紅木數(shù)控銑削加工參數(shù)的選擇

劉澤妤，鄒天博，孫琦超，岳中馳

(沈陽航空航天大學(xué) a.國際工程師學(xué)院；b.工程訓(xùn)練中心，沈陽 110135)

1 紅木應(yīng)用情況

紅木是我國傳統(tǒng)的木材原料，以溫厚、質(zhì)樸、典雅的文化特點(diǎn)被世人尊崇，其類別眾多，主要有紫檀木、花梨木、香枝木、黑酸枝木、紅酸枝木、烏木、條紋鳥木和雞翅木等八大類，質(zhì)地堅(jiān)硬，紋路清晰，生長(zhǎng)周期極長(zhǎng)等。紅木產(chǎn)地不多，原料匱乏，在明清時(shí)期大量砍伐，造成如今資源稀缺，一直依賴進(jìn)口滿足人們需求。而紅木使用率日漸增加，其屬于不可再生或再生周期很長(zhǎng)的原料，面臨著消耗殆盡的危機(jī)，這進(jìn)一步?jīng)Q定了紅木材料的珍貴性。因其原材料珍貴，加工更不能出現(xiàn)次品或廢品，所需加工技藝亦需十分高超。而紅木雕刻人才近年來良莠不齊，人才培養(yǎng)模式存在缺陷，導(dǎo)致人才十分稀少，出現(xiàn)人才斷層。紅木雕刻加工時(shí)間周期很長(zhǎng)，需要較深的技術(shù)造詣，對(duì)于雕刻精準(zhǔn)性有著更高的要求。

2 設(shè)備及材料

2.1 數(shù)控機(jī)床

數(shù)控機(jī)床是用數(shù)字化信息來實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)控制，它將與加工零件有關(guān)的信息用規(guī)定的文字、數(shù)字和符號(hào)組成代碼，按一定的格式編寫成加工程序單，通過控制介質(zhì)輸入到數(shù)控裝置中，由數(shù)控裝置經(jīng)過分析處理后發(fā)出各種與加工程序相對(duì)應(yīng)的信號(hào)和指令進(jìn)行自動(dòng)加工。機(jī)床運(yùn)行處于不斷的計(jì)算、輸出、反饋等控制過程中，保證刀具和工件之間相對(duì)位置的準(zhǔn)確性，加工質(zhì)量穩(wěn)定。其加工精度高，能保證穩(wěn)定的精度性，具有多軸加工功能，使復(fù)雜的工件能夠被加工，當(dāng)加工零件發(fā)生變化時(shí)，只需簡(jiǎn)單改變程序就可以再次生產(chǎn)。機(jī)床本身具有精度高、剛性大等特點(diǎn)，加工不容易出錯(cuò)，易學(xué)易懂易操作，自動(dòng)化程度高，基本可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，大大降低工人需要的知識(shí)儲(chǔ)備和勞動(dòng)強(qiáng)度。數(shù)控機(jī)床應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)展，但由于其價(jià)格昂貴，維修保養(yǎng)困難，對(duì)從業(yè)人員要求較高，更新?lián)Q代快，程序編程過程中參數(shù)關(guān)系較復(fù)雜，適用的加工零件具有局限性，而在紅木雕刻方面，兩者恰好相輔相成，互補(bǔ)優(yōu)缺。

2.2 木料-雞翅木

所屬紅木：豆科，蘇木亞科，鐵刀木屬，雞翅木類，鐵刀木，氣干密度為0.75～1.04 g/cm3。國標(biāo)紅木，因木材心材的弦切面上有形似雞翅(“V”字形)花紋而得名，是制作高端家具、飾品、飾材的名貴木材。

3 加工過程

3.1 設(shè)備的使用操作及注意事項(xiàng)

使用操作。A.機(jī)床：打開電腦主電源，設(shè)備通電，將模式切換到手動(dòng)模式，使用手輪調(diào)整刀具架高度，將刀具架抬高，安裝刀具，使用扳手?jǐn)Q緊刀具，用虎鉗固定住被加工件，進(jìn)行對(duì)刀，依次找到X、Y、Z軸零點(diǎn)，找到整個(gè)被加工件的中心點(diǎn)，再使刀具尖部距離被加工件固定距離，將編程程序輸入到電腦軟件中，將機(jī)器切換到自動(dòng)模式，使軟件中刀具位置清零，選擇合適的轉(zhuǎn)速和刀具進(jìn)給速度，開始加工。B.熱成像：將機(jī)器置于機(jī)床前方1 m以內(nèi)，攝像頭對(duì)準(zhǔn)加工位置(可使用手掌體溫確定位置)，保證溫度可被準(zhǔn)確捕捉且整個(gè)加工過程都在可捕捉范圍內(nèi)。加工后勿動(dòng)機(jī)器，連接電腦軟件可觀測(cè)實(shí)時(shí)溫度變化。

注意事項(xiàng)。刀具一定要緊，否則會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。Z軸每加工一個(gè)木頭都要對(duì)刀，否則切削厚度誤差太大。因轉(zhuǎn)速過低會(huì)著火，刀具轉(zhuǎn)速必須每次都在24 000 r/min，保持非探究因素一致。熱成像設(shè)備的鏡頭要保持潔凈，不可觸碰。

3.2 第一輪試加工：試判斷雞翅木加工過程中的可研究方向

準(zhǔn)備工作：備好所需雞翅木30塊，普通刀30把。將編程程序?qū)腚娔X，刀具精確安裝，確保長(zhǎng)度一致。將XY軸對(duì)刀，整個(gè)加工過程XY軸保持不動(dòng)。

主要過程：以切削厚度參數(shù)1 mm、主軸轉(zhuǎn)速24 000 r/min為固定前提，每一次將Z軸對(duì)刀(由于木料厚度存在誤差，每一次具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際情況改變)。有規(guī)律增加刀的供給速度，以100 m/min為初速度，依次增加100 m/min，一直增加到3 000 m/min為止。加工過程中不改變外界環(huán)境，確保木頭不受外界陽光、溫度、儲(chǔ)存條件影響，全過程使用同一機(jī)器，確保不因機(jī)器參數(shù)區(qū)別問題影響最終結(jié)果。每一次加工使用同一種類同一長(zhǎng)度普通刀，使用刻度尺精確刀頭長(zhǎng)度。

數(shù)據(jù)：在上述前提條件下進(jìn)行加工，觀察并記錄每一速度下加工時(shí)因切削引起溫度過高而導(dǎo)致的冒煙現(xiàn)象及加工結(jié)束后刀糊程度，記錄加工時(shí)間，整理如表1。

表1 切削深度1 mm下各速度對(duì)應(yīng)現(xiàn)象

分析：不同進(jìn)給速度對(duì)刀具消耗程度不同，具體體現(xiàn)為冒煙程度及刀糊程度。消耗刀具的主要原因?yàn)檫M(jìn)給速度不同，刀具與木料產(chǎn)生的溫度不同，使刀具產(chǎn)生不同程度的燒糊狀(刀頭發(fā)黑)。

結(jié)論：要探究機(jī)床對(duì)紅木的加工，可以把溫度作為主要方向進(jìn)行下一步深入探究，再和其他因素(如時(shí)間等)進(jìn)行綜合考量。

3.3 第二輪加工：對(duì)不同進(jìn)給速度下刀具磨損程度的溫度因素研究

準(zhǔn)備工作：與第一輪準(zhǔn)備相同，加入熱成像測(cè)溫儀器，連接電腦，觀察并記錄整個(gè)過程中溫度具體變化。

主要過程：第二輪以切削厚度參數(shù)3 mm、主軸轉(zhuǎn)速24 000 r/min為固定前提，每次將Z軸重新對(duì)刀，與第一輪試加工同樣有規(guī)律增加刀的供給速度，以100 m/min為初速度，依次增加100 m/min，一直增加到3 000 m/min為止。

數(shù)據(jù)：記錄不同速度下冒煙和刀糊狀態(tài)及熱成像下最高溫和最低溫?cái)?shù)據(jù)，繪制折線圖。

表2 切削深度3 mm下各速度對(duì)應(yīng)溫度

圖1 進(jìn)給速度與溫度折線圖

圖2 四個(gè)區(qū)間內(nèi)平均最高溫及最低溫

分析：根據(jù)數(shù)據(jù)分析及折線圖直觀觀察，在切削厚度為3 mm條件下，除了速度過慢時(shí)，加工過程不再出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，但刀頭仍氧化發(fā)黑；在進(jìn)給速度大于1 800 r/min之后，刀不再出現(xiàn)刀頭氧化發(fā)黑現(xiàn)象。根據(jù)折線圖可觀察到在速度較慢時(shí)溫度相對(duì)較高，達(dá)100℃～200℃，速度提升上來后，溫度較為穩(wěn)定，相對(duì)比較最佳溫度區(qū)間在進(jìn)給速度為1 600～2 100 r/min。

結(jié)論：在速度為100～600 r/min時(shí)，溫度過高，有冒煙現(xiàn)象，刀頭氧化發(fā)黑，不建議在此區(qū)間工作；在速度上升到600～1 800 r/min時(shí)，溫度平穩(wěn)，無冒煙現(xiàn)象，刀頭氧化發(fā)黑，一般情況不建議在此速度區(qū)間工作，浪費(fèi)刀具；當(dāng)速度為1 800～2 100 r/min，溫度平穩(wěn)且相對(duì)平均值最低，無冒煙現(xiàn)象，刀頭完好，建議為最佳速度工作區(qū)間；當(dāng)速度上升到2 100～3 100 r/min時(shí)，溫度又稍有提升，但仍較為穩(wěn)定，無冒煙現(xiàn)象且刀頭完好，建議有快速工作需求時(shí)使用。

3.4 第三輪加工：刀具不同對(duì)加工是否起關(guān)鍵影響

探究：在刀具固定為普通刀(最高承受溫度400℃)時(shí)，溫度狀態(tài)如上，因只探究溫度過于單一，因此探究不同刀具的氧化磨損情況。

過程：使用最高承受溫度分別為800℃和1 200℃的刀具，切削厚度分別為3 mm和1 mm，由第一二輪加工經(jīng)驗(yàn)得出進(jìn)給速度越大時(shí)，刀具越不易氧化發(fā)黑，所以探究?jī)蓚€(gè)速度極端，在進(jìn)給速度分別為100 r/min和3 000 r/min時(shí)，好刀與普通刀的區(qū)別。

數(shù)據(jù)：見表3。

表3 800℃與1300℃刀具下兩速度對(duì)應(yīng)溫度

現(xiàn)象：由表3可得，不同刀具在100 r/min速度下均發(fā)生氧化發(fā)黑現(xiàn)象，在3 000 r/min速度下均未發(fā)生。

結(jié)論：刀具氧化發(fā)黑現(xiàn)象主要與進(jìn)給速度有關(guān)，與切削厚度及刀具種類關(guān)系不大。

4 結(jié)論

對(duì)紅木材料中的雞翅木進(jìn)行加工時(shí)，由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度有關(guān)鍵影響。可以以此選擇最優(yōu)進(jìn)給速度加工區(qū)間，類比出在其他紅木數(shù)控加工中按不同進(jìn)給速度加工時(shí)，可根據(jù)刀具氧化狀況及平均溫度選擇一個(gè)加工區(qū)間，這樣對(duì)用具和木料消耗較小。在進(jìn)給速度有條件約束的情況下，盡量選擇較大速度，可有效保護(hù)刀具，減小消耗。