陶瓷石膏模具的快速成型系统研究

徐晗 韩文 吴南星

（景德镇陶瓷学院机电工程学院，江西景德镇333403）

陶瓷石膏模具的快速成型系统研究

徐晗 韩文 吴南星

（景德镇陶瓷学院机电工程学院，江西景德镇333403）

为了改变传统陶瓷石膏模具开发的落后现状，开发出了一套陶瓷石膏模具快速成型系统。整个系统以CAD/CAM技术为核心，融合了反求工程技术和快速原型制造技术，满足了陶瓷石膏模具快速开发的要求，使得设计制造过程更加数字化、规范化。

陶瓷，石膏模具，CAD，反求工程，CAM

1 引言

石膏模具是最早的也是使用最广泛的一类模具，目前仍然广泛应用于注浆、滚压、旋压等成形工艺中，是陶瓷行业不可缺少的辅助材料。

传统的石膏模型制造过程为：先制造“型”又称胎），由“型”翻制成种模（又称为原始模，或胎模），再将种模的每一模片分别制成一个模，称为母模。再以石膏从母模中浇注成大量生产用的工作模。石膏模型制造过程可见图1所示。

传统陶瓷石膏模具设计制造过程漫长且复杂，无法适应当前日益激烈的市场竞争。为了改变传统陶瓷石膏模具开发的落后现状，有必要将先进制造技术应用于陶瓷行业，开发出全新的陶瓷石膏模具设计制造工艺，以满足陶瓷石膏模具快速开发的要求，使设计制造过程更加数字化、规范化。

为此，本课题选择陶瓷石膏模具的快速成型系统作为研究对象，从CAD/CAM技术，反求工程技术、快速原型制造技术等方面对陶瓷石膏模具的设计制造工艺进行系统的研究。本系统利用计算机辅助设计以及三维扫描技术获得陶瓷模具的三维数字模型，然后通过对该三维数字模型的处理生成数控加工程序，将该程序输入数控加工设备对石膏进行数控加工，便得到所需要的陶瓷石膏模具。陶瓷石膏模具的

计算机辅助设计与制造过程见图2所示。

2 陶瓷石膏模具CAD技术的研究

利用CAD系统软件进行产品模型设计，其中三维造型设计是数字化产品的真实形状设计，它完全表达了产品,能够进一步为模具设计、分析和加工提供必要的数学模型。

本研究所使用的三维建模软件为UG NX5.0软件，UG NX是一款功能强大的三维设计软件，主要用于汽车和机械行业，在航空领域也有部分企业在使用。相似软件还有catia、proe等。UG NX包含了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块，具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。本研究所建立的数据库中绝大多数模型都是由UG NX5. 0软件直接进行三维建模，少部分是通过三维扫描技术获得点云数据，然后导入UG NX5.0中进行编辑等操作，从而获得所需要的三维数字模型。

3 陶瓷石膏模具反求工程技术的研究

反求工程(Reverse Engineering,RE),也称逆向工程、反向工程,是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程,是一个从样品生成产品数字化信息模型,并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。

在石膏模型制作中，利用实物测量进行快速反求建模，是产品仿型基础上进行产品修改设计的重要技术。其基本原理是通过三坐标测量机或激光测量机对实物进行扫描测量，把测量所获得的数字化的大量数据点送入高级CAD软件的反求模块或专用的反求软件中，反求软件可直接读取点数据群,并可对点数据群进行编辑、过滤、整理、求精、排序、局部修改与重组,然后自动生成曲面，最终获得同实物精确一致的或经改造的电脑产品模型。这一方式可极大地提高新产品设计速度。

本研究采用的扫描测量设备是拍照式三维扫描仪，如图3所示。其结构主要由光栅投影设备及两个工业级的CCD照相机所构成，由光栅投影在待测物上，并加以粗细变化及位移，配合CCD相机将所撷取的数字影像通过计算机运算处理，即可得知待测物的实际3D外型。拍照式三维扫描仪采用非接触白光技术，避免对物体表面的接触，可以测量各种材料的模型，测量过程中被测物体可以任意翻转和移动,对物件进行多个视角的测量，系统进行全自动拼接，轻松实现物体360高精度测量。并且能够在获取表面三维数据的同时，迅速的获取纹理信息，得到逼真的物体外形，能快速的应用于陶瓷石膏模具制造行业的扫描。

利用该扫描仪对佛像进行了三维扫描，得到了此塑像的点云数据，并导入到UGNX软件中如图4所示，对其进行编辑等操作，便获得了此佛像的三维数字模型，如图5所示。

4 陶瓷石膏模具CAM技术的研究

CAM即计算机辅助制造，是利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹(刀位文件)和数控程序。将CAM技术用于陶瓷石膏模具的快速成型，是对已得到的三维数字模型进行CNC编程，得到用于加工的NC代码文件，输入数控雕刻机对石膏进行快速雕刻成型。

本研究对浮雕花瓶和佛像的CAD模型进行刀路编辑，即包括刀具和加工路径的选择，相关工艺参数的确定，以及毛坯的制作等。通过UG NX软件自动生成加工路径，即刀路文件，如图6所示。然后进行模拟加工，如图7所示。模拟加工无误后便可将刀路文件借助专用的后处理程序生成用于数控雕刻机加工的NC代码文件，最后加工出需要的石膏模具，如图8所示。

5 结束语

在研究中发现陶瓷石膏模具不同于金属模具，根据陶瓷产品的生产工艺，针对在产品生成过程中可能遇到的问题进行分析，并相应地处理，如陶瓷坯体干燥和烧成后都会有收缩现象，因此对石膏模具应按比例预先放大。所以需要考虑到研究石膏模型的缩放率及其在各个方向的变化，在确保外观质量的前提下进行简化处理，使之有利于模具的后续加工。

该系统能够对陶瓷石膏模具的种模进行三维建模，并数控编程，获得数控加工程序，输入数控设备，并最终加工出了符合要求的石膏模具，对石膏模具的快速加工具有重要意义。将产品数字化是未来的发展趋势，产品数字化能够大大加快产品的设计和生产速度，提高产品质量，因此该系统在陶瓷模具领域具有良好的应用前景和经济效益前景。

1吴磊.UGNX4.0中文版曲面设计典型范例教程.北京:电子工业出版社,2006

2杨胜群,唐秀梅.UGNX4数控加工高级教程.北京:清华大学出版社,2007

3冯立静,张国友.逆向工程在曲面反求建模中的应用.气动研究与实,2010,(1):7～11

4徐晗,罗良玲.五轴联动数控陶瓷雕刻机的研究与开发.中国陶瓷,2007,43(12):44～45

5程俊廷,张树林,韩明等.反求工程在快速成型中的应用.精密制造与自动化,2003,(1):20～21

Abstract

IIn order to change the backwardness of traditional ceramic plaster mold design and manufacture,a rapid prototyping system for ceramic plaster mold has been developed.The system uses CAD/CAM technology as the core,and integrates reverse engineering technology and rapid prototyping technology to meet the requirements for rapid development of ceramic plaster molds,thus making design and manufacturing process more digital and standard.

Keywords ceramics,plaster mold,CAD,reverse engineering,CAM

RAPID PROTOTYPING SYSTEM FOR CERAMIC PLASTER MOLDS

Xu Han Han Wen Wu Nanxing
(Mechnical and Electronics School,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen Jiangxi 333403,China)

TQ174.6

A

1000-2278（2010）04-0607-04

2010-06-11

徐晗，E-mail:xuhan1982@163.com