實用的CNC雕刻機固定物件技巧

八月 1, 2017
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很久很久以前,每位機械大師的任何動作,都會經過測量、記錄並儲存在紙卡或紙帶上。這些儲存下來的數字被用來控制研磨機和車床等機器的馬達,讓它們得以完全仿照機械大師的動作進行。這就是數值控制(NC)。第二次世界大戰後,製造業引進了電腦,開始用電腦控制機器,稱為電腦數值控制(CNC)。大體而言,以電腦控制馬達的工具,包括現代3D印表機、雷射雕刻機和切模機,當然還有本文的重點:CNC雕刻機(圖A)或主軸馬達裝置。
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圖A Tim Deagan提供

CNC通常意指減法製造技術。減法製造會利用鑽頭和削刀等工具去除原料──反之,加法製造技術如3D列印,就是持續增加原料。3D印表機仰賴塑膠的黏著性讓印製的物品保持不動,反觀CNC雕刻機會對物件進行研磨、切割和鑽孔,具有侵略性──除非物件安穩固定,否則在切割期間很容易導致物件破損或昂貴鑽頭損壞。
 
CNC雕刻機固定物件是可以寫成一本書的學問,本文僅會基本介紹如何使物件穩穩固定。至於採用何種方法,取決於你要安裝上的桌面或操作平臺,以及你要固定的物件材料,以下的技巧可以帶你認識一些重要概念。

固定加工物件的基本概念

CNC雕刻機的操作臺可能一片平坦,也可能內建有如T型槽等設計來固定加工物件。T型槽(圖B)的T字橫條位於操作臺底面或裡面。螺帽可以卡進凹槽,並預留一段空間來插入螺栓或夾具。
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圖B

夾具分成很多種。不同的設計有各自的優缺點。它們就算僅夾住一小塊區域,也能夠產生意想不到的夾力。但只要沒有夾對位置(圖C)就達不到固定的效果,產生一些麻煩
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圖C

至於沒有T型槽的操作臺,可能會在固定位置設置螺牙套(圖D),螺栓即可插入其中,固定各式各樣的夾具。
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圖D

你要採取何種固定策略取決於你會切穿物件,還是只會在物件表面進行切割。若你會切穿物件,通常會在物件底下墊個「保護板」,以免切到操作臺。你還要預先想到,一旦物件失去支撐,又持續遭到撞擊,恐怕會移位。許多電腦輔助設計(CAD)程式大多有添加側翼的功能(圖E)。側翼並不大,但能為物件的底部預留不切割的空間,讓物件能夠從頭到尾就定位。
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圖E

部分夾具則是設計來用邊緣夾住物件,而不是與物件平行(圖F),這就會呈現某種特定角度。它是由操作臺的背面固定。
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圖F

多數情況都會使用夾鉗來固定物件(圖G)。這樣很方便迅速切換物件,但缺點是只能從一個方向固定物件。
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圖G

夾具不夠

當你很需要絕對的定位,就必須提升到另一個層次,以治具取代夾具。治具可以從各個面向正確固定物件的位置。物件會滑入或深入治具下,以一兩個快速鉗固定。用凸輪夾(圖H)鎖緊,以水平力道固定物件是很常見的冶具做法,鉸接夾(圖I)則是以垂直力道固定物件。
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圖H

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圖I

夾具仍然有可能妨礙切割的缺點。若你看到要價30美元的鑽頭不小心切到金屬夾具,你會很難過(卻不算少見)。我的許多夾具上都留下了可恥的印記(圖J),促使我更小心謹慎。
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圖J

有不少操作需要物件完全裸露,不能被夾具遮住,這個時候就要借助三個基本方法。第一,用螺絲或釘子將物件直接固定在操作臺,這有賴縝密的計畫,以免鑽頭切到螺絲。這個方法也無法固定整個物件,因為若沒有側翼的部分與螺絲切割開來,物件就可能移位。
 
第二是大型CNC切割機常用的方法,多用於櫃子或木工工作坊。操作臺表面會有小洞,底下還有溝槽,形成真空,就像是翻面的空氣曲棍球桌。這樣可以從頭到尾固定物件,切割完畢亦可迅速鬆開。真空夾具另有更小的尺寸,使用方式類似夾鉗(圖K)。
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圖K

第三,用雙面膠固定物件。這可以應付較小的物件,大的物件就有困難了。貼雙面膠時要小心,以免有漏網之魚缺乏支撐,就算有支撐和沒支撐的部位只有100分之1吋的高度差,都可能為不少物件帶來麻煩。不幸的是,大量使用雙面膠並不便宜,效果也差強人意。更糟的是,雙面膠大多都很乏力。

超強黏力的客製膠帶

Crimson Guitar的弦樂器製作大師Ben Crowe將雙面膠法加以修改,想出了一個大受歡迎的做法。他採用一般的紙膠帶(寬面),同時黏在操作臺和物件上,接著在膠帶其中一面塗上薄薄的快乾膠,另一面塗上加速劑(非必要),組合在一起後,就是超強力的自製雙面膠,成本也很合理。一旦完成切割工作,膠帶也很容易從物件和操作臺上剝落。
 
我在大型物件上用過這個方法,但我不是用紙膠帶,而是寬度12”或24”的抽屜貼(又稱Contact Paper)和噴膠(圖L)。
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圖L

這讓我能將大型皮件固定在操作臺上,不僅牢固,還很便宜,再也不用仔細黏貼多條雙面膠。這比調整雙面膠位置省事多了,不但不會重疊,也不會凹凸不平、留下空隙或在操作臺或物件上留下黏膠。我通常會將報紙鋪在我沒有要噴膠的地方(如CNC的馬達或軌道),噴膠會讓黏膠均勻分佈,抽屜貼也能夠輕易撕下,完工後不會遺留任何問題,但切割期間又可以安穩固定(圖M)。
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圖M

本文只是介紹固定物件的皮毛,我希望大家可以實驗或研究更多方法,讓你的CNC切割大獲成功!

(譯:謝明珊)
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