基于JDSoft SurfMill的蠟版模具制作方法探索

張余益 邢小穎 井平安 陳遠(yuǎn)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(jì)研究對象和方法漸漸發(fā)生質(zhì)的變化，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中特別是消費(fèi)者對個(gè)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(jià)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(shí)現(xiàn)創(chuàng)意設(shè)計(jì)制造，讓生產(chǎn)出的產(chǎn)品有了個(gè)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(gè)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(yàn)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(shí)間的經(jīng)驗(yàn)積累，那么首飾制作行業(yè)也就慢慢的被大家認(rèn)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(jìn)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(jì)與CNC加工[2]，以實(shí)際案例來描述蠟版模具是如何設(shè)計(jì)和加工制造的。對從事模具設(shè)計(jì)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(jì)

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(xì)靈活的工藝特點(diǎn)，同時(shí)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(jì)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(jī)床、精雕工藝等。精雕機(jī)歸屬于數(shù)控機(jī)床，通常認(rèn)定精雕機(jī)是利用高速主軸、功率較大的電機(jī)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(xì)構(gòu)造設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)設(shè)計(jì)、刀具雕刻改良技術(shù)、精細(xì)快速主軸電機(jī)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(jī)、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(jì)，浮雕也是雕刻的一種，一般附屬在另一個(gè)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(jì)是通過三維造型軟件對構(gòu)建的二維圖形輪廓進(jìn)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(jìn)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(jì)算機(jī)中使用設(shè)計(jì)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(jì)

吊墜蠟版模具創(chuàng)意草圖的設(shè)計(jì)方法有通常有兩種，第一種就是手繪。設(shè)計(jì)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(jìn)入計(jì)算機(jī)，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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來完成圖形的設(shè)計(jì)。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件時(shí)可以選擇正向設(shè)計(jì)、逆向設(shè)計(jì)等方法完成。在計(jì)算機(jī)輔助軟件中使用正向設(shè)計(jì)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(jì)師想要創(chuàng)作的產(chǎn)品原型。而逆向設(shè)計(jì)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(jìn)行反求來獲得滿足后續(xù)再設(shè)計(jì)的圖形[4]。所以在逆向設(shè)計(jì)之后還需要正向設(shè)計(jì)的手法和工具對反求的圖形或模型進(jìn)行進(jìn)一步完善，最終獲得設(shè)計(jì)師需要的理想圖形或模型。本次我們采用計(jì)算機(jī)輔助逆向設(shè)計(jì)的方法完成，具體設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法如下。

具有校園文化的創(chuàng)意項(xiàng)鏈吊墜的原型設(shè)計(jì)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(jì)屬于概念設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)[3]，在JDSoft SurfMill7.0軟件的2D繪制中進(jìn)行概念草圖的設(shè)計(jì)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(yùn)用直線、圓弧、圓、樣條線等命令設(shè)計(jì)出所需要的二維草圖，之后對多出的線條進(jìn)行裁剪，對未閉合的區(qū)域輪廓進(jìn)行連接等操作，分別創(chuàng)建出建筑體二校門和?；ㄗ锨G花的概念曲線，如圖2右邊所示。

正面圖形的設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)。最終正反面效果圖如圖3所示。

1.2 三維模具造型設(shè)計(jì)

三維蠟版模具造型的設(shè)計(jì)區(qū)別于一般的實(shí)際產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)，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(jì)軟件的曲面設(shè)計(jì)功能來完成實(shí)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(shí)現(xiàn)曲面三維建模工作[7]。創(chuàng)建完成的實(shí)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(jì)為正反面，所以我們將正面造型和反面造型分別設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)輔助制造軟件中進(jìn)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(jìn)行[8]。首先創(chuàng)建和實(shí)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(jìn)行刀路自動計(jì)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(jìn)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(gè)34mm×45mm×8mm的一個(gè)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(jìn)行自動計(jì)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(jìn)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(jī)。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(diǎn)。這些特點(diǎn)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(jī)床測頭進(jìn)行工件坐標(biāo)系的創(chuàng)建，使得模型基準(zhǔn)與工件基準(zhǔn)重合。使用內(nèi)置程序完成基準(zhǔn)平面加工后更改Z軸原點(diǎn)坐標(biāo)。在精雕機(jī)控制軟件中打開加工文件，編譯后啟動程序進(jìn)行自動加工。吊墜蠟版模具上下模加工實(shí)物如圖6左邊所示。通過壓力蠟版注射機(jī)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(jī)為自動真空注蠟機(jī)，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(jìn)行批量蠟?zāi)D壓。

結(jié)語

以CNC精雕機(jī)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(jì)，之后通過該軟件完成了數(shù)字化雕刻加工的路徑設(shè)計(jì)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(jì)制作途徑，并且可實(shí)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(shí)間，提高生產(chǎn)效率。