張正燁, 鄭晨亮, 仇孟飛

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225009)

目前,紫砂壺主要包括純手工壺和模具壺,其區(qū)別主要在于壺坯的制作過程,前者由加工人員在轉(zhuǎn)盤上手工制作壺坯,后者則是預(yù)先制作和茶壺形狀類似的模具,再由加工人員在其中貼上紫砂泥片,用手拍打至一定厚度之后取出成型。純手工壺和模具壺后期都需要匠人進(jìn)行手工雕琢和藝術(shù)創(chuàng)作。現(xiàn)在市場上常見的紫砂壺有圓形壺、方形壺和異型壺三種[1,2]。在紫砂壺的設(shè)計(jì)和制作上,傳統(tǒng)制作無法滿足個性化和審美的需求。因此,輔助加工設(shè)備和文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)項(xiàng)目的開發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。本文針對復(fù)雜形狀紫砂壺坯，采用“3D打印模型→制作模具→快速制作壺坯→手工藝術(shù)創(chuàng)作”制作,并對其中需要的加工設(shè)備進(jìn)行了功能分析和模具設(shè)計(jì)。

1 非正圓紫砂壺輔助加工設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

非正圓紫砂壺制作常用自動或半自動設(shè)備將泥料加工成紫砂壺坯體,然后再進(jìn)行后續(xù)工序。加工時,將泥料置于模具中,使用刀具對紫砂壺泥料進(jìn)行刮泥,形成紫砂壺坯體。由于茶壺口小肚大,自動、半自動加工設(shè)備只能加工正圓形壺身,又由于轉(zhuǎn)速高,泥料受到高強(qiáng)度擠壓,質(zhì)量無法與手工壺媲美。因此，可設(shè)計(jì)一套輔助加工設(shè)備，解決這些問題。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

非正圓紫砂壺輔助加工設(shè)備,包括底座、在底座頂部設(shè)置的框架結(jié)構(gòu)、用于放置泥料的紫砂壺外模、升降臺、與升降臺安裝連接的工作頭(見圖1)。紫砂壺外模通過夾具固定于底座中心位置,升降臺安裝于框架結(jié)構(gòu)內(nèi),并與框架結(jié)構(gòu)上下滑動連接?？蚣芙Y(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)有絲杠、絲杠電機(jī)(位于底座內(nèi))、豎直導(dǎo)軌,升降臺與絲杠連接,并與豎直導(dǎo)軌滑動連接。絲杠電機(jī)驅(qū)動絲杠,使升降臺沿豎直導(dǎo)軌上下滑動[3]。

圖1 非正圓紫砂壺輔助加工設(shè)備結(jié)構(gòu)

工作頭包括安裝于升降臺的驅(qū)動電機(jī)、主動軸、中心齒輪、中心軸、從動軸、從動軸齒輪、凸輪刀模,驅(qū)動電機(jī)通過皮帶與主動軸驅(qū)動連接,主動軸內(nèi)部設(shè)有中心齒輪、從動軸齒輪的安裝腔;中心齒輪位于主動軸中心位置,中心齒輪與中心軸固定連接,中心軸穿出安裝腔外與升降臺固定連接,中心軸可相對于主動軸自由轉(zhuǎn)動;從動軸齒輪固定安裝于從動軸,并與中心齒輪嚙合,從動軸可通過軸承與安裝腔腔壁轉(zhuǎn)動連接,且從動軸的底部穿出安裝腔外與凸輪刀模固定連接。

1.2 工作原理

通過下降升降臺使工作頭的凸輪刀模伸入紫砂壺外模中,此時,凸輪刀模的大端位于內(nèi)側(cè),小端朝外,便于進(jìn)入壺口內(nèi)。驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動主動軸,帶動從動軸齒輪,在中心齒輪的嚙合作用下,從動軸齒輪帶動凸輪刀模自轉(zhuǎn),同時沿中心齒輪外圓周運(yùn)動,以使凸輪刀模對紫砂壺外模中的泥料刮壓,與紫砂壺外模配合,使泥料形成紫砂壺坯體。

根據(jù)目標(biāo)壺的輪廓制作凸輪刀模，凸輪刀模由絲杠驅(qū)動完全伸入外模中,通過電機(jī)驅(qū)動主動軸,中心齒輪固定不轉(zhuǎn),從動軸齒輪帶動凸輪刀模在自轉(zhuǎn)的同時圍繞中心齒輪外圓周運(yùn)動,凸輪刀模的大端作為工作部位,對泥片進(jìn)行類似刮泥的動作,保證加工沒有遺漏點(diǎn),實(shí)現(xiàn)非正圓模具壺的輔助加工,以形成紫砂壺坯體。設(shè)計(jì)的非正圓紫砂壺輔助加工設(shè)備能夠保證茶壺加工質(zhì)量。

2 非正圓紫砂壺輔助加工工藝

非正圓紫砂壺的傳統(tǒng)制作工藝流程是通過將石膏覆蓋成品表面制作模具,待石膏定型后將硬化的石膏模具對半切開,再在壺蓋位置開一個進(jìn)入口,通過人工手段將紫砂填充入模具,再通過手以及輔助工具將紫砂均勻的貼合于模具內(nèi)部,最后進(jìn)行燒制。本文采用3D打印技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一成品制模技術(shù),通過數(shù)控技術(shù)以及刀模切割代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工填充的制作方法,實(shí)現(xiàn)了非正圓紫砂壺的智能化生產(chǎn)。設(shè)計(jì)的基于3D打印技術(shù)的非正圓紫砂壺制作工藝路線見圖2，具體如下：

圖2 基于3D打印技術(shù)的非正圓紫砂壺制作工藝

(1)在三維軟件中建立目標(biāo)壺的外觀和尺寸；

(2)用3D打印機(jī)制作和目標(biāo)壺外觀一致的3D樣品；

(3)3D樣品放置在石膏液中,待石膏固化后將石膏切開,取出3D樣品,再將石膏粘合可以得到腔體和目標(biāo)壺外觀一致的外模；

(4)將目標(biāo)壺的3D模型底部切出壺底的厚度,并沿軸線向內(nèi)壓縮2～3mm(根據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)壺的壁厚來進(jìn)行選擇)，得到和目標(biāo)壺內(nèi)腔相同的三維模型；

(5)以壺底平面為基準(zhǔn)面將與目標(biāo)壺內(nèi)腔相同的三維模型用三維軟件切成若干個與壺底平行的平面；

(6)根據(jù)切出的平面輪廓和機(jī)器預(yù)設(shè)的大小齒輪傳動比,制作平面對應(yīng)刀模片輪廓；

(7)將得到的刀模片用和切除平面相同的順序逐層疊加,得到完整的刀具模型；

(8)用3D打印機(jī)制造刀模；

(9)將外模和刀模裝在輔助加工設(shè)備上。并在外模內(nèi)貼上調(diào)好的片狀紫砂泥；

(10)調(diào)整刀模的安裝角度,使刀頭能夠完全進(jìn)入外模內(nèi),此時刀頭底部應(yīng)和目標(biāo)壺的壺底平行[4]；

(11)通過旋轉(zhuǎn)刀模得到和目標(biāo)壺形狀一致的紫砂壺。

3 非正圓紫砂壺輔助加工技術(shù)方案

3.1 傳統(tǒng)方案

圖3 主從比2∶1時切削點(diǎn)運(yùn)動軌跡

(1)

(2)

α數(shù)值從0到π，主軸需要反轉(zhuǎn)一周，加工另外2段1/4的目標(biāo)輪廓，需要配備正反轉(zhuǎn)電機(jī)來加工輪廓。

3.2 優(yōu)化方案

主軸齒輪齒數(shù)∶從動軸齒輪齒數(shù)=1∶2,切削點(diǎn)運(yùn)動軌跡如圖4所示。此時設(shè)備可以加工任意光滑的沒有尖角的正圓或非正圓輪廓。需要加工的輪廓曲線為:y=f3(x),從α到l的映射函數(shù)為l=f4(α),其中α從0到4π。主軸只需要加工半圈就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)輪廓的加工。

圖4 主從比1∶2時切削點(diǎn)運(yùn)動軌跡

(3)

(4)

通過對比可知，傳統(tǒng)方案只能加工軸對稱輪廓,優(yōu)化后可以加工沒有尖角的任意非正圓的輪廓,且主軸不需要配備可以正反轉(zhuǎn)的電機(jī)。

4 結(jié)論

根據(jù)客戶個性化或者藝術(shù)創(chuàng)作的需求,利用3D打印模型技術(shù),代替?zhèn)鹘y(tǒng)用紫砂壺貼石膏的方式制造模具,使用非正圓紫砂壺輔助加工工藝,本文開發(fā)了一款可以快速加工非正圓紫砂壺的輔助加工設(shè)備。該設(shè)備能夠最終實(shí)現(xiàn)根據(jù)客戶需求定制模具,然后進(jìn)行生產(chǎn)加工,可以滿足客戶個性化需求。