红木数控铣削加工参数的选择

刘泽妤，邹天博，孙琦超，岳中驰

(沈阳航空航天大学 a.国际工程师学院；b.工程训练中心，沈阳 110135)

1 红木应用情况

红木是我国传统的木材原料，以温厚、质朴、典雅的文化特点被世人尊崇，其类别众多，主要有紫檀木、花梨木、香枝木、黑酸枝木、红酸枝木、乌木、条纹鸟木和鸡翅木等八大类，质地坚硬，纹路清晰，生长周期极长等。红木产地不多，原料匮乏，在明清时期大量砍伐，造成如今资源稀缺，一直依赖进口满足人们需求。而红木使用率日渐增加，其属于不可再生或再生周期很长的原料，面临着消耗殆尽的危机，这进一步决定了红木材料的珍贵性。因其原材料珍贵，加工更不能出现次品或废品，所需加工技艺亦需十分高超。而红木雕刻人才近年来良莠不齐，人才培养模式存在缺陷，导致人才十分稀少，出现人才断层。红木雕刻加工时间周期很长，需要较深的技术造诣，对于雕刻精准性有着更高的要求。

2 设备及材料

2.1 数控机床

数控机床是用数字化信息来实现机床自动控制，它将与加工零件有关的信息用规定的文字、数字和符号组成代码，按一定的格式编写成加工程序单，通过控制介质输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后发出各种与加工程序相对应的信号和指令进行自动加工。机床运行处于不断的计算、输出、反馈等控制过程中，保证刀具和工件之间相对位置的准确性，加工质量稳定。其加工精度高，能保证稳定的精度性，具有多轴加工功能，使复杂的工件能够被加工，当加工零件发生变化时，只需简单改变程序就可以再次生产。机床本身具有精度高、刚性大等特点，加工不容易出错，易学易懂易操作，自动化程度高，基本可以实现自动运行，大大降低工人需要的知识储备和劳动强度。数控机床应用领域正在不断扩展，但由于其价格昂贵，维修保养困难，对从业人员要求较高，更新换代快，程序编程过程中参数关系较复杂，适用的加工零件具有局限性，而在红木雕刻方面，两者恰好相辅相成，互补优缺。

2.2 木料-鸡翅木

所属红木：豆科，苏木亚科，铁刀木属，鸡翅木类，铁刀木，气干密度为0.75～1.04 g/cm3。国标红木，因木材心材的弦切面上有形似鸡翅(“V”字形)花纹而得名，是制作高端家具、饰品、饰材的名贵木材。

3 加工过程

3.1 设备的使用操作及注意事项

使用操作。A.机床：打开电脑主电源，设备通电，将模式切换到手动模式，使用手轮调整刀具架高度，将刀具架抬高，安装刀具，使用扳手拧紧刀具，用虎钳固定住被加工件，进行对刀，依次找到X、Y、Z轴零点，找到整个被加工件的中心点，再使刀具尖部距离被加工件固定距离，将编程程序输入到电脑软件中，将机器切换到自动模式，使软件中刀具位置清零，选择合适的转速和刀具进给速度，开始加工。B.热成像：将机器置于机床前方1 m以内，摄像头对准加工位置(可使用手掌体温确定位置)，保证温度可被准确捕捉且整个加工过程都在可捕捉范围内。加工后勿动机器，连接电脑软件可观测实时温度变化。

注意事项。刀具一定要紧，否则会出现危险。Z轴每加工一个木头都要对刀，否则切削厚度误差太大。因转速过低会着火，刀具转速必须每次都在24 000 r/min，保持非探究因素一致。热成像设备的镜头要保持洁净，不可触碰。

3.2 第一轮试加工：试判断鸡翅木加工过程中的可研究方向

准备工作：备好所需鸡翅木30块，普通刀30把。将编程程序导入电脑，刀具精确安装，确保长度一致。将XY轴对刀，整个加工过程XY轴保持不动。

主要过程：以切削厚度参数1 mm、主轴转速24 000 r/min为固定前提，每一次将Z轴对刀(由于木料厚度存在误差，每一次具体数值根据实际情况改变)。有规律增加刀的供给速度，以100 m/min为初速度，依次增加100 m/min，一直增加到3 000 m/min为止。加工过程中不改变外界环境，确保木头不受外界阳光、温度、储存条件影响，全过程使用同一机器，确保不因机器参数区别问题影响最终结果。每一次加工使用同一种类同一长度普通刀，使用刻度尺精确刀头长度。

数据：在上述前提条件下进行加工，观察并记录每一速度下加工时因切削引起温度过高而导致的冒烟现象及加工结束后刀糊程度，记录加工时间，整理如表1。

表1 切削深度1 mm下各速度对应现象

分析：不同进给速度对刀具消耗程度不同，具体体现为冒烟程度及刀糊程度。消耗刀具的主要原因为进给速度不同，刀具与木料产生的温度不同，使刀具产生不同程度的烧糊状(刀头发黑)。

结论：要探究机床对红木的加工，可以把温度作为主要方向进行下一步深入探究，再和其他因素(如时间等)进行综合考量。

3.3 第二轮加工：对不同进给速度下刀具磨损程度的温度因素研究

准备工作：与第一轮准备相同，加入热成像测温仪器，连接电脑，观察并记录整个过程中温度具体变化。

主要过程：第二轮以切削厚度参数3 mm、主轴转速24 000 r/min为固定前提，每次将Z轴重新对刀，与第一轮试加工同样有规律增加刀的供给速度，以100 m/min为初速度，依次增加100 m/min，一直增加到3 000 m/min为止。

数据：记录不同速度下冒烟和刀糊状态及热成像下最高温和最低温数据，绘制折线图。

表2 切削深度3 mm下各速度对应温度

图1 进给速度与温度折线图

图2 四个区间内平均最高温及最低温

分析：根据数据分析及折线图直观观察，在切削厚度为3 mm条件下，除了速度过慢时，加工过程不再出现冒烟现象，但刀头仍氧化发黑；在进给速度大于1 800 r/min之后，刀不再出现刀头氧化发黑现象。根据折线图可观察到在速度较慢时温度相对较高，达100℃～200℃，速度提升上来后，温度较为稳定，相对比较最佳温度区间在进给速度为1 600～2 100 r/min。

结论：在速度为100～600 r/min时，温度过高，有冒烟现象，刀头氧化发黑，不建议在此区间工作；在速度上升到600～1 800 r/min时，温度平稳，无冒烟现象，刀头氧化发黑，一般情况不建议在此速度区间工作，浪费刀具；当速度为1 800～2 100 r/min，温度平稳且相对平均值最低，无冒烟现象，刀头完好，建议为最佳速度工作区间；当速度上升到2 100～3 100 r/min时，温度又稍有提升，但仍较为稳定，无冒烟现象且刀头完好，建议有快速工作需求时使用。

3.4 第三轮加工：刀具不同对加工是否起关键影响

探究：在刀具固定为普通刀(最高承受温度400℃)时，温度状态如上，因只探究温度过于单一，因此探究不同刀具的氧化磨损情况。

过程：使用最高承受温度分别为800℃和1 200℃的刀具，切削厚度分别为3 mm和1 mm，由第一二轮加工经验得出进给速度越大时，刀具越不易氧化发黑，所以探究两个速度极端，在进给速度分别为100 r/min和3 000 r/min时，好刀与普通刀的区别。

数据：见表3。

表3 800℃与1300℃刀具下两速度对应温度

现象：由表3可得，不同刀具在100 r/min速度下均发生氧化发黑现象，在3 000 r/min速度下均未发生。

结论：刀具氧化发黑现象主要与进给速度有关，与切削厚度及刀具种类关系不大。

4 结论

对红木材料中的鸡翅木进行加工时，由实验发现，温度有关键影响。可以以此选择最优进给速度加工区间，类比出在其他红木数控加工中按不同进给速度加工时，可根据刀具氧化状况及平均温度选择一个加工区间，这样对用具和木料消耗较小。在进给速度有条件约束的情况下，尽量选择较大速度，可有效保护刀具，减小消耗。