李小靜，馮立艷

(1.華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063020)

基于CAXA的藝術(shù)陶瓷品異形曲面模具的加工

李小靜1，2，馮立艷2

(1.華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063020)

基于CAXA軟件，對(duì)藝術(shù)陶瓷品石膏模具異形曲面進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，制作加工模具，進(jìn)行加工仿真等。結(jié)果表明，借助CAXA解決了異形曲面模具加工過(guò)程中振動(dòng)大、刀具干涉、表面粗糙等問(wèn)題。

CAXA；藝術(shù)陶瓷品異形曲面；加工模具

0 引言

1 藝術(shù)陶瓷品模具及加工的特點(diǎn)

藝術(shù)陶瓷作品設(shè)計(jì)的曲線曲面非常復(fù)雜多變，手工拉坯再反求模具的工藝已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)要求。而數(shù)控加工模具已屬成熟的技術(shù)，只需要運(yùn)用軟件即可完成復(fù)雜曲面的編程。

1.1 模具分析

圖1 產(chǎn)品模具

通過(guò)圖1可看出，為達(dá)到藝術(shù)效果，產(chǎn)品模具曲線條的變換無(wú)規(guī)律可言，其特點(diǎn)是：拐點(diǎn)密集，圓弧段小而多，空間曲面曲率的變化也比較大。這在實(shí)體生成時(shí)就會(huì)形成許多以細(xì)小平面為單位的曲面，導(dǎo)致加工后產(chǎn)生形狀誤差和較大的表面粗糙度。圖1中，模具的中部存在小圓弧過(guò)渡，中下部尺寸較深，因此刀具的選擇要慎重，否則會(huì)出現(xiàn)刀具干涉等情況。

1.2 材料分析

模具材料為石膏，石膏是非常普遍的陶瓷注漿模具的材料，一般為白色粉狀的晶體，也有灰色和黃色的結(jié)晶體，它屬于單斜晶系，主要成分為硫酸鈣。理論上石膏中水的含量為18.6%，但在實(shí)際的模具制作過(guò)程中水的比例要大得多，目的是為了獲得一定流動(dòng)性的石膏漿以方便澆筑，同時(shí)能獲得表面光滑的模型。多余的水分在干燥后會(huì)留有很多的毛細(xì)氣孔，使石膏模型具有吸水性。這一特點(diǎn)決定了在加工中不能使用切削液，高速度、大吃刀量的粗加工方式也不能應(yīng)用于該模具加工中。

1.3 精度分析

因模具加工完成后要進(jìn)行骨質(zhì)瓷瓷品的生產(chǎn)，所以要求澆筑成型后的瓷品坯子表面具有一定的精度。若模具表面精度不夠，就無(wú)法得到精度高的瓷品坯。因此，需要考慮模具的精度和表面粗糙度問(wèn)題。

1.4 尺寸分析

模具的尺寸較深，最深的部位為120 mm，最淺部位為10 mm，形成了較大的尺寸落差。模具的曲面曲率大的部位和曲面曲率小的部位在加工中容易引起刀具干涉問(wèn)題。選擇刀具時(shí)需要兩方面兼得，盡可能使用直徑加大的刀具來(lái)加工，刀具的長(zhǎng)度也要符合深度尺寸，避免撞刀。

（2）構(gòu)建制度框架。市政府出臺(tái)《關(guān)于全面推進(jìn)預(yù)算績(jī)效管理的意見(jiàn)》，要求全面推進(jìn)預(yù)算績(jī)效管理。市財(cái)政局印發(fā)《宜都市預(yù)算績(jī)效管理操作規(guī)程》《關(guān)于開(kāi)展預(yù)算績(jī)效管理評(píng)價(jià)工作的通知》等9項(xiàng)預(yù)算績(jī)效管理文件和辦法，形成了涵蓋目標(biāo)管理、運(yùn)行監(jiān)控、績(jī)效評(píng)價(jià)，進(jìn)一步理順了部門(mén)職責(zé)，規(guī)范了操作流程，明確了工作任務(wù)。

2 基于CAXA解決藝術(shù)陶瓷品模具異形曲面加工問(wèn)題

2.1 CAXA軟件曲面的設(shè)計(jì)與加工

CAXA制造工程師軟件在曲面設(shè)計(jì)中有多種NURBS曲面造型手段，能夠?qū)崿F(xiàn)自由曲面造型[1]，通過(guò)掃描、放樣、旋轉(zhuǎn)、導(dǎo)動(dòng)等多種形式生成復(fù)雜的曲面，并且提供曲面線剪裁和面剪裁、曲面延伸、多張曲面間的拼接功能以及按照平均切失或選定曲面切失的曲面縫合功能。另外，還提供了強(qiáng)大的曲面過(guò)渡功能，能實(shí)現(xiàn)等半徑或變半徑的過(guò)渡。CAXA支持實(shí)體與復(fù)雜曲面混合的造型方法，提供藝術(shù)陶瓷品異形模具的曲面裁剪實(shí)體的功能，同時(shí)也有曲面加厚形成實(shí)體、閉合填充形成實(shí)體等功能。曲面和實(shí)體造型方法的完美結(jié)合，是制造工程師軟件的一個(gè)突出特點(diǎn)，也正是基于這個(gè)特點(diǎn)，本項(xiàng)目選用CAXA軟件來(lái)解決模具加工中遇到的問(wèn)題。

CAXA軟件具有7種粗加工、14種精加工、2種補(bǔ)加工、2種槽加工以及多軸加工功能[2]，使用者可根據(jù)條件和要求選擇適當(dāng)?shù)募庸し椒ā?/p>

2.2 解決曲線曲面精度問(wèn)題

圖2 曲面優(yōu)化前 圖3 曲面優(yōu)化后

零件的曲線在設(shè)計(jì)中并沒(méi)有采用公式曲線的方式設(shè)計(jì)，曲面的形成方法也是選用導(dǎo)動(dòng)生成曲面的方式，因此模具的內(nèi)腔必須靠曲面剪裁才能實(shí)現(xiàn)[3]。模具內(nèi)腔精度與原曲面的精度有直接關(guān)系[4]，要得到高精度必須保證兩點(diǎn)：①曲線的繪制要盡可能做到光滑無(wú)棱。若采用圓弧連接的方式繪制曲線，在連接處要注意光滑過(guò)渡；若采用樣條曲線繪制的話，就需要盡可能地將逼近點(diǎn)細(xì)化和精度化。②在曲面生成后采取曲面優(yōu)化的方法。如圖2和圖3所示，分別是基礎(chǔ)曲面優(yōu)化前后的效果。通過(guò)對(duì)比可以看出，優(yōu)化前的曲面明顯粗糙，經(jīng)過(guò)精度為0.01的優(yōu)化，曲面的光整程度大為提高，這為模具的曲面精度提高打下基礎(chǔ)。在繪制刀具軌跡時(shí)注意將起刀點(diǎn)和退刀點(diǎn)盡可能選取在曲面輪廓的圓弧方向或螺旋方向。

2.3 解決刀具干涉問(wèn)題

刀具干涉是指刀具刃部切入(啃切)被加工曲面內(nèi)，刀桿(非刀刃部位)與相鄰加工表面以及相鄰約束表面之間的碰撞。一般在加工曲面時(shí)容易出現(xiàn)刀具干涉，這是非常普遍的問(wèn)題[5]，也是最不容易解決的問(wèn)題。刀具干涉多發(fā)生在曲面曲率突變的區(qū)域以及切線不連續(xù)和表面間隙等情況下。解決的方法是：在曲面曲率突變的區(qū)域采用較小直徑的刀具單獨(dú)加工，但前提是模具的大部分余料已經(jīng)去除，否則會(huì)出現(xiàn)刀具因深度大而折斷的現(xiàn)象。如圖4所示，刀具的加工區(qū)域劃分為兩部分：一為大刀具、大切削量的Ⅰ部分，利用軟件的自動(dòng)加工可以看出用φ50的刀具加工120 mm深度的曲面效果。另一部分為Ⅱ，利用軟件的自動(dòng)加工看到用φ20的刀具加工38 mm深度的曲面效果。

分開(kāi)加工后的刀具磨損小，機(jī)床振動(dòng)小，曲面精度高。

圖4 加工區(qū)域

2.4 消除機(jī)床振動(dòng)的合理加工參數(shù)

加工中出現(xiàn)機(jī)床振動(dòng)的主要原因是刀具直徑較小而長(zhǎng)度長(zhǎng)[6]，模具的曲面深度大。解決方案為：采用多層切削，選擇合適的切削速度。經(jīng)過(guò)工藝的重新安排與軌跡生成后，跟蹤機(jī)床振動(dòng)與加工表面質(zhì)量，探索出合理的加工參數(shù)。表1為加工方案修改前后參數(shù)選用的對(duì)比。

表1 加工方案參數(shù)選用

注：表中，n-主軸轉(zhuǎn)速，f-進(jìn)給量，Vc-切削速度，Ap-切削層厚度。

對(duì)加工過(guò)程中刀具的實(shí)際磨損情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[7]。從圖5可清楚地看出，在加工5 h后，方案一的刀具出現(xiàn)了急劇磨損，刀具損壞，而方案二的刀具在進(jìn)入5 h后稍有磨損。因此，兩方案在刀具材料和尺寸相同的前提下，當(dāng)加工參數(shù)選擇不同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的優(yōu)劣。表2也同樣反映出表面質(zhì)量的情況，將精加工的行距縮0.2 mm，就可以使加工質(zhì)量提高兩個(gè)等級(jí)。

T1-方案一刀具；T2-方案二刀具

表2 不同加工方案的曲面表面質(zhì)量

方案比較方案一方案二 精加工行距S/mm0．40．2 實(shí)測(cè)值Ra/μm6．31．6

通過(guò)以上數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可以看出，若想得到理想的曲面質(zhì)量，在選取切削用量時(shí)要更精細(xì)化，粗加工不再注重大吃刀量、大進(jìn)給量，而是選擇小吃刀量快速進(jìn)給，這樣既可保證質(zhì)量，也可延長(zhǎng)刀具使用壽命[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

基于藝術(shù)陶瓷品異形曲面復(fù)雜、石膏模具不易成形及難加工等因素，本文研究了在數(shù)控加工石膏模具的過(guò)程中，如何避免刀具干涉、振動(dòng)大、質(zhì)量差等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測(cè)等方法，采取優(yōu)化生成曲面，粗加工分區(qū)域進(jìn)行，合理選擇匹配切削用量、切削速度等加工參數(shù)，圓滿完成了模具的加工。

[1] 榮坦，宋楊，趙煒，等.CAXA制造工程師2004基礎(chǔ)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：146-178.

[2] 王春海.CAXA制造工程師與其他CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換及刀具路徑軌跡生成[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006(2)：68-69.

[3] 衛(wèi)科.CAXA制造工程師XP數(shù)控加工編程標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：275-296.

[4] Rafiq Ahmad， Stephane Tichadou， Jean-Yves Hascoet.New computer vision based Snakes and Ladders algorithm for the safe trajectory of two axis CNC machines[J].Computer-Aided Design，2012(5)：355-366.

[5] 吳康福.對(duì)復(fù)雜曲面零件的數(shù)控自動(dòng)編程[J].廣西輕工業(yè)，2009(7)：49-50.

[6] 張黨飛.淺談數(shù)控加工中刀具的特點(diǎn)及選擇[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011(5)：145-148.

[7] Cui Gangwei.Geometric error compensation software system for CNC machine tools based on NC program reconstructing[J].The Ternational Journal of Advanced Manufacturing Technology，2012(6)：45-47.

[8] 王振寧.CAXA制造工程師在模具表面精加工中的應(yīng)用[J].模具工業(yè)，2010(7)：70-72.

(責(zé)任編校：白麗娟)

Processing of Special-Shaped Curved Surface Machining Mould for Art Ceramics Based on the CAXA

LI Xiao-jing1，2， FENG Li-yan2

(1. College of Mechanical Engineering，North China University of Science and Technology， Tangshan 063009， China；2. Tangshan Industrial Vocational Technical College， Tangshan 063020， China)

The authors of this paper， based on CAXA， have designed a special-shaped curved surface plaster mold for art ceramics， made a processing mould， and performed machining simulation. The results show that this mould can solve such problem as much vibration， cutter interference and rough surface.

CAXA；special-shaped curved surface of art ceramics；machining mould

TH164

A

1672-349X(2015)03-0049-03

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.017