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1、第十三章 圆柱体产品的加工第十三章 圆柱体产品的加工教学提示：本章重点内容是对圆柱体产品加工的基本介绍和圆柱体产品与普通三维加工在设计和雕刻上的不同之处。由于圆柱体产品加工的特殊性，需要培训教师重点把握其特点，重点讲解展开图的获得，接缝的处理，加工设备的使用等方面内容。13.1 圆柱体产品的特点及加工要求教学目的：通过对产品特点和应用的介绍，使学员掌握圆柱体产品的加工要求。教学重点：圆柱体产品的加工要求。13.1.1 圆柱体产品的应用从加工圆柱体产品的客户来看，加工对象主要分为成品加工和辊轮模具加工两大类。成品加工主要以刻度盘加工、首饰加工、字轮、钟表零件加工等最具有代表性。如图13-1左边两
2、图。加工后得到的产品已经是成品了。成品加工大多数是批量加工，加工效率要求高。在辊轮模具加工中，我们现在涉及到的有烫金模具、热切模具(如图13-1右图所示)等等。模具的最终成型可以通过两种途径来实现：一种方法是直接加工成品模具；一种方法是先雕刻小直径的辊轮，然后通过小直径的辊轮去压制大直径的辊轮或者是平面钢板来得到最终的模具。 图13-113.1.2 圆柱体产品的加工要求1、成品辊轮的加工要求：（1）辊花拼接不能有接缝，接缝精度要求非常高。（2）尺寸精度、位置精度要求高。（3）多个产品的一致性要求高。例如图13-1中的刻度盘的加工，要求雕刻完成后，刻度线之间的距离要均匀，刻度线本身的宽度和深度要
3、均匀。2、辊轮模具的加工要求：（1）辊花拼接不能有接缝，接缝精度要求非常高。（2）尺寸精度、位置精度要求高。（3）表面粗糙度要求低。13.1.3 精雕CNC雕刻机在圆柱体产品加工行业中的应用在精雕CNC数控雕刻机上实现圆柱体产品的加工，可以根据所加工圆柱体的直径、长度、重量、加工精度等的要求不同，选择以下两种设备来完成加工。1、旋转坐标轴在通用模具雕刻机上安装一个附件旋转轴，在专用的柱面控制程序RT3D控制下完成加工。旋转轴是加工小型圆柱体产品的必要辅助工具。加工范围受到旋转轴尺寸的影响。如图13-2。图13-22、柱面雕刻机JDZMS也可以通过专用的柱面加工机床JDZMS来完成加工，如图13
4、-3所示。这种机床是专用的柱面加工机床，加工精度、加工尺寸和承载能力都要比旋转轴好得多。机床参数如图13-3。图13-313.2 圆柱体产品的雕刻教学目的：通过实例的分析讲解，使学员掌握圆柱体产品的设计和加工方法。教学重点：1、 如何获得圆柱体产品展开图。2、 如何处理接缝的拼接。3、 加工工艺分析。4、 旋转轴和柱面雕刻机的使用。13.2.1 产品特点分析1、明确实物与辊轮模具的关系本例是一个典型的小辊轮压制大辊轮的实例，大辊轮压制出的实物如图13-4所示。如前所述，我们首先雕刻小直径的辊轮，然后通过小直径的辊轮去压制大直径的辊轮或者是平面钢板来得到最终用于加工成品的模具。由此可知，小辊轮与
5、实物特点保持一致。2、获取设计信息大多数情况下客户提供的是一件实物，这就需要我们与客户交流，了解客户的要求，认真把握每一个细节。然后研究图纸，获得基本的尺寸信息。确定实例图案适合用怎样的方式进行设计。现在我们看到的是一个简单的平面图案产品，如图13-4。该产品的图案是由一组正六边形均匀排列组成，根据客户提供的图纸，单个图形之间的关系如图13-5所示： 图13-4 图13-5辊轮的尺寸：直径30毫米，宽28毫米；由于小轮辊是用来压制大辊轮的，小辊轮的直径是客户根据最终模具的尺寸和二次加工机床的参数计算得到的。小辊轮的宽度参数是根据图案的尺寸来计算的，宽度一般是能够包含一组完整的图案组。13.2.
6、2 加工工艺分析如果客户拿来的实物图案不能通过规则的几何绘图完成设计，我们需要先扫描、抄图获得原始图形，然后再通过阵列等编辑变换功能得到设计图形。本例中客户拿来的产品图案简单且有规律，我们无需抄图，根据图纸尺寸直接在JDPaint中设计即可。在进行图形设计之前，我们要根据客户提供的图纸进行分析，从图13-4可以看出，图形是由多个六边形组成，根据图13-5可以看出，每个六边形的内接圆的直径是3mm。我们设计的时候可以设计成如下图形，如图13-6：图13-6然后我们分析使用区域雕刻的底面雕刻方式雕刻掉每个小六边形周围的区域范围，完成后就可以得到我们所要的效果如图13-4。 但是这种图案，用区域雕刻
7、的方式雕刻加工，机床震动比较大，并且雕刻时间比较长。因为图案中要雕刻的范围都是一些比较狭长的区域，雕刻这种区域，生成的刀具路径的长度太长，而且刀具在雕刻过程中起停的距离比较短，起停频率比较高。所以不适合用区域雕刻的方式进行雕刻。 我们用什么样的方式来进行加工比较合理呢？ 从图13-5可以看出，每个小六边形之间的距离是相等的，而且产品要求的雕刻深度和侧面斜度都相等。那么我们能不能通过底直径0.5mm的一把锥度刀，用单线雕刻的方式来进行加工呢? 当然可以，但是以单线雕刻方式计算路径，生成的路径是指刀具的中心沿着绘制的线条所走过的轨迹，所以图13-6的图形不能满足我们的要求。那么应该设计成什么样的图
8、形呢？ 从图13-6可以得知，如果我们把图中的小六边形向外等距0.25mm，然后用JD-40-0.5的锥度刀做单线雕刻，理论上雕刻出来的效果就可以满足图13-4所示要求。 下面开始讲解整个图形的设计过程。13.2.3 产品设计过程1、绘制展开矩形首先根据要加工产品或者模具材料的直径，计算出圆柱体的平面展开图，为了保证加工精度，在计算材料的周长时精确到小数点后两位。如图13-4所示：图13-7所以，我们第一步需要根据理论直径，计算小辊轮的展开图 这里提到一个理论直径，理论直径不是直接测量我们待加工的小辊轮的直径，而是我们需要的理论直径尺寸。 比如我们根据二次成型机床的加工参数和最终我们要求得到的
9、模具的尺寸，计算的小辊轮直径是30mm，那么我们计算小辊轮展开矩形的时候就使用30mm这个尺寸。这就是理论尺寸。而不能直接测量待加工材料的直径，因为它也是在其他机床上加工得到，那么这个待加工材料就有尺寸公差。我们测量的时候，同样都是按照30mm加工出的材料，因为公差的存在，不同的人测量的实际尺寸就不一样，这样我们就不能够得到准确的尺寸。2、如何保证圆柱体加工中首尾精确连接用于计算展开图的直径是否准确，就关系到如何确保雕刻加工出的辊轮接缝准确的问题。加工压花辊轮的难点就是加工图案的准确连接，这一点也就是圆柱体产品加工的区域规划和工艺规划与常规的三维雕刻加工的不同之处。在圆柱体产品加工的区域规划过
10、程中，除了常规的划分雕刻区域以外，更重要的是要处理好工件旋转一周后，起点和末点的接缝。接缝的处理存在以下几种情况：（1）对于各自独立的小单元之间组成的图案来讲，在安排接缝时，尽可能避免把接缝安排在每个小单元上，如图13-8。应该把接缝安排在两个小单元之间的位置处，如图13-9所示：图13-8图13-9图13-9接缝的设计实际是取左补右，这样可以避免把一个完整的图案拆分。这是一种比较简单的情况。路径设计生成刀口线、压紧边的方法以及用刀原则和加工工艺与前面高频模是一样的，可以按照前面的思路进行设计。（2）对于一组连续的图案或者没有办法实现如图13-8变换的图案，接缝的设计就比较复杂。这种情况下的接
11、缝设计，我们将在下面的实例分析中详细讲解。目前无论是产品的加工还是模具加工，图案的曲面化趋势越来越明显，这就增加了设计加工的难度。因此不但要求设计软件必须具有强大的曲面设计功能，同时对于设计人员的素质要求也比较高。曲面辊轮设计过程中造型设计与前面部分的方法基本相同。难点同样是接缝部分的处理。如果整体图案由独立的曲面图案单元构成，接缝的处理可以和图13-8相同，如果整体图案是由连续的不规则曲面构成，为了保证图案能够准确连接，产品上没有接缝，在进行曲面设计时应将接缝处调到曲面最高或最低点。 为达到符合要求的接缝精度，要做到以下几点： 在计算材料周长时精确到小数点后两位。设计文件时使雕刻范围内的图案
12、首尾对称相接。 保证展开矩形的直径尺寸与后面我们在控制软件中填写的工件直径尺寸一致。在本实例中计算的小辊轮展开矩形的尺寸是：长3.14159263094.25mm；宽28mm。 以上三点是圆柱体产品的加工中保证加工出的产品图案接缝准确的重要条件。 3、区域等距得到一个用于单线雕刻的正六边形将原始的小六边形（内接圆直径为3mm）向外区域等距0.25mm，得到一个新的正六边形，用于单线雕刻。4、绘制阵列用的最小单元组图形在常规的的情况下，对单个小六边形直接阵列就可以得到如图13-10所示的图形。不过这样设计存在的问题是除了边缘的线条以外，里面的线条都是重复存在的。计算单线雕刻的路径，同一个位置重复
13、进行了2次雕刻，浪费了一半的时间。所以进行图形设计的时候不可以直接进行阵列。应该对图形进行变换，得到阵列前的最小单元组图形。具体操作步骤如下：使用平移命令，得到如图13-11的图形；将如图13-11的图形使用“集合”命令集合在一起；在节点编辑状态下，选择图形所有节点后执行“节点分离”命令；回到图形编辑状态下，选择图13-11的图形再执行“取消集合”命令；删除阵列不必要的线段得到如图13-12的最小单元组图形。 图13-10 图13-11 图13-125、按照展开矩形放缩图形依据展开矩形的尺寸对图13-12所示的图形进行阵列，单元组图形的尺寸为6.063.50，而矩形尺寸为94.2528，经过计
14、算，我们横向阵列8个，纵向阵列16个，得到如图13-13所示的图形。从图13-13可以看出，在整个矩形范围内的图案首尾并不对称的，在这种情况下，图案旋转一周后，无法准确连接。如何解决这个问题呢？这个问题的解决方法也是圆柱体产品设计时准确接缝的一项重要内容。在这种情况下我们要对图13-13的图形进行放缩。放缩的目的是要求整个图形纵向尺寸与展开矩形的纵向尺寸相等。放缩后得到如图13-14所示的图形。 图13-13 图13-14 “放缩”的具体操作步骤如下：首先确定展开矩形的高是94.25mm；选择图13-13中除矩形框以外的所有的图形；选择“变换”菜单中的“放缩”命令，谈出对话框如图13-15。在
15、对话框中的纵向尺寸栏内输入94.25，点击“确定”，得到图13-14。对于这也一步操作有些同学可能可能会问：这不是改变了小六边形的原始尺寸了吗？是的，放缩后，小六边形的纵向尺寸是改变了。但是改变了多少呢？大家如果实际做一下就可以知道，整个图案的纵向尺寸缩小了2.75mm，对于多个六边形来讲，每一个六边形纵向平均尺寸的变化实际是非常小的，这个变化是在允许的公差范围之内，可以忽略。从另一个角度来讲，我们的小辊轮直径尺寸是标准值，而我们要进行加工的的图案可能是各种各样的。像现在这种情况，图案尺寸不可能正好和计算的展开矩形的尺寸相等。这时候就可以在图形允许的公差范围内，使用放缩的方法来对图案进行调整，使在一定单元范围内的图案，纵向尺寸与展开矩形的纵向尺寸相等。具体图案应该是放大还是缩小呢
