陶瓷模具CAD/CAM制造技術(shù)

徐連強(qiáng) 吳迎春 張家驊

（無(wú)錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇宜興214206）

0前言

傳統(tǒng)陶瓷模具一般包括石膏模具、塑料模具、金屬模具，其中以石膏模具最多，塑料模具次之。傳統(tǒng)的做法是由人工憑經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)制作，一般有由人工根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣，采用手工方法雕琢制造種模，然后按種模一窩子模一母模一工作模的順序，通過(guò)澆注最后得到生產(chǎn)用的工作模[1]。過(guò)程漫長(zhǎng)且復(fù)雜，無(wú)法適應(yīng)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

1 CAD/CAM制造技術(shù)

通過(guò)快速成型技術(shù)，研究從陶瓷原型數(shù)據(jù)掃描—數(shù)據(jù)處理—快速成型機(jī)打印模型；通過(guò)逆向工程技術(shù)，把經(jīng)過(guò)處理的掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)G文件，生成模具型腔或者實(shí)體NC加工代碼，在數(shù)控機(jī)床上加工出模具型腔；也可以直接在三維建模軟件中設(shè)計(jì)出實(shí)體，生成NC加工代碼和后置處理，在數(shù)控制車床上加工出工作母模。工作流程圖如圖1所示。

2 應(yīng)用案例

以紫砂壺為例，通過(guò)逆向工程方法，加工一個(gè)茶壺工作母模，茶壺原型如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集

把紫砂壺放在一個(gè)平整、視眼開(kāi)闊的桌面上，用專業(yè)的數(shù)據(jù)線連接掃描儀和電腦，調(diào)整掃描儀焦距，掃描紫砂壺實(shí)物如圖3，掃描過(guò)程中不，注意特征點(diǎn)的選取，避免合并時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)交叉重疊。

圖1 CAD/CAM制造工作流程圖Fig.1 The CAD/CAM based design and manufacture process

圖4 點(diǎn)云階段Fig.4 Point cloud phase

圖5 多邊形階段Fig.5 Polygon phase

圖8 粗加工模擬刀軌Fig.8 Simulated rough machining toolpath

圖6 NURBS曲面Fig.6 NURBS curve fitting

圖7 UG加工流程圖Fig.7 UG-based processing

2.2 數(shù)據(jù)處理

把掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入geomagic軟件，Geomagic由美國(guó)Raindrop（雨滴）公司出品的逆向工程和三維檢測(cè)軟件，Geomagic數(shù)據(jù)處理包括點(diǎn)云階段、多邊形階段和形狀階段曲面等三個(gè)階段。

2.2.1 點(diǎn)云階段

這階段要做的是對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去除孤點(diǎn)、降低噪音、統(tǒng)一采樣及封裝等編輯，是對(duì)點(diǎn)的質(zhì)量與數(shù)量進(jìn)行處理（圖4）。

2.2.2 多邊形階段

此階段為三角面片階段，對(duì)表面進(jìn)行光順處理、補(bǔ)洞、祛除表面特征、邊界調(diào)整、改變多邊形面、創(chuàng)建路徑及特征等操作（圖5），是建模重要階段。抽殼后以STL文件格式保存，然后導(dǎo)入快速成型機(jī)，打印出樹(shù)脂或者金屬材料的工作母模。由于陶瓷燒成之后有收縮，根據(jù)陶瓷收縮率，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行放尺，快速成型機(jī)打印時(shí)可以縮放比例，改變打印模型形狀大小。

2.2.3 形狀階段

曲面重構(gòu)是逆向工程的重要階段，在Geomagic中則是根據(jù)編輯好的多邊形數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合成NURBS曲面。采用Geomagic軟件擬合曲面功能，軟件將根據(jù)在多邊形階段提取設(shè)定的特征和編輯的曲面片自動(dòng)擬合成NURBS曲面（圖6）。根據(jù)陶瓷收縮率，在geomagic中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行放大一定比例。最后將文件以*IGES格式導(dǎo)入U(xiǎn)G。

3 數(shù)控加工

3.1 UG CAM加工

文件以*IGES格式導(dǎo)入U(xiǎn)G后，可以進(jìn)行三維模型重構(gòu)或者改型設(shè)計(jì)。在UG生成茶壺NC加工代碼，并進(jìn)行后置處理生成*.Ptp文件。

UG加工流程圖如圖7所示。

3.2 CAM加工

加工前利用CIMCOEdit對(duì)*.ptp文件進(jìn)行加工仿真。CIMCOEdit是數(shù)控程序的編輯和仿真工具。可進(jìn)行存儲(chǔ)和檢索NC程序、NC程序優(yōu)化、后處理以及快速NC程序仿真。圖8、圖9分別為粗、精模擬刀軌跡，最后在銑床（三軸加工）加工出茶壺模具，如圖10所示。

圖9 粗加工模擬刀軌Fig.9 Simulated rough machining toolpath

4 小結(jié)

在傳統(tǒng)陶瓷模具制造基礎(chǔ)上，提出陶瓷CAD/CAM制造技術(shù)為中心，融合了快速成型技與逆向工程技術(shù)的生產(chǎn)技術(shù)，能夠有效地縮短陶瓷模具的設(shè)計(jì)制造周期，提高模具制造質(zhì)量。對(duì)于陶瓷產(chǎn)品日益多樣化、個(gè)性化產(chǎn)品要求，大大提高了陶瓷生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)力。

圖10 固定軸曲面輪廓銑Fig.10 Fixed-axis contourm illing

1傅培貴.陶瓷用模具制造.北京：輕工業(yè)出版社，1984

2王宵等.逆向工程技術(shù)及應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004