建筑裝飾石材數(shù)控加工技術研究

蔣從根 李文召 甄雪松 姜輝

摘 要：建筑裝飾石材企業(yè)規(guī)模小、技術實力弱、加工工藝研究不足，急需加工工藝研究。因此，論述浮雕產(chǎn)品的加工工藝過程及工藝特點，提出了初步的工藝規(guī)范，希望對建筑裝飾石材加工工藝具有一定的參考作用。

關鍵詞：建筑裝飾石材；浮雕設計；數(shù)控加工工藝

中圖分類號：TU52 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）02-0113-03

0 引言

建筑裝飾石材的雕刻加工是利用數(shù)控雕刻機床、機器人等自動化程度較高的設備，并配合路徑生成軟件，自動生成工件開粗、半精加工和精加工程序，基本實現(xiàn)自動化的加工方法，該方法是目前建筑裝飾石材雕刻的主流方向[1]。

其中以色列Scanv公司開發(fā)的Casemate軟件包，具有圖像矢量化、平面刀具軌跡生成、三維提筆加工等功能，其中圖像矢量化功能是目前主流軟件中較好的一個[2]。

隨著社會的發(fā)展，人們越來越注重對環(huán)境的美化。高檔的居住社區(qū)、辦公大樓以及現(xiàn)代化的企事業(yè)單位等都使用了花樣眾多的石材產(chǎn)品來裝飾和美化環(huán)境[3，4]。石材工藝制品紛繁多樣，從花鳥魚蟲神話人物再到隨身飾品，不勝枚舉。數(shù)控加工技術在技術行業(yè)得到廣泛應用，也已初步用于建筑材料加工行業(yè)。

目前國內(nèi)從事石雕企業(yè)數(shù)量眾多，但企業(yè)規(guī)模小、技術力量弱、加工工藝落后。目前石雕加工企業(yè)普遍采用精雕公司的編程軟件，由于該編程軟件是為模具加工工藝開發(fā)，不太適用石雕技術工藝。本課題研究應用精雕軟件，加工建筑裝飾石材（發(fā)泡陶瓷）工藝產(chǎn)品。

1 精雕軟件介紹

北京精雕軟件由北京精雕集團公司開發(fā)，在應用領域上，精雕軟件已經(jīng)徹底突破了適合標牌、廣告、建筑模型等較為傳統(tǒng)的雕刻應用范疇，在技術門檻更高的工業(yè)雕刻領域，如滴塑模、高頻模、小五金、眼鏡模、紫銅電極等制作業(yè)，表現(xiàn)同樣出色，成為國內(nèi)最優(yōu)秀的雕刻軟件[5，6]。軟件分為JdPaint、ArtForm、SurfMill等幾個系列。目前最高版本為SurfMill9.5，主要用于高精度五軸模具加工。目前建筑裝飾石材主要使用精雕的JDPaint、ArtForm系列軟件，本文以ArtForm2.0為例論述。

2 裝飾石材加工過程

裝飾石材品種千變?nèi)f化，其加工過程包括以下5個步驟（以典型建筑裝飾石材浮雕為例）。

2.1 制作浮雕圖

按照用戶要求，把文字、圖畫等藝術作品，借助軟件，制作成為3D浮雕圖，如圖1所示。

2.2 按照石材尺寸設計刀路

市場上的發(fā)泡陶瓷有各種規(guī)格，根據(jù)工廠現(xiàn)有發(fā)泡陶瓷的尺寸及產(chǎn)品規(guī)格設計刀路。在涉及刀路的時候，需要考慮浮雕的分割大小、選擇刀具、選擇吃刀深度等因素。設計的刀路如圖2所示。

2.3 輸出加工程序

刀路設計完成后，輸出加工程序。加工程序片段如圖3所示。

2.4 仿真驗證

輸出加工程序后，不要急于加工，需要仿真驗證，確保正確無誤后才雕刻加工。仿真結果如圖4所示。

2.5 雕刻加工

用仿真驗證后的加工程序，實施雕刻，生產(chǎn)出完整的石材雕刻產(chǎn)品。雕刻完成的吊花如圖5所示。

3 浮雕圖設計制作

3.1 畫線

精雕ArtForm2.0設計制作浮雕圖，需要用到許多工具實現(xiàn)。如祥云、堆料、去料、掃掠面、磨光等。為了精準對模型進行處理，使用顏色內(nèi)處理的概念。即只在顏色內(nèi)有效，顏色外不操作處理。劃線是進行顏色區(qū)分的前提，導動去料、堆料、祥云等都需要按照一定軌跡處理。畫線就是提供這些運行軌跡，所以，畫線是浮雕制作的第一步，而且是非常重要的一部。畫線規(guī)范、布局合理，是成功設計浮雕的重要基礎。劃線采用工具主要是“樣條”，根據(jù)需要也可以使用“直線”、“圓弧”、“多義線”等工具。浮雕圖的原始圖片如圖6所示。

石材浮雕圖主要制作方法是堆料、去料、祥云，重點是畫好分界線和祥云的運動軌跡線。線如圖7所示。

畫線是需要耐心的工作，需要不斷修改，達到理想狀態(tài)，線條不理想，可以通過“節(jié)點編輯”進行編輯。對于對稱的圖形，可是使用“鏡像”“復制”“對稱”等工具，批量復制，減少工作量。

3.2 設計浮雕

3.2.1 建立模型

雕塑是在模型上進行的，模型相當于實際雕塑的原材料。操作步驟是選中“線條”或圖形，在“模型”菜單中點擊“新建模型”，設置參數(shù)，輸入完參數(shù)后按確定即可完成模型的創(chuàng)建。如果選擇菜單命令前選擇了二維圖形，系統(tǒng)自動把二維圖形包圍盒的長寬值設置于對話框中的長寬輸入框中。

3.2.2 沖壓厚度

選中所有線，點擊鍵盤“空格”鍵，給線條包裹范圍內(nèi)畫上顏色，點擊“沖壓”，選擇沖壓高度，選擇“顏色內(nèi)”選項，點擊模型中的顏色，即完成基礎4 mm沖壓。

3.2.3 上色

選中顏色，敲擊鍵盤的“M”鍵，去掉顏色，再點擊“顏色”菜單下的“單線整體自動分色”按鈕，完成各部分自動分色，如圖8所示。也可以用種子填色等手動方式分色，手動分色效率太低，不建議使用。

3.2.4 設計浮雕效果

本產(chǎn)品需要祥云、去料等工具即可完成浮雕設計。祥云工具的使用方法是：點擊“幾何”菜單中的“祥云（單線浮雕）”，在單出的對話框中輸入高度值“3.5”，這個一般小于初始沖壓高度值，選擇“切除”選項，選中圖形中的顏色，再選擇運動軌跡線，即完成雕塑。浮雕效果，如圖9所示。

4 設計刀路

4.1 浮雕分割及雕刻布局

用戶不同，浮雕的尺寸也會千差萬別。市場上石材的尺寸也是千差萬別，不可能把用戶的浮點產(chǎn)品一次雕出來。必須根據(jù)用戶的需求尺寸、石材尺寸、運輸方便等，把浮雕分割成若干塊。

分割的原則一個是考慮運輸安裝方便，根據(jù)浮雕的厚度，一般考慮分割成1 000 mm×1 000 mm以內(nèi)。再綜合考慮材料利用率和運輸安裝方便，調(diào)整分割單元尺寸。市場上發(fā)泡陶瓷尺寸1 200 mm×2 400 mm規(guī)格較多，綜合考慮，橫向布局兩塊，縱向布局三塊，雕刻時留20 mm的“緹干”存水，四周留15 mm的余料，每個單元參考尺寸為767 mm。浮雕單元布局如圖10所示。

分割的操作方法是：點擊“藝術曲面”菜單中的“修剪”，選擇“二維閉環(huán)”，選中“被剪裁曲面”和“剪裁封閉輪廓”，選擇“保留”的“環(huán)內(nèi)”或“環(huán)外”或“環(huán)內(nèi)環(huán)外”，再點擊“確定”，就可完成浮雕剪裁分割。

在分割浮雕時往往會出現(xiàn)死機狀況，重啟分割還會繼續(xù)出現(xiàn)死機。解決的辦法是把分割框放大一個小尺寸（例如0.1 mm），基本上不影響產(chǎn)品尺寸，但會立即解決問題。

4.2 工藝參數(shù)設定

4.2.1 雕刻平面確定

為方便工藝參數(shù)計算和實際雕刻操作方便，浮雕的最高面為“0”平面。這是必須遵循的原則，否則容易出現(xiàn)計算錯誤和打刀等事故。

4.2.2 刀具選擇

刀具有平底刀、圓底刀、牛鼻刀等幾種。如果雕刻地面比較比較平坦，則選擇圓底刀或牛鼻刀。需根據(jù)雕塑的深度選擇雕刀的直徑。60 mm以下的，選擇D6雕刀為宜，超過60 mm深度的，選擇D8雕刀為宜。

4.2.3 路徑間距選擇

路徑間距指的是刀路兩次路勁中心之間的距離，路徑間距越大，浮雕比表面越粗糙，刀具損耗也越大，路徑間距越小，浮雕表面越光滑，刀具損耗也越小。但反過來，又會影響加工效率。所以選擇合理選擇路徑間距。一般來說，圓底刀具，路徑間距不能超過刀具直徑的?，對于平底刀具，可以適當加大，但也不要超過?。

4.2.4 刀具路徑輸出

刀具路徑設計完成以后，需要輸出路徑，提供給雕刻機運行。刀具路徑輸出，就是平常大家所說的后置。目前國內(nèi)絕大部分石材雕刻機使用上海維宏的控制系統(tǒng)，需要輸出上海微宏的NC格式。精雕ArtForm默認輸出“Eng”格式，這是精雕自己的格式，大家使用不習慣，需要輸出“Self-Def—Form”格式。這個格式需要用戶自己添加上海維宏開發(fā)的后置程序。選中后，選擇輸出文件夾和文件名，就可以輸出浮雕加工程序。

5 結語

建筑石雕市場蓬勃發(fā)展，市場需求越來越大。目前行業(yè)規(guī)模大、分散、發(fā)展不均衡，業(yè)者規(guī)模小，市場編程工藝人員缺乏，工藝水平低下。市場的培訓班魚龍混雜，需要行業(yè)工作者勤奮深入研究，為行業(yè)業(yè)者提供成熟工藝方法，促進行業(yè)健康發(fā)展，滿足社會需求。

參考文獻

[1] 陳新亮.泡沫陶瓷板在工程中的應用[J].建材技術與應用， 2021（3）：32-34.

[2] 林彩梅.基于CAD/CAM的石材拼花設計與加工的研究與應用[J].甘肅聯(lián)合大學學報（自然科學版），2015，29（1）：52-55.

[3] 晏輝.對石材產(chǎn)品加工中細節(jié)的幾點看法[J].石材，2018（10）： 19-25.

[4] 潘潔珍.產(chǎn)品設計創(chuàng)新驅(qū)動石材產(chǎn)業(yè)發(fā)展探析—以廣東云浮為例[J].石材，2019（6）：55-58.

[5] 卞化梅，王麗萍.基于JDPaint5.50雕刻石膏工藝品的設計與加工[J].制造業(yè)自動化，2014（9）：49-51.

[6] 梁保生.木工數(shù)控雕刻工藝研究[J].中國新技術新產(chǎn)品，2016 （14）：58-59.