基于數控技術的陶瓷坯體雕刻加工技術研究

曹曉明

摘 要：近幾年，傳統手工陶瓷坯體雕刻工藝已不能滿足市場的需求。而隨著計算機輔助設計、計算機數控技術等技術的迅速發展與日益成熟，若在陶瓷坯體雕刻中引入數控雕刻技術，則可大幅度提高陶瓷生產效率，增強陶瓷產品的加工精度與加工速度。本文通過闡述當前陶瓷坯體的加工機理，并從設計思路、進給系統、控制系統、加工實例四方面分析陶瓷坯體數控雕刻加工設備，以此實現基于數控技術的陶瓷坯體雕刻加工技術研究，明確數控技術為陶瓷坯體雕刻加工帶來的改變，促進陶瓷藝術雕刻的多樣化發展。

關鍵詞：數控技術；陶瓷坯體；雕刻加工；進給系統

1 前言

陶瓷雕刻是我國傳統的陶瓷藝術種類之一。其坯體的雕刻方法依據工藝的差異可分為圓雕、捏雕、浮雕、鏤雕與半刀泥五大類，以期通過藝術形式的外在表現，充分展現藝術之美與自然之美。但實際生產中，傳統手工雕刻過于依賴個人技術，且工作環境較為惡劣又耗時費工，難以形成量產[1]。因此，基于數控技術智能化的發展步伐，通過將數控技術引入到陶瓷坯體雕刻加工過程中，可充分發揮陶瓷坯體各項數控雕刻生產加工技術優勢。技術人員通過在計算機中輸入要雕刻的圖案，利用精確的人工智能繪筆進行逐一勾勒，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量，做到了陶瓷坯體加工效率與綜合質量的全面提升。并且，通過利用現代化技術優勢，也可實現陶瓷產業與科技領域的充分融合，以生產出具備較高創新性的陶瓷產品，為復興我國傳統文化工藝賦予了較高的商業價值。

2陶瓷坯體的加工機理

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合劑，負責將長石和石英石一系列的瘠性物料充分結合。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，避免燒結過程中坯體產生膨脹或收縮，以此增強坯體的耐磨性與穩定性。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、配方細磨、高強除鐵、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前陶瓷生產過程中的常用技術，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，而為進一步提高陶瓷坯體的雕刻質量，則可通過應用數控技術達到更優的加工效果，為我國陶瓷加工制造業的可持續發展提供產品保障[2]。

3基于數控技術的陶瓷坯體雕刻加工設備

為進一步深入基于數控技術的陶瓷坯體雕刻加工技術研究，下文以經濟型臥式三軸雕刻機為例，通過闡述其設計思路、進給系統、控制系統以及加工實例，明確數控技術在陶瓷坯體回轉加工雕刻中的實踐應用，為后期陶瓷坯體數控雕刻技術的發展提供借鑒參考。

3.1 設計思路

經濟型臥式三軸雕刻機的組成示意圖如下圖2所示。

從圖2中可以看出，臥式三軸雕刻機是由控制軟件、進電機驅動器、步電機驅動器以及雕刻主軸組成，共包括進給系統、控制系統兩大部分。其中，進給系統由步進電機驅動機、步進電機、滾珠絲桿、直線導軌四部分組成，當系統給予步進電機驅動器一定的脈沖量后，驅動器則可驅動步進電機運作，確保雕刻機內的X、Y、Z軸可按照設定的計劃運動。控制系統由美國Artsoft公司出品的CNC控制軟件Mach3組成，通過與計算機設備的構建連接渠道，使得臥式三軸雕刻機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，該臥式三軸雕刻機還應用了浮雕CAD/CAM技術，通過以VisualC++作為開發工具，以ObjectARX作為數據庫來支撐雕刻加工，實現陶瓷坯體雕刻加工的完全自動化。在實際工作中，臥式三軸雕刻機通過以上三個系統的相互合作，可讓刀具在雕刻主軸上高速運轉，并隨著Y、Z軸步進電機的旋轉完成上下、前后的運動，確保工件可繞著X軸伺服電機的旋轉而運動，達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 進給系統

從臥式三軸雕刻機的設計思路上來看，進給系統共包括步進電機驅動機、步進電機、滾珠絲桿、直線導軌四個部分，其系統工作流程如下圖3所示。

從圖3中可以看出，本文所研究的臥式三軸雕刻機采用了步進電機式的進給系統，通過與機械驅動結構結合的方式，使各刀具、軸承按照既定的方式運動，完成陶瓷坯體預定的雕刻工作。一方面，Y、Z直線軸的步進電機進給系統包括步進電機驅動器、步進電機、滾珠絲桿等機械傳動結構。在實際工作中，通過滾珠絲桿的傳動作用，可將旋轉運動轉變為直線運動，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回轉軸的步進電機進給系統包括步進電機驅動器、步進電機、諧波減速器三部分組成。其中，諧波減速器主要由帶有內齒圈的剛性齒輪、帶有外齒圈的柔性齒輪以及波發生器組成，其結構示意圖如下圖4所示。而在X回轉軸實際工作時，通常有波發生器主動、鋼輪固定以及柔輪輸出三種工作模式。以波發生器主動工作模式為例。當波發生器為主動時，凸輪在柔輪內轉動，促使柔輪與薄壁軸承發生可控的彈性變形，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軸的回轉精度，實現了陶瓷坯體雕刻加工的精細化工作。尤其是在針對大批量的陶瓷坯體雕刻時，一般臥式雕刻機在對于300件陶瓷坯體（周長尺寸在750mm左右）進行雕刻時，如果直接由步進電梯帶動回轉，即使采用16細分數，也很難達到較高的回轉精度。但通過諧波減速機的接入，X回轉軸的回轉比可達到80-600，同時也可做到與X回轉軸的無側隙嚙合，具有傳動速比大、傳動效率高、承載力強、傳動精度高的優點[5]。

3.3 控制系統

臥式三軸雕刻機的控制系統設計選用了PC機的開放式數控系統，通過利用軟件插補的方式，即PC機+上位機軟件控制，極大節約了陶瓷坯體自動化雕刻的開發成本。其中，對于PC機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行，如華為擎云B730、戴爾成就3710等[6]。上位機軟件作為安裝在電腦里的數控軟件，本機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，直接控制步進電機驅動器與雕刻設備的輸入、輸出脈沖以及方向信號，進而實現精準控制數控機床，完成既定的陶瓷坯體雕刻工作。

并且，為進一步保證控制系統的穩定工作，控制電路也起到了至關重要的作用。本機所選用的控制電路為東芝公司推出的步進電機驅動芯片TB6560周雕刻機接口控制板，主要由驅動接口和步進電機驅動電路組成。其中，驅動接口主要用于接口板與PC電腦的聯系，保證電腦中下達的各項自動化雕刻指令能正確下達至數控機床中。而步進電機驅動電路是驅動步進電機運作的核心部分，致力于將電腦信號按照指令要求傳送到各軸驅動器中，具備以下五種功能。第一，具備自動變流功能，當驅動電機停止工作時，可自動減小電流，減少電機發熱，延長電機的使用壽命。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，防止因設備過載而造成系統崩潰。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行效率。第四，具備四路輸入控制，可執行限位、急停、復位、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橋雙極性驅動，可進行1、1/2、1/4、1/16細分，實現對反向電路輸入信號的全面整形。

3.4 加工實例

為進一步明確基于數控技術的陶瓷坯體雕刻加工技術優勢，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，明確數控技術在陶瓷坯體雕刻加工中的應用路徑，以彰顯數控技術加入下陶瓷坯體工作的技術優勢。

在臥式三軸雕刻機實際操作前，需先將陶瓷坯體固定在回轉工作臺上，確保坯體工件的軸心與X軸的回轉軸心重合，同時設置好加工坐標，明確本次雕刻加工的實際范圍，然后對陶瓷坯體進行反求建模，至此完成陶瓷坯體數控雕刻的準備工作。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切兩種。其中，行切即為刀具沿著直線方向加工，環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往返加工的情況，交替出現順銑和逆銑；而環切的加工過程銑刀的切削常保持一種狀態，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律，保證切削的表面質量。其次，帶隊刀具加工路徑選擇完成后，需進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”，所以在進行加工前，第一，需設置陶瓷坯體的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值則根據模型參數Hmax來設定，得出X、Y、Z尺寸為130×130×4mm。第二，需設置加工參數。因本次陶瓷坯體浮雕加工區域已設置好為100×100mm的矢量區域，所以整體加工參數如下：主軸轉速20000r/min，進給率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，如行距、下切步距、主軸轉速等，所以按照數控雕刻機床的要求，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據，提高雕刻效率。其雕刻后的陶瓷坯體如下圖6所示。

4結語

綜上所述，本文通過經濟型臥式三軸雕刻機的舉例分析，針對性展開了基于數控技術的陶瓷坯體雕刻加工技術研究。可以發現，隨著科學技術的快速發展，數控雕刻技術可代替傳統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量，充分滿足當前陶瓷市場對同類型陶瓷雕刻模式的大批量需求。同時，數控雕刻技術也切實發揮了自身技術性的性能優勢，在陶瓷坯體雕刻方式的選擇上更為精準，除使陶瓷更加美觀外，還使陶瓷的使用性能更強，可切實滿足當前人們的日常生活需求，推動生產工藝達到世界一流水平，為我國陶瓷產業的生產與發展給予了動力源泉。

參考文獻

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