基于CNC的产品原型加工工艺

龙峰

【摘  要】本文针对传统的CNC产品原型加工方法进行改进，提出了一種新的CNC产品原型加工工艺。首先简要地分析了3D打印、传统CNC产品原型加工工艺的优缺点。然后详细介绍了一种新的基于CNC的产品原型加工工艺的原理和实施过程。最后总结了该改进型工艺的优缺点和价值。

【关键词】CNC;快速原型;刀路规划

引言

近年来，随着3D打印技术的发展和普及，3D打印技术已经越来越被人们所了解。3D打印技术作为一种加材料的加工技术，与传统的减材料的切削加工技术有着明显的优点，它可以加工形状复杂且用传统的加工方法无法加工的零件。但是，3D打印在零件精度以及材料的选择上缺陷还是很明显。目前，利用3D打印和CNC加工的两种手板加工方法还不存在相互替代的可能性。

传统的基于CNC加工产品原型的工艺至少要2次装夹才能完成加工，利用填充石膏和胶水或真空吸附在工作台面来改善加工工艺条件。本文旨在介绍一种利用普通的三轴CNC机床，添加分度装置和三抓卡盘，通过一次性的装夹来完成整个手板的加工的工艺。

1.原理结构

通过旋转工件，得到不同的加工角度，利用分层切削方法，对工件进行分层切削。如图1所示，a图中，箭头方向为刀具方向，图中的黑色阴影部分为加工不到的区域，如果旋转工件到b图所示的方向，那么a图中不可加工的区域就可以加工了。一般来说，一个产品原型的加工，需要少则2个方向，多则3个以上。

为了防止工件加工完后掉落，在工件的模型上人为地增添相应的支撑结构，待加工完成后，再把它们从原型上移除掉。为了让工件旋转到预先设定的角度，在CNC机床上添加分度头和三抓卡盘，把工件固定在两个相对的三爪卡盘上，三爪卡盘与分度头连接，分度头可以精确地控制旋转的角度，分度头手动控制，可以不与CNC机床的XYZ三轴联动，详细的加工原理如图2所示。

2.技术实施

把待加工的3D模型导入到CAD/CAM系统，之后需要分析一下内容：（1）旋转轴分析;（2）建立工作坐标系;（3）支撑部件分析;（4）安装方位分析;（5）生成加工工序;详细流程如图3。

2.1旋转轴分析

旋转轴分析，主要考虑该旋转轴选定后，能保证刀具的切削角度最少，圆棒毛坯的直径最小。当确定了旋转轴后，沿着旋转轴轴向方向分析其剖切面最大轮廓半径，通过分析剖切图，可以确定其刀具的切削角度。如果剖切面最大轮廓半径小则意味着需要的毛坯圆棒的半径小，加工时剔除的材料少，对刀具长度的要求也低，可以用更短的刀具。

2.2建立坐标系

为了保证刀具不发生干涉和碰撞，以零件的旋转轴为x轴，原点建立在工件原棒毛坯的一个端面上，整个工件处于负x轴区域。

2.3添加临时支撑

传统CNC原型加工工艺的装夹方式一般为台虎钳，三爪卡盘，真空吸附或者利用502胶水吸附等。传统的加工工艺一般需要多次装夹，从而导致加工精度及效率的下降。

新的CNC原型加工工艺为了尽可能地减少装夹次数，通过在CAD模型的两端增设临时性支撑就可以使加工的零件在整个加工的过程中始终依附在毛坯上，而不是在加工的中途重新装夹，定位等，从而极大的提高了零件的加工精度和效率。如图4所示。

2.4加工角度及刀路规划

当CAD模型添加了支撑后，支撑就成为了CAD模型的一部分了。接下来就是确定加工的方位角度、切削深度、进给及切削用量等。通过沿着模型x轴的剖切面，可以分析出切削方向和切削深度。并以此为基础，规划刀具路径。如图5、图6所示。

3.结论

本文介绍的基于CNC的产品原型方法，适用于周期短、批量小、定制产品的生产和加工，相对于传统的CNC产品原型加工方法，产品精度和效率更高。当然与3D打印技术相比，基于CNC的产品原型工艺仍然不能加工形状特别复杂的产品原型，但它在零件的材料选择及表面精度方面的优势又非常明显。所以，对现有CNC产品原型工艺的改进仍然具有非常高的价值。

参考文献

[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.