。

二、數控加工實驗

（一）浮雕設計

為了考察木紋理方向對數控鏤銑加工質量的影響，專門設計了一個試驗用浮雕。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、六面錐體和圓環形曲面，力圖包括浮雕加工中的典型形面。試驗浮雕用ARTCAM軟件設計，再利用該軟件功能將浮雕模型轉換成數控加工代碼。

（二）試驗過程

試驗中將刀具運動路徑與木材纖維長度方向的夾角作了如下規定：刀具運動方向與纖維方向平行時為0°，與纖維方向垂直時為90°。首先將所設計的浮雕生成為3種不同的加工路徑代碼：平行于木纖維長度方向的縱向加工（0°）、垂直于木纖維長度方向的端面加工（90°）和螺旋路徑加工。其中，螺旋路徑加工是從浮雕的中心點開始，刀具以阿基米德螺旋線軌跡在x-y平面運動進行加工。試件為楊木、杉木和楓木的弦切板或徑切板。

三、試驗結果分析

從0°至90°，楊木起毛現象是由多變少至無，因此加工質量是由差至優；大于50°后已無起毛，90°加工質量最好。加工過程中發現：當縱向逆銑出現刨花而不是細碎切屑時，就可能出現起毛，影響質量。觀察加工樣品可以發現，起毛發生在縱向逆銑中某些刀刃抬起或返回的部位，這是因為切削突然停止，木纖維沒能被切斷所致。

起毛最嚴重出現在5°～15°，而不是在0°，這一現象可以作如下解釋：首先，加工時，木纖維的方向與刀具運動方向的夾角不一定正好與所設定的角度相同，導致加工結果有不規律的變化；其次，所加工的部位木纖維的橫向強度有可能不均衡，造成該角度范圍起毛現象有一定差別。總體看，0°～40°的質量為差。螺旋路徑加工方式不起毛，有良好的加工質量，僅略次于90°加工。其加工質量好的原因是刀具運動在x-y平面的加工運動路徑為近圓形，沒有連續的縱向或端向鏤銑，避免了“縱向逆銑”。但是螺旋路徑加工耗時為1.33小時，比0°或90°方式加工多30%，效率較低，因此，應酌情采用。

四、結語

通過實驗和分析，可以得出以下結論：

主要結果如下：①如果縱向反向銑削中木纖維的橫向強度過低，則會產生刨花，這通常發生在樹種密度小于0.6 g/cm³時。在數控銑削壓花中，會產生毛發，影響加工質量：如果木纖維之間的強度足夠高，就沒有毛發，就可以獲得良好的加工質量。對于密度大于0.9 g/cm³的樹種，在數控加工壓花時使用縱向雕刻可以獲得優異的加工質量。②在數控雕刻中，對于在縱向加工中產生剃須的樹種，使用50?；?0。布線或螺旋布線可以避免毛發并獲得良好或優異的加工質量。實驗表明，對于楊樹，杉木等快速生長的低密度樹種，可以通過適當的加工路徑實現優質的雕刻，為擴大應用范圍提供了一種可行的加工方法。雖然本文沒有處理更多的樹種，該方法和分析具有理論性和實用性，可供參考。