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基于ArtCAM的异型石材浮雕建模及加工研究

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、1 .9基于ArtCAM的异型石材浮雕建模及加工研究Study the modeling and processing of profiled stone relief based on ArtCAM苏姜姜,陆 峰,赵德宏,吴玉厚,张 珂SU Jiang-jiang,LU Feng,ZHAO De-hong,WU Yu-hou,ZHANG Ke(沈阳建筑大学交通与机械学院,沈阳 110168)摘 要:以ArtCAM软件为平台,归纳了ArtCAM软件建模的三种实现方法。并以大展宏图浮雕为例,配合异型石材车铣加工中心HTM50200,研究了异型石材浮雕数控加工的一般过程。提出了ArtCAM在建模及加工过程中的关键点,给出了软件应用的流程图,并加工出该浮雕模型。结果表明,该方法弥补了传统浮雕加工传统手工加工效率低下,劳动强度高等缺陷,促进了异型石材浮雕行业的数字化发展。

关键词t ArtCAM;浮雕;建模;加工中圈分类号:TH1 6;J31 6 文献标识码:A 文章编号:1 009-01 34(2Ol 3)09(上)一01 24一O4Doi:1 0.3969/J.Issn.1 009-01 34.201 3.09(E).360 引言浮雕是在平面上雕刻出凹凸起伏形状的一种雕塑,是雕塑与绘画技术结合的产物,它是用型压面压缩的方法来处理图像,靠透视等因素来表现三维空间,并只供一面或两面观看 。近几年来,随着科学技术的发展,以及人们对于大 自然的崇尚,石材制品以其天然的华丽色彩和物理性能,赢得广大消费者的亲睐,被广泛用于建筑安装、家居装饰、艺术雕刻、生活用具等方面,特别是在建筑装饰的使用 ,像是门套窗套、罗马柱、喷泉、拱门、雕刻、拼花等等,衬托出建筑物的高雅庄重大气,更添加了整个建筑的高雅华贵的档次和艺术气息,已经成 了高级身份的象征,夺得了广大消费者和设计师所的芳心,使用量年年激增。科技的发展使计算机控制应用于异型石材加工机械中,使刀具能够自动加工出复杂的凹、凸表面,工作效率大大超过了手工加工,并且实现了异型石材的工业化大批量生产。

1 ArtCAM软件与数控石材加工中心联合来自英国的ArtCAM软件以其独特的CAD造型和CNC、CAM加工解决方案以及全中文界面在浮雕的加工和模具制造等领域得到了广泛的应用。

ArtCAM软件可以从二维矢量或位图直接生成三维浮雕,这些矢量和位图可以在ArtCAM由软件直接产生,或由其他软件系统输入。通过ArtCAM软件建立的浮雕模型,具有编辑修改和储存的功能。在ArtCAM中的模型,可以通过参数的选择和加工工艺方案的定制,生成刀具的路径,完成从粗加工、精加工和雕刻的多条刀具路径,并进行相应的模拟加工。ArtCAM强大的后处理功能使得生成的数控加工程序能够应用于不同的数控加工装备中,与异型石材车铣加工中心能够很好地结合在一起。

2 ArtCAM建模过程ArtCAM建模一般有三种实现方法:1)软件建模,这是一个由二维图片到三维浮雕的过程,整个的建模过程如图1所示。这个建模的过程比较繁琐,所建模型的艺术效果,更多的取决于设计者的艺术手法,人为因素占很大比重,不同的人建模效果各异。

罐备 段r轮霹逸域填色1 、l及截面选取 J 【模型光颓处理1『浮雅立l体感屡 1【溃的锌静} J 一 I模型的完善 l及细节处理 J区域实体的生成 l及布尔运算 J 詹期处理或篷睁段 /图1 软件建模流程图2)逆向工程建模,通过手工师傅的建模,逆向过程来实现,整个建模的过程如图2所示。这种建救捕日嗣:2013-05-18基金项目:辽宁省科技攻关计划:异型石材车铣加工中心产业化开发 (2011220012):沈阳市科学技术计划:基于可重构的石材数控加工装备产业化开发 (F12-036-2-00)作耆精介:苏姜姜 (1986一),女,安徽桐城人,硕士研究生,研究方向为数控加工技术。

卷 第9期 2013-09(上)
l 匐 似指沿指定角度往复移动刀具来进行加工。当角度为零时,则沿X轴方向加工。Y和Y方向平行加工策略是指沿着两个垂直的方向进行平行加工。从两个方向进行加工显然增加了加工的时间,但是却能改善浮雕表面的加工质量。螺旋加工策略以螺旋的方式进行加工,但当刀具到浮雕的第一个边缘时就停止,这种加工策略不适于加工矩形浮雕,因为它只能加工出浮雕的一部分,适于加工圆形浮雕。螺旋加工和方框螺旋加工策略与螺旋加工策略相似,但当刀具达到浮雕的边缘后即可提刀,然后沿浮雕边缘移动,到可加工的地方下刀继续加工。应用此策略可加工整个浮雕,但进刀和退刀,使工作的时间大大增加。综合浮雕本身的特点以及加工的效率等因素,本浮雕选用x方向平行加工的策略。根据粗加工和精加工设置合适的余量0.2,公差为0.01。加工安全Z高度默认为X:OY:OZ:15,也就是说在z 以上的高度,刀具以快进的方式进行移动,而在z 以下则改为制定的进给速度运动,避免发生碰撞口1。此高度应高于浮雕,也需高于压板、夹具等,但必须等于或低于z轴起始加工位置。设置加工安全Z高度为X:0Y:OZ:20。

3.3 刀具的选择该浮雕加工选用毛坯的材料为大理石金碧辉煌,金碧辉煌是埃及进口天然大理石,色调柔和雅致,华贵大方,极具古典美和皇室风范,适合高品质的建筑装潢的使用,由于放射性低,在室内装修也广受欢迎。它的比重为2.56g/cm ,抗压强度为100MPa,抗弯强度为8.0MPa,颜色为黄色。根据加工浮雕所选用的材料硬度大,耐磨性高,难加工,以及加工选用的异型石材车铣加工中心的特点,选用金刚石涂层刀具。金刚石涂层刀具具有硬度高、摩擦系数小、耐磨性、导热性和化学稳定性好等优良特性,在较高的切削速度下能够获得良好的加工表面质量,广泛应用于超硬材料、有机复合材料等的高速切肖Ⅱ加工 。浮雕的加工工艺一般为粗加工一半精加工一精加工一清根、抛光等后处理,刀具的选择综合浮雕的细节和加工的效率两个因素来分析,大刀具能够提高加工的效率,小刀具处理细节时更加清晰细致。该浮雕粗加工选用01o的平底铣刀,能够快速去除表面质量,提高了工作的效率。在使用的过程中,应避免下扎现象,表面有预留余量,并保证一定的主轴转速,并尽量减小刀具的伸 出长度。半精加工和精加工分别采用中6和 3的球头铣刀残留加工时采用 1的球头铣刀,是由于使用球头刀加工时,切入角是连续变化的,几乎没有突变的现象,这样切削力也是一个连续变化的过程,切削的状态更加稳定,表面光洁度更高,使用球头刀进行半精加工时表面的残料少,这样更利于下面的精加工。使用球头刀加工减小了实际切削直径,降低了切削的线速度,减小了切削加工时的切削功率和切削扭矩,更有利于主轴电机在更好的状态下进行加工。

3.4切削参数设置该浮雕选用异型石材车铣加工中,I~HTM50200来加工,该加工中心能够实现八轴五联动,主轴转速为1500~12000r/min。根据刀具的切削参数公式 = ; = 2
n
;上= ,式中:V为切削速度,m/min;D 为铣刀直径,mm;n为主轴转速,r/min:fz为每齿进给速度,mm/tooth;Vf为每分钟的进给速度,m/rain;z为铣刀刃数;L为行距,mil;h为残余高度; 为刀具有效切削半径;为曲面局部曲率半径;凸曲面Br~Sgn(OxN)=1,凹曲面时Sgn(OxN)=0。分别采用 1o的平底铣刀,以及巾6和巾3的球头铣刀加工该浮雕,并用巾1的球头铣刀做三维残留加工。所选的加工切削参数如表1所示。

3.5 刀具轨迹计算在ArtCAM中分别对粗加工、半精及精加工和三维残留加工的刀具参数以及加工参数进行设表1 加工参数[126] 第35卷 第9期 2013一OO(上)

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