曹曉明

摘 要：近幾年，傳統(tǒng)手工陶瓷坯體雕刻工藝已不能滿足市場的需求。而隨著計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)數(shù)控技術(shù)等技術(shù)的迅速發(fā)展與日益成熟，若在陶瓷坯體雕刻中引入數(shù)控雕刻技術(shù)，則可大幅度提高陶瓷生產(chǎn)效率，增強(qiáng)陶瓷產(chǎn)品的加工精度與加工速度。本文通過闡述當(dāng)前陶瓷坯體的加工機(jī)理，并從設(shè)計思路、進(jìn)給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、加工實例四方面分析陶瓷坯體數(shù)控雕刻加工設(shè)備，以此實現(xiàn)基于數(shù)控技術(shù)的陶瓷坯體雕刻加工技術(shù)研究，明確數(shù)控技術(shù)為陶瓷坯體雕刻加工帶來的改變，促進(jìn)陶瓷藝術(shù)雕刻的多樣化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù)；陶瓷坯體；雕刻加工；進(jìn)給系統(tǒng)

1 前言

陶瓷雕刻是我國傳統(tǒng)的陶瓷藝術(shù)種類之一。其坯體的雕刻方法依據(jù)工藝的差異可分為圓雕、捏雕、浮雕、鏤雕與半刀泥五大類，以期通過藝術(shù)形式的外在表現(xiàn)，充分展現(xiàn)藝術(shù)之美與自然之美。但實際生產(chǎn)中，傳統(tǒng)手工雕刻過于依賴個人技術(shù)，且工作環(huán)境較為惡劣又耗時費工，難以形成量產(chǎn)[1]。因此，基于數(shù)控技術(shù)智能化的發(fā)展步伐，通過將數(shù)控技術(shù)引入到陶瓷坯體雕刻加工過程中，可充分發(fā)揮陶瓷坯體各項數(shù)控雕刻生產(chǎn)加工技術(shù)優(yōu)勢。技術(shù)人員通過在計算機(jī)中輸入要雕刻的圖案，利用精確的人工智能繪筆進(jìn)行逐一勾勒，既避免了人工勾勒出錯的概率，又大大加快了燒制瓷器的產(chǎn)量，做到了陶瓷坯體加工效率與綜合質(zhì)量的全面提升。并且，通過利用現(xiàn)代化技術(shù)優(yōu)勢，也可實現(xiàn)陶瓷產(chǎn)業(yè)與科技領(lǐng)域的充分融合，以生產(chǎn)出具備較高創(chuàng)新性的陶瓷產(chǎn)品，為復(fù)興我國傳統(tǒng)文化工藝賦予了較高的商業(yè)價值。

2陶瓷坯體的加工機(jī)理

陶瓷坯體是由粘土、長石、石英混合干燥后形成的一種脆性材料，原料配比為6：2.5：1.5。其中，粘土是陶瓷坯體成型的主要結(jié)合劑，負(fù)責(zé)將長石和石英石一系列的瘠性物料充分結(jié)合。長石是陶瓷坯體成型的溶劑成分，可切實降低陶瓷坯體在燒制過程中的燒結(jié)溫度，避免坯體破裂。石英同樣具有較高的熔點，可在陶瓷坯體成型過程中起到骨架的支撐作用，避免燒結(jié)過程中坯體產(chǎn)生膨脹或收縮，以此增強(qiáng)坯體的耐磨性與穩(wěn)定性。具體的加工工藝流程如下圖1所示。

從圖1中可以看出，陶瓷坯體加工共分為原料精選、配方細(xì)磨、高強(qiáng)除鐵、壓濾、陳腐、練泥、成形、修坯、干燥9步，最終形成適合陶瓷雕刻的坯體。而對于陶瓷坯體塑形而言，由于陶瓷制品種類繁多、形狀大小也均有著細(xì)微差異，其塑形方法也可分為注漿成形法（坯料含水量≤38%）、可塑成型法（坯料含水量≤26%）、壓制成形法（坯料含水量≤3%）三種。其中注漿成型法是當(dāng)前陶瓷生產(chǎn)過程中的常用技術(shù)，通過分為冷法（包括常壓注漿、加壓注漿等）與熱法（即熱壓注法），適用于不同陶瓷類型。通過陶瓷坯體的加工機(jī)理上可以看出，陶瓷坯體具有脆性高、表面粗糙、易沾污的特點，而為進(jìn)一步提高陶瓷坯體的雕刻質(zhì)量，則可通過應(yīng)用數(shù)控技術(shù)達(dá)到更優(yōu)的加工效果，為我國陶瓷加工制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供產(chǎn)品保障[2]。

3基于數(shù)控技術(shù)的陶瓷坯體雕刻加工設(shè)備

為進(jìn)一步深入基于數(shù)控技術(shù)的陶瓷坯體雕刻加工技術(shù)研究，下文以經(jīng)濟(jì)型臥式三軸雕刻機(jī)為例，通過闡述其設(shè)計思路、進(jìn)給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及加工實例，明確數(shù)控技術(shù)在陶瓷坯體回轉(zhuǎn)加工雕刻中的實踐應(yīng)用，為后期陶瓷坯體數(shù)控雕刻技術(shù)的發(fā)展提供借鑒參考。

3.1 設(shè)計思路

經(jīng)濟(jì)型臥式三軸雕刻機(jī)的組成示意圖如下圖2所示。

從圖2中可以看出，臥式三軸雕刻機(jī)是由控制軟件、進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步電機(jī)驅(qū)動器以及雕刻主軸組成，共包括進(jìn)給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)兩大部分。其中，進(jìn)給系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌四部分組成，當(dāng)系統(tǒng)給予步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器一定的脈沖量后，驅(qū)動器則可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運作，確保雕刻機(jī)內(nèi)的X、Y、Z軸可按照設(shè)定的計劃運動?？刂葡到y(tǒng)由美國Artsoft公司出品的CNC控制軟件Mach3組成，通過與計算機(jī)設(shè)備的構(gòu)建連接渠道，使得臥式三軸雕刻機(jī)各部分的硬件能夠按照順序工作完成坯體的雕刻加工[3]。同時，該臥式三軸雕刻機(jī)還應(yīng)用了浮雕CAD/CAM技術(shù)，通過以VisualC++作為開發(fā)工具，以O(shè)bjectARX作為數(shù)據(jù)庫來支撐雕刻加工，實現(xiàn)陶瓷坯體雕刻加工的完全自動化。在實際工作中，臥式三軸雕刻機(jī)通過以上三個系統(tǒng)的相互合作，可讓刀具在雕刻主軸上高速運轉(zhuǎn)，并隨著Y、Z軸步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)完成上下、前后的運動，確保工件可繞著X軸伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)而運動，達(dá)到控制雕刻主軸與陶瓷坯體的相互運動的最終目的，至此完成陶瓷坯體雕刻的工藝流程。

3.2 進(jìn)給系統(tǒng)

從臥式三軸雕刻機(jī)的設(shè)計思路上來看，進(jìn)給系統(tǒng)共包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌四個部分，其系統(tǒng)工作流程如下圖3所示。

從圖3中可以看出，本文所研究的臥式三軸雕刻機(jī)采用了步進(jìn)電機(jī)式的進(jìn)給系統(tǒng)，通過與機(jī)械驅(qū)動結(jié)構(gòu)結(jié)合的方式，使各刀具、軸承按照既定的方式運動，完成陶瓷坯體預(yù)定的雕刻工作。一方面，Y、Z直線軸的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿等機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)。在實際工作中，通過滾珠絲桿的傳動作用，可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，有效提高了陶瓷坯體的雕刻精度，同時由于滾珠絲桿絲母間的摩擦力較小，Y、Z軸的轉(zhuǎn)動也會更加輕松，可以傳遞較大扭力，確保雕刻位置更加精確[4]。另一方面，X回轉(zhuǎn)軸的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、諧波減速器三部分組成。其中，諧波減速器主要由帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪、帶有外齒圈的柔性齒輪以及波發(fā)生器組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖4所示。而在X回轉(zhuǎn)軸實際工作時，通常有波發(fā)生器主動、鋼輪固定以及柔輪輸出三種工作模式。以波發(fā)生器主動工作模式為例。當(dāng)波發(fā)生器為主動時，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動，促使柔輪與薄壁軸承發(fā)生可控的彈性變形，這時柔輪的齒在變形過程中就完成了齒合和齒離的工作過程，保證波發(fā)生器的長軸處于完全齒合，而短軸方向的齒則完全推開，有效保證了X軸的回轉(zhuǎn)精度，實現(xiàn)了陶瓷坯體雕刻加工的精細(xì)化工作。尤其是在針對大批量的陶瓷坯體雕刻時，一般臥式雕刻機(jī)在對于300件陶瓷坯體（周長尺寸在750mm左右）進(jìn)行雕刻時，如果直接由步進(jìn)電梯帶動回轉(zhuǎn)，即使采用16細(xì)分?jǐn)?shù)，也很難達(dá)到較高的回轉(zhuǎn)精度。但通過諧波減速機(jī)的接入，X回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)比可達(dá)到80-600，同時也可做到與X回轉(zhuǎn)軸的無側(cè)隙嚙合，具有傳動速比大、傳動效率高、承載力強(qiáng)、傳動精度高的優(yōu)點[5]。

3.3 控制系統(tǒng)

臥式三軸雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計選用了PC機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，通過利用軟件插補(bǔ)的方式，即PC機(jī)+上位機(jī)軟件控制，極大節(jié)約了陶瓷坯體自動化雕刻的開發(fā)成本。其中，對于PC機(jī)的要求為普通電腦即可，性能能保障自動雕刻工作的順利進(jìn)行，如華為擎云B730、戴爾成就3710等[6]。上位機(jī)軟件作為安裝在電腦里的數(shù)控軟件，本機(jī)選用的是編程方式較為簡單的Mach3軟件，其軟件界面如下圖5所示。在實際工作中，Mach3軟件可直接連接PC電腦的LPT并口接口，直接控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與雕刻設(shè)備的輸入、輸出脈沖以及方向信號，進(jìn)而實現(xiàn)精準(zhǔn)控制數(shù)控機(jī)床，完成既定的陶瓷坯體雕刻工作。

并且，為進(jìn)一步保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，控制電路也起到了至關(guān)重要的作用。本機(jī)所選用的控制電路為東芝公司推出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片TB6560周雕刻機(jī)接口控制板，主要由驅(qū)動接口和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路組成。其中，驅(qū)動接口主要用于接口板與PC電腦的聯(lián)系，保證電腦中下達(dá)的各項自動化雕刻指令能正確下達(dá)至數(shù)控機(jī)床中。而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路是驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運作的核心部分，致力于將電腦信號按照指令要求傳送到各軸驅(qū)動器中，具備以下五種功能。第一，具備自動變流功能，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)停止工作時，可自動減小電流，減少電機(jī)發(fā)熱，延長電機(jī)的使用壽命。第二，具備高速光耦隔離與AC/DC電源隔離，能充分保障電腦的使用安全，防止因設(shè)備過載而造成系統(tǒng)崩潰。第三，具備主軸控制繼電器，能快速使用Mach3軟件控制主軸的啟動和停止，提高了雕刻工作的進(jìn)行效率。第四，具備四路輸入控制，可執(zhí)行限位、急停、復(fù)位、分中等操作指令，滿足了陶瓷坯體多樣化的雕刻需求[7]。第五，整體采用了H橋雙極性驅(qū)動，可進(jìn)行1、1/2、1/4、1/16細(xì)分，實現(xiàn)對反向電路輸入信號的全面整形。

3.4 加工實例

為進(jìn)一步明確基于數(shù)控技術(shù)的陶瓷坯體雕刻加工技術(shù)優(yōu)勢，下文以陶瓷坯體浮雕為例，通過從選擇刀具加工路徑、浮雕加工方式、生成刀路文件三方面，闡述陶瓷坯體的實際雕刻過程，明確數(shù)控技術(shù)在陶瓷坯體雕刻加工中的應(yīng)用路徑，以彰顯數(shù)控技術(shù)加入下陶瓷坯體工作的技術(shù)優(yōu)勢。

在臥式三軸雕刻機(jī)實際操作前，需先將陶瓷坯體固定在回轉(zhuǎn)工作臺上，確保坯體工件的軸心與X軸的回轉(zhuǎn)軸心重合，同時設(shè)置好加工坐標(biāo)，明確本次雕刻加工的實際范圍，然后對陶瓷坯體進(jìn)行反求建模，至此完成陶瓷坯體數(shù)控雕刻的準(zhǔn)備工作。在實際操作中，首先是對刀具加工路徑的選擇。因常用的雕刻加工走刀方式分為行切與環(huán)切兩種。其中，行切即為刀具沿著直線方向加工，環(huán)切即為刀具沿輪廓順序加工。因行切在實際雕刻中常會出現(xiàn)往返加工的情況，交替出現(xiàn)順銑和逆銑；而環(huán)切的加工過程銑刀的切削常保持一種狀態(tài)，雖加工的精度較高，但所耗時間過長。并且也由于順銑和逆銑對加工的質(zhì)量影響不大，且陶瓷坯體浮雕工作往往是一次性完成，所以對于大部分陶瓷坯體浮雕基本采用行切式走刀方式。行切法走刀路線為一組平行線，每條走刀路徑都是平行的，NC程序段少，有利于提高加工效率。在本次應(yīng)用中，行切法主要采用單向切削的方式，即刀具向同一方向切削，完成切削進(jìn)給操作，到終點后，抬刀具到安全高度，并快速返回起刀方向，以固定的順銑和逆銑規(guī)律，保證切削的表面質(zhì)量。其次，帶隊刀具加工路徑選擇完成后，需進(jìn)一步選定浮雕的加工方式，因本次陶瓷坯體的浮雕模型選擇為“花鳥”，所以在進(jìn)行加工前，第一，需設(shè)置陶瓷坯體的X、Y、Z值。此時需注意的是，坯體的X、Y值必須與電腦中所建立的三維模型尺寸相同，Z值則根據(jù)模型參數(shù)Hmax來設(shè)定，得出X、Y、Z尺寸為130×130×4mm。第二，需設(shè)置加工參數(shù)。因本次陶瓷坯體浮雕加工區(qū)域已設(shè)置好為100×100mm的矢量區(qū)域，所以整體加工參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速20000r/min，進(jìn)給率2000mm/min，下切速度600mm/min。最后，生成刀路文件。因刀路文件是在刀具路徑加工策略與刀具運行的各類加工參數(shù)，如行距、下切步距、主軸轉(zhuǎn)速等，所以按照數(shù)控雕刻機(jī)床的要求，刀具路徑文件的輸出格式可以*.tap為主，并將文件導(dǎo)入到Mach3軟件中，為后期同批次的陶瓷坯體雕刻匯總刀具加工數(shù)據(jù)，提高雕刻效率。其雕刻后的陶瓷坯體如下圖6所示。

4結(jié)語

綜上所述，本文通過經(jīng)濟(jì)型臥式三軸雕刻機(jī)的舉例分析，針對性展開了基于數(shù)控技術(shù)的陶瓷坯體雕刻加工技術(shù)研究?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控雕刻技術(shù)可代替?zhèn)鹘y(tǒng)陶瓷坯體的雕刻工藝，切實提高陶瓷坯體的雕刻效率與雕刻質(zhì)量，充分滿足當(dāng)前陶瓷市場對同類型陶瓷雕刻模式的大批量需求。同時，數(shù)控雕刻技術(shù)也切實發(fā)揮了自身技術(shù)性的性能優(yōu)勢，在陶瓷坯體雕刻方式的選擇上更為精準(zhǔn)，除使陶瓷更加美觀外，還使陶瓷的使用性能更強(qiáng)，可切實滿足當(dāng)前人們的日常生活需求，推動生產(chǎn)工藝達(dá)到世界一流水平，為我國陶瓷產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)與發(fā)展給予了動力源泉。

參考文獻(xiàn)

[1]王瑞斌，王西彬，李秋怡，沈文華，周天豐，趙斌.預(yù)燒結(jié)氮化硅陶瓷坯體加工缺陷抑制與精密成形研究[J].工具技術(shù)，2022，56（11）：82-87.

[2]蔣小英.陶瓷坯體3D塑性成形及原料性能研究[J].陶瓷科學(xué)與藝術(shù)，2022，56（10）：29-30.

[3]王賢超，華澤金，劉春江，王飛.煅燒鋁礬土含量對陶瓷薄板坯體膨脹系數(shù)的影響[J].陶瓷，2022（09）：27-29.

[4]徐海超. SiC陶瓷基復(fù)合材料的3D打印關(guān)鍵技術(shù)研究[D].山東大學(xué)，2022.

[5]王長順，吳思琪，閆春澤，史玉升，鄔國平，韓瀟.SiC陶瓷增材制造技術(shù)的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].科學(xué)通報，2022，67（11）：1137-1154.

[6]曹現(xiàn)果，陳亦靜，周騰飛.南寧陶瓷制作實驗研究[J].陶瓷，2021（08）：21-23.

[7]劉薇. 中國傳統(tǒng)陶瓷鏤空裝飾及其創(chuàng)新研究[D].景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，2021.