基于JDSoft SurfMill的蜡版模具制作方法探索

张余益 邢小颖 井平安 陈远洋

清华大学基础工业训练中心 北京 100084

随着智能制造技术的普及和成熟，以及我国工业4.0战略的提出，产品设计研究对象和方法渐渐发生质的变化，在产品设计中特别是消费者对个性化定制化产品的需求是急需解决的问题，且存在巨大的商业价值。工业4.0中倡导产品摆脱一成不变的生产方式实现创意设计制造，让生产出的产品有了个性化定制的可能。而目前成熟的精雕工艺技术在产品的个性化方面应用前景是非常大的。已演变成为当今热门生产工艺，在工艺品，礼品等生产中应用广泛[1]。

首饰的在传统制作方法中对制作者的手法和技艺有着较高的门槛和工作经验的积累。每一枚作品的诞生通常都需要制作者有很好的绘画功底，并且需要一定的审美能力，其次对于很多蜡版制作的工具使用要非常熟练。也就是说首饰的传统制作方法既要有很好的艺术修养基础，又需要长时间的经验积累，那么首饰制作行业也就慢慢的被大家认为是一种具有艺术功底的熟练工种。但是由于近年来工业的迅速发展，各行各业都有了阶段性的突破与改变，这便让首饰品制造行业也搭上了这趟顺风车。先进的数字化制造装备给蜡版的制作带来了新的方法和工艺。除过手工雕刻蜡版之外，还涌现出了3D打印蜡版、数字化雕刻蜡版、模具注射蜡版。本次我们来介绍一种吊坠蜡版的模具设计与CNC加工[2]，以实际案例来描述蜡版模具是如何设计和加工制造的。对从事模具设计制造，精密铸造，首饰品制造行业有一定的借鉴意义。

1 吊坠蜡版的模具设计

现代精雕技术是传统雕刻技术和数控技术结合的产物，它集合了传统雕刻工艺精细灵活的工艺特点，同时利用了传统数控加工中的自动化技术，成为一种理想的产品设计应用技术。本文中所指的精雕工艺是整套CNC雕刻技术，主要包括精雕机床、精雕工艺等。精雕机归属于数控机床，通常认定精雕机是利用高速主轴、功率较大的电机和刀具的数控铣床。精雕工艺是将CAM技术、CAD技术、图像处置技术、反向CAD技术、CNC技术、精细构造设计以及生产设计、刀具雕刻改良技术、精细快速主轴电机等技术有效统一，是将人手工雕刻变成现代工业制造(指CNC雕刻的有效用具)的过程。精雕CNC雕刻体系基础构成是：精雕机、精雕雕刻CAM软件、CAD软件以及刀具快速雕刻技术[3]。

根据数字化雕刻蜡版后铸造成的首版吊坠饰品可以看出，该作品为正反面结构的圆形吊坠，原型吊坠饰品如图1所示。这种图案呈现效果类似于浮雕的设计，浮雕也是雕刻的一种，一般附属在另一个平面上，可以在金属材料和非金属材料上雕刻，使物像凸起的雕刻技法，并只供一面或两面观看[2]。而该作品的造型设计是通过三维造型软件对构建的二维图形轮廓进行拉伸和旋转的特征操作，使得二维图形在经过特征操作后具有三维的曲面效果，然后与曲面相交的部分进行裁剪或拼接缝合，最终完成吊坠整体曲面造型的生成。所以我们先需要在计算机中使用设计软件将正反面的二维造型轮廓线构建完成。

1.1 创意草图设计

吊坠蜡版模具创意草图的设计方法有通常有两种，第一种就是手绘。设计师凭借着自身的艺术天赋和多年的绘画基础，使用多样的绘图工具，如铅笔、毛笔、勾线笔等其他需要手工作业的辅助工具来绘制。之后使用扫描设备将图纸中的图形扫描进入计算机，再经过矢量化的处理方式完成电子版图形。第二种是直接使用计算机辅助设计软件来完成图形的设计。使用计算机辅助设计软件时可以选择正向设计、逆向设计等方法完成。在计算机辅助软件中使用正向设计的方法是应用该类软件中的绘图工具和图形编辑修改工具直接构建设计师想要创作的产品原型。而逆向设计是通过在软件中对导入的图形、扫描的图形、照片等已有的参考元素进行反求来获得满足后续再设计的图形[4]。所以在逆向设计之后还需要正向设计的手法和工具对反求的图形或模型进行进一步完善，最终获得设计师需要的理想图形或模型。本次我们采用计算机辅助逆向设计的方法完成，具体设计理念和设计方法如下。

具有校园文化的创意项链吊坠的原型设计理念来源于清华大学的早期建筑二校门和学校的紫荆花，如图2左边所示。

创意草图的设计属于概念设计的环节[3]，在JDSoft SurfMill7.0软件的2D绘制中进行概念草图的设计与创建[5]。首先在文件输入中导入需要参考的图片，其次使用曲线绘制功能运用直线、圆弧、圆、样条线等命令设计出所需要的二维草图，之后对多出的线条进行裁剪，对未闭合的区域轮廓进行连接等操作，分别创建出建筑体二校门和校花紫荆花的概念曲线，如图2右边所示。

正面图形的设计分别从我校具有代表性的建筑和校花中提取，最终将两部分的图案进行合理的排布与融合完成定稿，反面选用我校校徽与我们二级单位的logo完成定稿设计。最终正反面效果图如图3所示。

1.2 三维模具造型设计

三维蜡版模具造型的设计区别于一般的实际产品造型设计，由于蜡版模具的功能是将融化后的蜡加压注入模具空腔中冷却成型，所以我们的蜡版模具造型必须是原始造型的翻模[6]。那么我们可以根据三维设计软件的曲面设计功能来完成实际所需要的原始模型，利用曲面拉伸、曲面旋转、面面裁剪、曲面组合等工具操作来实现曲面三维建模工作[7]。创建完成的实际曲面造型的反面内部型腔便是我们所需要的翻模，如图4左边所示。该蜡版的设计为正反面，所以我们将正面造型和反面造型分别设计加工在上模和下模上，蜡版反面造型是利用二维曲线雕刻功能在下模中心雕刻出图案logo即可，主要外型轮廓都在上模。分型面留在下模logo雕刻平面上，利于模具的开合，蜡版模具的开合由导向柱引导完成。最终设计的蜡版模具如图4右边所示。

2 自动编程与加工仿真

蜡版模具的数字化雕刻需要在计算机辅助制造软件中进行自动编程来制定加工工艺，本次的蜡版模具编程在JDSoft SurfMill7.0软件加工模块中进行[8]。首先创建和实际尺寸相同的毛坯，选择相应的加工策略，定义与模具造型匹配的刀具和刀具参数，进行刀路自动计算，生成加工路径。再经过多次加工仿真、修改加工参数直到合理后进行后置处理生成加工程序，最后输出加工文件。

(1)创建毛坯[9]：在导航工作条中选择加工模块，使用“毛坯形状”工具定义一个34mm×45mm×8mm的一个方体作为上模毛坯，下模创建同样的尺寸毛坯。

(2)创建刀具[10]：使用“刀具表”工具定义6把刀具，分别是：4号刀位为4mm平底铣刀、5号刀位为2mm平底铣刀、10刀位为1mm平底铣刀、8号刀位为2mm球头铣刀、11号刀位为0.5mm锥度平底刀、7号刀位为0.2mm锥度平底刀，锥度平底刀锥度为30度。

(3)选择加工策略和设置加工参数[11]：该蜡版模具上模有三部分需要加工，分别是内腔、浇道、定位销导向孔，我们以内腔为例说明自动编程流程。选择“刀具路径”—“路径向导”—“分层区域粗加工”命令后确定，系统弹出“分层区域粗加工”对话框，设置加工深度范围、刀具几何形状、路径间距、轴向分层、下刀方式、走刀速度、冷却方式、加工图形的参数后进行自动计算，生成刀具路线，完成模具内腔主体粗加工。半精加工和精加工选择“平行截线”命令后，依次设置加工参数完成精加工路线，加工路径如图5(1)所示。完成加工路径后将三部分特征进行仿真加工，仿真效果如图5(2)所示。蜡版下模的加工按照同样的工艺流程，选择“分层粗区域加工”和“曲面流线精加工”命令完成导向孔和浇口的加工，下模的加工选择“单线切割”命令后，使用0.2mm的锥度平底刀完成镜像图案的雕刻加工，加工路径如图5(3)所示，仿真加工效果如图5(4)所示。

3 蜡版模具加工

本次蜡版模具的加工使用的是JDHGT600T精雕机。使用精密平口钳和平行垫铁安装固定34mm×45mm×8mm的H59黄铜毛坯。黄铜材料具有导热性好、耐磨、加工表面光滑等优点。这些特点利于注射蜡版的散热，可快速冷却成型并且好脱模。安装好毛坯后使用机床测头进行工件坐标系的创建，使得模型基准与工件基准重合。使用内置程序完成基准平面加工后更改Z轴原点坐标。在精雕机控制软件中打开加工文件，编译后启动程序进行自动加工。吊坠蜡版模具上下模加工实物如图6左边所示。通过压力蜡版注射机注射入蜡版模具中，完成蜡版批量制作如图6右边所示。所用注蜡机为自动真空注蜡机，气压0.4～0.7Mpa，温度设置一般为40.0～99.9℃，蜡桶容量约3kg，可进行批量蜡模挤压。

结语

以CNC精雕机加工吊坠蜡版模具为例，介绍了工业软件JDSoft SurfMill7.0以快捷的方式构建二维曲线，以曲面建模的方式完成蜡版模具设计，之后通过该软件完成了数字化雕刻加工的路径设计和编程过程。为首饰品的制作过程提供了新的工艺方法和蜡版设计制作途径，并且可实现蜡版批量制作。解决了产品一致性差等问题，节约了大量手工制作蜡版的时间，提高生产效率。