实木数控镂铣加工中的纵向逆铣问题与解决措施

刘殷辉

[摘要]以杨树等树种为试材，采用ARTCAM软件设计特殊的浮雕雕刻进行测试，并采用数控雕刻机进行不同刀具路径的实木浮雕加工实验。本文分析了实木垂直反向铣削的原因，并提出了有效的解决方案。如果杨树和杉木的密度小于0.6 g/cm³，则压花容易卷取，密度大于0.9 g/cm³的木材应以500或900或螺旋形路径铣削，密度大于0.9克/立方厘米的木材不会皱纹，加工质量好。

[关键词]数控路径 加工路径 纤维方向

数控镂铣机在木材加工中的应用越来越受欢迎，但相关的设备和技术还有待提高。关于加工过程问题的实验分析和总结的文献很少，不利于技术进步和技术水平的提高。木材，特别是实木材料，与其他材料具有不同的性质，最突出的是木纤维结构的各向异性，这对铣削加工有特殊的影响。因此，有必要总结实木数控加工的规则。本文针对数控布线中的“纵向反向铣削”问题，借助CAD/CAM软件设计了一种特殊的实验浮雕。来自不同加工角度的数字控制代码用于测试各种树种的实际木材加工。分析了产生质量问题的原因，提出了解决方案，为实木数控加工的理论研究和相关加工提供参考。

一、实木数控铣削和铣削简介

由于其自然生长，木材的细胞壁主要由纤维素，木质素和半纤维素组成。纤维素赋予木材弹性和强度：木质素赋予木材硬度和刚性：半纤维素赋予木材剪切强度。木材的破坏是由微纤维和纤维素骨架填料的力撕裂或破碎引起的。由于木材细胞的特殊排列，木材的横向强度远低于纵向的横向强度。在实木切割中，由于木材的各向异性和切割工具以不同方式的运动，产生了许多不同的切割方法和不同的切屑。对于铣刨机，切削方式有纵向铣削，端铣和介质在纵向和端部之间的铣削和铣削之间的过渡。

对于每种类型的雕刻，平底锋利刀只有一个刀片参与切割。切割器的移动方向与纤维方向之间的角度在纵向布线中为0°，在末端布线中为90°。在纵向反向铣削中，刀片由加工表面切割。如果木纤维之间的强度低，它将分裂，并且刀片不能直接切割纤维，這将导致切屑形状的刨花。在纵向铣削中，刀片从木材表面切割到加工表面。木纤维直接切断以产生小芯片。在最终布线过程中，将形成木纤维，因为切割器的移动方向与木纤维之间的角度是90°。

由刀片切割，仅在0°和90°之间产生小切屑。随着角度的增加，木纤维的去除可以简单地从撕裂到剪切。在切割时，根据木纤维的破坏形式，我们可以得到加工表面粗糙度从小到大的顺序：（b），（c），（d），（e）。但是，NC布线的速度和其他参数是可调的，因此加工表面的粗糙度可以控制在可接受的范围内。数控布线是自动加工，工件可以在一次夹紧中完成多种形状表面的加工，雕刻刀具必须在一次加工中实现多种形式的雕刻。因此可能发生不完全切割。例如，在纵向反向铣削中，如果刀具突然停止切削，则剃须形状的切屑将保留在加工表面上，从而导致“毛发”现象。当头发发育严重时，会影响加工质量。

数控加工离不开CAD/CAM软件的支持。在本文中，ARTCAM软件用于完成建模工作。该软件是AUTODESK集团DELCAM公司的CAD/CAM产品之一。它功能强大，可以设计复杂的浮雕，并生成多种数控加工代码。该软件的一个显而易见的特点是它简单易用。该公司的CAD/CAM软件产品已用于飞机，汽车，珠宝和木雕等制造业。

二、数控加工实验

（一）浮雕设计

为了考察木纹理方向对数控镂铣加工质量的影响，专门设计了一个试验用浮雕。浮雕的幅面为100mm X 100mm，高度为6mm，其中包含了相互垂直的平面、斜面、六面锥体和圆环形曲面，力图包括浮雕加工中的典型形面。试验浮雕用ARTCAM软件设计，再利用该软件功能将浮雕模型转换成数控加工代码。

（二）试验过程

试验中将刀具运动路径与木材纤维长度方向的夹角作了如下规定：刀具运动方向与纤维方向平行时为0°，与纤维方向垂直时为90°。首先将所设计的浮雕生成为3种不同的加工路径代码：平行于木纤维长度方向的纵向加工（0°）、垂直于木纤维长度方向的端面加工（90°）和螺旋路径加工。其中，螺旋路径加工是从浮雕的中心点开始，刀具以阿基米德螺旋线轨迹在x-y平面运动进行加工。试件为杨木、杉木和枫木的弦切板或径切板。

三、试验结果分析

从0°至90°，杨木起毛现象是由多变少至无，因此加工质量是由差至优；大于50°后已无起毛，90°加工质量最好。加工过程中发现：当纵向逆铣出现刨花而不是细碎切屑时，就可能出现起毛，影响质量。观察加工样品可以发现，起毛发生在纵向逆铣中某些刀刃抬起或返回的部位，这是因为切削突然停止，木纤维没能被切断所致。

起毛最严重出现在5°～15°，而不是在0°，这一现象可以作如下解释：首先，加工时，木纤维的方向与刀具运动方向的夹角不一定正好与所设定的角度相同，导致加工结果有不规律的变化；其次，所加工的部位木纤维的横向强度有可能不均衡，造成该角度范围起毛现象有一定差别。总体看，0°～40°的质量为差。螺旋路径加工方式不起毛，有良好的加工质量，仅略次于90°加工。其加工质量好的原因是刀具运动在x-y平面的加工运动路径为近圆形，没有连续的纵向或端向镂铣，避免了“纵向逆铣”。但是螺旋路径加工耗时为1.33小时，比0°或90°方式加工多30%，效率较低，因此，应酌情采用。

四、结语

通过实验和分析，可以得出以下结论：

主要结果如下：①如果纵向反向铣削中木纤维的横向强度过低，则会产生刨花，这通常发生在树种密度小于0.6 g/cm³时。在数控铣削压花中，会产生毛发，影响加工质量：如果木纤维之间的强度足够高，就没有毛发，就可以获得良好的加工质量。对于密度大于0.9 g/cm³的树种，在数控加工压花时使用纵向雕刻可以获得优异的加工质量。②在数控雕刻中，对于在纵向加工中产生剃须的树种，使用50。或90。布线或螺旋布线可以避免毛发并获得良好或优异的加工质量。实验表明，对于杨树，杉木等快速生长的低密度树种，可以通过适当的加工路径实现优质的雕刻，为扩大应用范围提供了一种可行的加工方法。虽然本文没有处理更多的树种，该方法和分析具有理论性和实用性，可供参考。