張余益 邢小穎 井平安 陳遠洋

清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心 北京 100084

隨著智能制造技術(shù)的普及和成熟，以及我國工業(yè)4.0戰(zhàn)略的提出，產(chǎn)品設(shè)計研究對象和方法漸漸發(fā)生質(zhì)的變化，在產(chǎn)品設(shè)計中特別是消費者對個性化定制化產(chǎn)品的需求是急需解決的問題，且存在巨大的商業(yè)價值。工業(yè)4.0中倡導(dǎo)產(chǎn)品擺脫一成不變的生產(chǎn)方式實現(xiàn)創(chuàng)意設(shè)計制造，讓生產(chǎn)出的產(chǎn)品有了個性化定制的可能。而目前成熟的精雕工藝技術(shù)在產(chǎn)品的個性化方面應(yīng)用前景是非常大的。已演變成為當(dāng)今熱門生產(chǎn)工藝，在工藝品，禮品等生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛[1]。

首飾的在傳統(tǒng)制作方法中對制作者的手法和技藝有著較高的門檻和工作經(jīng)驗的積累。每一枚作品的誕生通常都需要制作者有很好的繪畫功底，并且需要一定的審美能力，其次對于很多蠟版制作的工具使用要非常熟練。也就是說首飾的傳統(tǒng)制作方法既要有很好的藝術(shù)修養(yǎng)基礎(chǔ)，又需要長時間的經(jīng)驗積累，那么首飾制作行業(yè)也就慢慢的被大家認為是一種具有藝術(shù)功底的熟練工種。但是由于近年來工業(yè)的迅速發(fā)展，各行各業(yè)都有了階段性的突破與改變，這便讓首飾品制造行業(yè)也搭上了這趟順風(fēng)車。先進的數(shù)字化制造裝備給蠟版的制作帶來了新的方法和工藝。除過手工雕刻蠟版之外，還涌現(xiàn)出了3D打印蠟版、數(shù)字化雕刻蠟版、模具注射蠟版。本次我們來介紹一種吊墜蠟版的模具設(shè)計與CNC加工[2]，以實際案例來描述蠟版模具是如何設(shè)計和加工制造的。對從事模具設(shè)計制造，精密鑄造，首飾品制造行業(yè)有一定的借鑒意義。

1 吊墜蠟版的模具設(shè)計

現(xiàn)代精雕技術(shù)是傳統(tǒng)雕刻技術(shù)和數(shù)控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它集合了傳統(tǒng)雕刻工藝精細靈活的工藝特點，同時利用了傳統(tǒng)數(shù)控加工中的自動化技術(shù)，成為一種理想的產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用技術(shù)。本文中所指的精雕工藝是整套CNC雕刻技術(shù)，主要包括精雕機床、精雕工藝等。精雕機歸屬于數(shù)控機床，通常認定精雕機是利用高速主軸、功率較大的電機和刀具的數(shù)控銑床。精雕工藝是將CAM技術(shù)、CAD技術(shù)、圖像處置技術(shù)、反向CAD技術(shù)、CNC技術(shù)、精細構(gòu)造設(shè)計以及生產(chǎn)設(shè)計、刀具雕刻改良技術(shù)、精細快速主軸電機等技術(shù)有效統(tǒng)一，是將人手工雕刻變成現(xiàn)代工業(yè)制造(指CNC雕刻的有效用具)的過程。精雕CNC雕刻體系基礎(chǔ)構(gòu)成是：精雕機、精雕雕刻CAM軟件、CAD軟件以及刀具快速雕刻技術(shù)[3]。

根據(jù)數(shù)字化雕刻蠟版后鑄造成的首版吊墜飾品可以看出，該作品為正反面結(jié)構(gòu)的圓形吊墜，原型吊墜飾品如圖1所示。這種圖案呈現(xiàn)效果類似于浮雕的設(shè)計，浮雕也是雕刻的一種，一般附屬在另一個平面上，可以在金屬材料和非金屬材料上雕刻，使物像凸起的雕刻技法，并只供一面或兩面觀看[2]。而該作品的造型設(shè)計是通過三維造型軟件對構(gòu)建的二維圖形輪廓進行拉伸和旋轉(zhuǎn)的特征操作，使得二維圖形在經(jīng)過特征操作后具有三維的曲面效果，然后與曲面相交的部分進行裁剪或拼接縫合，最終完成吊墜整體曲面造型的生成。所以我們先需要在計算機中使用設(shè)計軟件將正反面的二維造型輪廓線構(gòu)建完成。

1.1 創(chuàng)意草圖設(shè)計

吊墜蠟版模具創(chuàng)意草圖的設(shè)計方法有通常有兩種，第一種就是手繪。設(shè)計師憑借著自身的藝術(shù)天賦和多年的繪畫基礎(chǔ)，使用多樣的繪圖工具，如鉛筆、毛筆、勾線筆等其他需要手工作業(yè)的輔助工具來繪制。之后使用掃描設(shè)備將圖紙中的圖形掃描進入計算機，再經(jīng)過矢量化的處理方式完成電子版圖形。第二種是直接使用計算機輔助設(shè)計軟件來完成圖形的設(shè)計。使用計算機輔助設(shè)計軟件時可以選擇正向設(shè)計、逆向設(shè)計等方法完成。在計算機輔助軟件中使用正向設(shè)計的方法是應(yīng)用該類軟件中的繪圖工具和圖形編輯修改工具直接構(gòu)建設(shè)計師想要創(chuàng)作的產(chǎn)品原型。而逆向設(shè)計是通過在軟件中對導(dǎo)入的圖形、掃描的圖形、照片等已有的參考元素進行反求來獲得滿足后續(xù)再設(shè)計的圖形[4]。所以在逆向設(shè)計之后還需要正向設(shè)計的手法和工具對反求的圖形或模型進行進一步完善，最終獲得設(shè)計師需要的理想圖形或模型。本次我們采用計算機輔助逆向設(shè)計的方法完成，具體設(shè)計理念和設(shè)計方法如下。

具有校園文化的創(chuàng)意項鏈吊墜的原型設(shè)計理念來源于清華大學(xué)的早期建筑二校門和學(xué)校的紫荊花，如圖2左邊所示。

創(chuàng)意草圖的設(shè)計屬于概念設(shè)計的環(huán)節(jié)[3]，在JDSoft SurfMill7.0軟件的2D繪制中進行概念草圖的設(shè)計與創(chuàng)建[5]。首先在文件輸入中導(dǎo)入需要參考的圖片，其次使用曲線繪制功能運用直線、圓弧、圓、樣條線等命令設(shè)計出所需要的二維草圖，之后對多出的線條進行裁剪，對未閉合的區(qū)域輪廓進行連接等操作，分別創(chuàng)建出建筑體二校門和校花紫荊花的概念曲線，如圖2右邊所示。

正面圖形的設(shè)計分別從我校具有代表性的建筑和?；ㄖ刑崛?，最終將兩部分的圖案進行合理的排布與融合完成定稿，反面選用我校?；张c我們二級單位的logo完成定稿設(shè)計。最終正反面效果圖如圖3所示。

1.2 三維模具造型設(shè)計

三維蠟版模具造型的設(shè)計區(qū)別于一般的實際產(chǎn)品造型設(shè)計，由于蠟版模具的功能是將融化后的蠟加壓注入模具空腔中冷卻成型，所以我們的蠟版模具造型必須是原始造型的翻模[6]。那么我們可以根據(jù)三維設(shè)計軟件的曲面設(shè)計功能來完成實際所需要的原始模型，利用曲面拉伸、曲面旋轉(zhuǎn)、面面裁剪、曲面組合等工具操作來實現(xiàn)曲面三維建模工作[7]。創(chuàng)建完成的實際曲面造型的反面內(nèi)部型腔便是我們所需要的翻模，如圖4左邊所示。該蠟版的設(shè)計為正反面，所以我們將正面造型和反面造型分別設(shè)計加工在上模和下模上，蠟版反面造型是利用二維曲線雕刻功能在下模中心雕刻出圖案logo即可，主要外型輪廓都在上模。分型面留在下模logo雕刻平面上，利于模具的開合，蠟版模具的開合由導(dǎo)向柱引導(dǎo)完成。最終設(shè)計的蠟版模具如圖4右邊所示。

2 自動編程與加工仿真

蠟版模具的數(shù)字化雕刻需要在計算機輔助制造軟件中進行自動編程來制定加工工藝，本次的蠟版模具編程在JDSoft SurfMill7.0軟件加工模塊中進行[8]。首先創(chuàng)建和實際尺寸相同的毛坯，選擇相應(yīng)的加工策略，定義與模具造型匹配的刀具和刀具參數(shù)，進行刀路自動計算，生成加工路徑。再經(jīng)過多次加工仿真、修改加工參數(shù)直到合理后進行后置處理生成加工程序，最后輸出加工文件。

(1)創(chuàng)建毛坯[9]：在導(dǎo)航工作條中選擇加工模塊，使用“毛坯形狀”工具定義一個34mm×45mm×8mm的一個方體作為上模毛坯，下模創(chuàng)建同樣的尺寸毛坯。

(2)創(chuàng)建刀具[10]：使用“刀具表”工具定義6把刀具，分別是：4號刀位為4mm平底銑刀、5號刀位為2mm平底銑刀、10刀位為1mm平底銑刀、8號刀位為2mm球頭銑刀、11號刀位為0.5mm錐度平底刀、7號刀位為0.2mm錐度平底刀，錐度平底刀錐度為30度。

(3)選擇加工策略和設(shè)置加工參數(shù)[11]：該蠟版模具上模有三部分需要加工，分別是內(nèi)腔、澆道、定位銷導(dǎo)向孔，我們以內(nèi)腔為例說明自動編程流程。選擇“刀具路徑”—“路徑向?qū)А薄胺謱訁^(qū)域粗加工”命令后確定，系統(tǒng)彈出“分層區(qū)域粗加工”對話框，設(shè)置加工深度范圍、刀具幾何形狀、路徑間距、軸向分層、下刀方式、走刀速度、冷卻方式、加工圖形的參數(shù)后進行自動計算，生成刀具路線，完成模具內(nèi)腔主體粗加工。半精加工和精加工選擇“平行截線”命令后，依次設(shè)置加工參數(shù)完成精加工路線，加工路徑如圖5(1)所示。完成加工路徑后將三部分特征進行仿真加工，仿真效果如圖5(2)所示。蠟版下模的加工按照同樣的工藝流程，選擇“分層粗區(qū)域加工”和“曲面流線精加工”命令完成導(dǎo)向孔和澆口的加工，下模的加工選擇“單線切割”命令后，使用0.2mm的錐度平底刀完成鏡像圖案的雕刻加工，加工路徑如圖5(3)所示，仿真加工效果如圖5(4)所示。

3 蠟版模具加工

本次蠟版模具的加工使用的是JDHGT600T精雕機。使用精密平口鉗和平行墊鐵安裝固定34mm×45mm×8mm的H59黃銅毛坯。黃銅材料具有導(dǎo)熱性好、耐磨、加工表面光滑等優(yōu)點。這些特點利于注射蠟版的散熱，可快速冷卻成型并且好脫模。安裝好毛坯后使用機床測頭進行工件坐標系的創(chuàng)建，使得模型基準與工件基準重合。使用內(nèi)置程序完成基準平面加工后更改Z軸原點坐標。在精雕機控制軟件中打開加工文件，編譯后啟動程序進行自動加工。吊墜蠟版模具上下模加工實物如圖6左邊所示。通過壓力蠟版注射機注射入蠟版模具中，完成蠟版批量制作如圖6右邊所示。所用注蠟機為自動真空注蠟機，氣壓0.4～0.7Mpa，溫度設(shè)置一般為40.0～99.9℃，蠟桶容量約3kg，可進行批量蠟?zāi)D壓。

結(jié)語

以CNC精雕機加工吊墜蠟版模具為例，介紹了工業(yè)軟件JDSoft SurfMill7.0以快捷的方式構(gòu)建二維曲線，以曲面建模的方式完成蠟版模具設(shè)計，之后通過該軟件完成了數(shù)字化雕刻加工的路徑設(shè)計和編程過程。為首飾品的制作過程提供了新的工藝方法和蠟版設(shè)計制作途徑，并且可實現(xiàn)蠟版批量制作。解決了產(chǎn)品一致性差等問題，節(jié)約了大量手工制作蠟版的時間，提高生產(chǎn)效率。