重組竹材料的工業(yè)設(shè)計(jì)與數(shù)控加工研究

郁舒蘭，王寶金，陳先茹

YU Shu-lan, WANG Bao-jin, CHENG Xian-ru

（南京林業(yè)大學(xué) 家具與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037）

0 引言

竹子是生長(zhǎng)快、更新能力強(qiáng)、固碳和生態(tài)功能顯著的非木質(zhì)可再生資源。我國(guó)是世界上竹類資源最為豐富、竹林面積最大、竹子產(chǎn)量最多的國(guó)家。發(fā)展竹產(chǎn)業(yè)在減少木材消耗，保護(hù)天然林資源、發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)等方面的作用十分明顯[1]。重組竹在多個(gè)領(lǐng)域存在著巨大的市場(chǎng)潛力和機(jī)遇。但就目前市場(chǎng)情況來看，雖有一定的市場(chǎng)，重組竹的市場(chǎng)份額依然較小，重組竹產(chǎn)品類型比較單一，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的重組竹產(chǎn)品主要用作地板材，少數(shù)用于制造家具。由于中國(guó)古典家具紋樣和幾何形狀復(fù)雜，若手工制作成本高，與重組竹制品價(jià)格定位不符；數(shù)控加工設(shè)備的精度和柔性的提高在一定程度上解決了加工難題，但困難在于各種雕刻中三維幾何形狀復(fù)雜，模型庫(kù)建立不完整，數(shù)控加工工藝和參數(shù)設(shè)置仍在探索中。

1 重組竹材料的固有特性

重組竹，就是先將竹材疏解成通長(zhǎng)的、相互交聯(lián)并保持纖維原有排列方式的疏松網(wǎng)狀纖維束，再經(jīng)干燥、施膠、組坯成型后熱壓而成的板狀或其他形式的材料。

重組竹具有良好的力學(xué)性能和物理性能。例如浙江方圓木業(yè)公司生產(chǎn)的重組竹實(shí)測(cè)材性為：密度為1080kg/m3，靜曲強(qiáng)度為206Mpa，彈性模量為17313Mpa，表面抗沖擊性能為7mm，甲醛釋放量為0.1mg/L，材性與紅木的材性相近，如表1所示。

表1 重組竹與幾種常用木材的力學(xué)強(qiáng)度比較[1]

2 重組竹材料的工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

用重組竹來代替某些優(yōu)質(zhì)硬木，如紅木等，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，加工而成的家具也在國(guó)內(nèi)外受到青睞。但從這幾年的發(fā)展看來，竹材重組材還是較多地應(yīng)用于重組竹地板和家具產(chǎn)業(yè)中以手工業(yè)為主的硬木替代性家具，在其他的工業(yè)產(chǎn)品方面幾乎沒有涉獵，從一定程度上來說，這也限制了這種優(yōu)質(zhì)新材料的發(fā)展。因此，通過對(duì)竹材重組材的加工工藝和特性的研究，拓寬思路，進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)，把其自然、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)融入到工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，體現(xiàn)竹材重組材在資源節(jié)約型產(chǎn)品中的優(yōu)勢(shì)，盡可能地適應(yīng)工業(yè)化的生產(chǎn)，都具有十分重要的意義。

2.1 重組竹材料感覺特性評(píng)價(jià)

重組竹具有天然木質(zhì)感，表面有木材導(dǎo)管狀的細(xì)溝槽，表面紋理有的似直條狀的徑切紋，有的似山形的弦切紋。還有小節(jié)狀的渦紋，自然流暢，富于變化。材色可以制成淺黃褐色（木色）或棕褐色（咖啡色），也可做成棕褐色與淺黃褐色相交錯(cuò)的斑馬木色。根據(jù)產(chǎn)品造型需要，還可以將其染成各種材色[2]。重組竹的觸感與木材相同，溫暖感較強(qiáng)，是富有與人親和力觸感的材料，如圖1所示。

圖1 重組竹：仿紅木家具

2.2 重組竹材料工業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)實(shí)例

1）滾凳是腳踏的一種，在明代屠隆的《考盤余事》、文震亨的《長(zhǎng)物志》等文獻(xiàn)中均有記載。我們根據(jù)現(xiàn)代辦公桌的腿部空間和人機(jī)工程學(xué)尺寸對(duì)上述文獻(xiàn)中的滾凳加以改進(jìn)設(shè)計(jì)，添加可調(diào)節(jié)面板傾斜角度以增加使用舒適度；如圖2所示，腿足選用富有中國(guó)特色的直腿內(nèi)翻馬蹄造型，表現(xiàn)出強(qiáng)勁而又舒展的力度；滾凳整體選用重組竹材料制作；我們嘗試運(yùn)用數(shù)控加工技術(shù)對(duì)馬蹄腿和滾軸構(gòu)件進(jìn)行圓雕加工，體現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)與傳統(tǒng)文化的完美結(jié)合。

圖2 滾凳實(shí)物模型（實(shí)用新型專利申請(qǐng)?zhí)枺?01020234057.5）

圖3 U盤實(shí)物模型

2）U盤的設(shè)計(jì)來源于南京林業(yè)大學(xué)的校友禮品，如圖3所示。既有U盤功能上的實(shí)用性，選用重組竹材料做外殼又能體現(xiàn)出學(xué)校的科研成果。在U盤表面做紋飾浮雕處理，如校徽、古典傳統(tǒng)紋飾體現(xiàn)出學(xué)校的品牌特色；設(shè)計(jì)了繩穿連接U盤蓋和主體以解決盤蓋易丟失的使用問題。

3 基于AlphaCAM軟件和Smart5-axis木材數(shù)控加工中心的重組竹材滾凳馬蹄腿圓雕加工實(shí)驗(yàn)研究

3.1 數(shù)控編程

采用英國(guó)Licom公司的AlphaCAM V5軟件。其主要功能包括二維、三維圖型的構(gòu)建，刀具的定義和選擇，刀具路徑的生成、編輯和驗(yàn)證。對(duì)鉆孔、挖槽、外形銑削、平面曲面銑削等加工方式可自動(dòng)編程。

3.2 數(shù)控加工中心

馬蹄腿圓雕加工使用意大利Paolino Bacci公司的Smart5-axis木材數(shù)控加工中心。該中心有X、Y、Z軸，以及圍繞X、Y軸旋轉(zhuǎn)的B和C軸，具有五坐標(biāo)軸獨(dú)立或聯(lián)動(dòng)切削加工能力，可迅速精確地進(jìn)行各種輪廓、挖槽、雕刻等復(fù)雜曲面的切削加工。該中心使用OSAI數(shù)控系統(tǒng)，同時(shí)還配套反證軟件Pitagora[3]。

3.3 圓雕加工試驗(yàn)路線

1）根據(jù)產(chǎn)品尺寸，運(yùn)用Solidworks構(gòu)建馬蹄腿模型。

2）運(yùn)用AlphaCAM V5軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)控編程，主要包括選擇刀具、加工方式和刀具路徑，生成NC數(shù)控代碼。根據(jù)待加工毛坯的形狀、大小和待加工表面及其約束面的情況選定不同的加工方式，并設(shè)置加工參數(shù)，生成刀具路徑及加工程序。分為表面清坯、表面粗加工、表面精加工三個(gè)步驟。清坯加工選用20mm平銑刀；曲面加工選用15mm球銑刀，步距0.33mm，測(cè)得模擬加工時(shí)間為6160s；曲面加工選用5mm球銑刀，步距0.5mm，測(cè)得模擬加工時(shí)間為10480s。

3）通過反證軟件Pitagora設(shè)定實(shí)際加工刀具參數(shù)和加工原點(diǎn)坐標(biāo)等，并進(jìn)行安全確認(rèn)。

4）導(dǎo)出適合該加工中心的NC代碼，并直接傳輸?shù)郊庸ぶ行闹鳈C(jī)的程序庫(kù)中，通過調(diào)用該程序進(jìn)行實(shí)物加工。

5）小結(jié)：隨著球銑刀直徑越小圓雕件表面質(zhì)量越好；由于重組竹硬度較大，國(guó)產(chǎn)刀具無法完成雕刻，只能選用進(jìn)口刀具導(dǎo)致加工成本增加。

圖4 刀具加工模擬

4 基于MasterCAM軟件和TZ-XK125木工數(shù)控銑床的重組竹材質(zhì)U盤淺浮雕加工實(shí)驗(yàn)研究

4.1 浮雕初步分析

浮雕，傳統(tǒng)工藝中也稱剔地雕，通常指在平面上剔除花形以外的木質(zhì)，使表現(xiàn)的圖案花樣形象凸顯出來。這在雕刻技法上屬于“陽文”，原理如篆刻藝術(shù)中的“朱文印”，所不同的是浮雕所表現(xiàn)的形象有層次感和立體感。浮雕是傳統(tǒng)木雕中最基本、最常用的雕刻技法。它其實(shí)是將三維的圓雕壓縮成二維的浮雕。浮雕一般分為淺浮雕、深浮雕。淺浮雕起位較低，形體壓縮較大，平面感較強(qiáng)，更大程度地接近于繪畫形式。

本試驗(yàn)是在重組竹材質(zhì)U盤表面進(jìn)行浮雕加工，由于受到尺寸限制，所以U盤表面選擇淺浮雕的表現(xiàn)方式。

4.2 U盤表面浮雕加工及編程

4.2.1 導(dǎo)入CAD文件

MasterCAM軟件具有良好的數(shù)據(jù)接口，可與AutoCAD軟件實(shí)現(xiàn)無縫連接。這也是我們采用MasterCAM軟件的原因之一。確定優(yōu)盤的尺寸為：38x29x10 mm，浮雕為陽雕，所以浮起來的圖形外還應(yīng)該有一個(gè)向下沉的框，確定這個(gè)框從外框向內(nèi)偏移3mm，內(nèi)框尺寸是32x23，深0.5mm。浮雕圖案是先在CAD中將圖案輪廓描出來，然后導(dǎo)入MasterCAM中進(jìn)行后續(xù)操作。

4.2.2 建立加工模型

建立零件加工模型就是對(duì)零件進(jìn)行幾何造型。幾何造型的方法包括二維線框、三維線框、曲面、三維實(shí)體等。用藝術(shù)加工中浮雕建模方式的模型，內(nèi)部圖案突出的優(yōu)點(diǎn)是輪廓柔和，也允許在條件限制的情況下使用很小的刀具，但還是要注意圖案不能太復(fù)雜，盡量放大，如圖4所示。先確定軟件內(nèi)毛坯的尺寸，只要和圖案外面的框尺寸一樣大，即23x32x2 mm。然后畫一個(gè)矩形框和外框一樣大，用這個(gè)矩形框成型為浮雕基礎(chǔ)網(wǎng)格基面。接著選擇外框，設(shè)置凹陷的參數(shù)設(shè)置，這里向下切0.5mm，最后選擇內(nèi)部圖案，進(jìn)行浮雕凸起設(shè)置，高0.5mm。

4.2.3 確定加工工藝及參數(shù)設(shè)置

零件模型完成后，需要結(jié)合加工表面的特點(diǎn)和數(shù)控設(shè)備的功能對(duì)零件進(jìn)行數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)。工藝設(shè)計(jì)主要包括正確劃分工序、確定工藝路線、合理安排加工順序、正確選擇對(duì)刀點(diǎn)和換刀點(diǎn)的位置、確定零件安裝方法、選擇刀具及切削用量等。

本例由于采用藝術(shù)浮雕的建模方式，所以加工工藝較為固定，即只能使用浮雕的加工方式。點(diǎn)進(jìn)去之后，要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，首先選擇刀具，尺寸的限制只能選擇3x0.2x10°的刻刀，刀具選擇時(shí)還要設(shè)置一下相應(yīng)的速度，即主軸轉(zhuǎn)速、刀具進(jìn)給速度、提刀速度、進(jìn)刀速度，根據(jù)機(jī)床具體要求設(shè)定。然后設(shè)置刀具運(yùn)行軌跡為水平之字形，選擇45°之字形走刀，再將刀具走程步幅設(shè)置到合適數(shù)字。

4.2.4 刀具路徑生成及模擬

設(shè)置好參數(shù)后就能在軟件窗口中生成刀具的路徑，如圖5所示，藍(lán)色的線就是刀具路徑。

圖5 路徑生成

MasterCAM自身具有刀具軌跡驗(yàn)證功能，刀具軌跡驗(yàn)證功能可以減少或避免過切、干涉與碰撞等現(xiàn)象的發(fā)生。在刀具軌跡生成之后，需要進(jìn)行一定的刀具軌跡仿真，以驗(yàn)證刀具軌跡的合理性，如圖6所示，可進(jìn)行加工模擬。

圖6 刀具加工模擬

4.2.5 后期處理

通過上述合理刀具路的設(shè)置，生成相應(yīng)的刀具軌跡，并進(jìn)行實(shí)體仿真驗(yàn)證確認(rèn)，接著進(jìn)行后置處理。系統(tǒng)自動(dòng)生成的刀具軌跡是以一種標(biāo)準(zhǔn)的刀位軌跡文件即NCI文件的形式保存在計(jì)算機(jī)中。MasterCAM系統(tǒng)自帶了國(guó)際上常用的數(shù)控系統(tǒng)的后處理程序，還可以擴(kuò)充以便適應(yīng)各種不同的數(shù)控系統(tǒng)。

不同的機(jī)床能識(shí)別的數(shù)控代碼也不相同，不同的機(jī)床必須采用不同的后置處理文件。在這里已對(duì)系統(tǒng)自帶的后置處理文件進(jìn)行了修改，使符合本數(shù)控系統(tǒng)的格式，操作流程如下：點(diǎn)選刀具路徑→操作管理→全選→后處理，選擇已修改后置處理程序，再選取儲(chǔ)存 NC文檔和編輯，系統(tǒng)彈出 NC程式文件編輯器，就可以對(duì) NC 程序文件進(jìn)行檢查、編輯，保存。導(dǎo)出的程序一般情況下與數(shù)控機(jī)床可識(shí)別的會(huì)略有些不同，只要些許修改，傳輸?shù)綌?shù)控銑床上就能自動(dòng)識(shí)別加工了。程序要付諸實(shí)現(xiàn)，還要將加工代碼輸出到數(shù)控機(jī)床，這里使用數(shù)控銑床來加工。

4.3 機(jī)床加工

毛坯上機(jī)床后，雕刻前確定原點(diǎn)是重要的一個(gè)步驟。實(shí)際操作時(shí)也要在毛坯表面上找出其幾何中心并作好標(biāo)記。將毛坯在機(jī)床上夾緊后，仔細(xì)對(duì)刀，輸入程序。若選用3mm國(guó)產(chǎn)刻刀刻單面需花費(fèi)近4小時(shí)，浮雕效果比較好，但時(shí)間太長(zhǎng)不能滿足大批量生產(chǎn)需要。

5 結(jié)束語

通過不同的CAD/CAM軟件和數(shù)控加工設(shè)備，將設(shè)計(jì)的重組竹作品實(shí)際加工出來，基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)構(gòu)想。從數(shù)控編程和提高生產(chǎn)效率兩個(gè)方面進(jìn)行研究，對(duì)類似形狀的重組竹制品的淺浮雕和圓雕數(shù)控加工工藝提出了較為合理的技術(shù)路線。這一過程證明了將CAD/CAM技術(shù)和數(shù)控機(jī)床應(yīng)用在重組竹制品設(shè)計(jì)和制造中的可行性，開拓了重組竹制品淺浮雕和圓雕新型加工技術(shù)運(yùn)用的思路。然而，也驗(yàn)證了由于重組竹硬度較高，從開料到雕刻對(duì)刀具的要求都較高，對(duì)于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)重組竹制品所選用的刀具質(zhì)量要求就更高。如果要將其真正應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中并產(chǎn)生市場(chǎng)價(jià)值，加工刀具的質(zhì)量就顯得至關(guān)重要。

[1] 吳智慧,等.竹藤家具制造工藝.中國(guó)林業(yè)出版社,2009.

[2] 張斌淵.重組竹-可持續(xù)發(fā)展的家具優(yōu)質(zhì)新材料[J].家具,2008(3).

[3] 郝孟輝,朱南峰.木質(zhì)音響的數(shù)控加工[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2007(2).