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现代科技不锈钢雕塑制作方法

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本文介绍了基于数控渐进成形技术成形金属(不锈钢)雕塑的制作方法,论述了从三维雕塑CAD造型、CAD模型缩放及分割、补充曲面片的加工工艺面、板料渐进成形等整个雕塑作品的制作过程,并应用实例验证了基于数控渐进成形的雕塑制作方法的可行性和优越性。

雕塑是造型艺术之一,是雕、刻、塑3种做法的总称,是运用各种材料雕刻、塑造的各种艺术形象。从构造材料来看,雕塑可分为:石雕、木雕、陶雕、金属雕塑等。金属雕塑,泛指一切以金属为材料的雕塑作品,金属雕塑是雕塑艺术领域中很重要的一部分。金属材料所具有的延展性、可塑性及光泽性使金属雕塑有着高贵而典雅的气质。传统的金属雕塑制作手段主要是金属浇铸或锻造。金属浇铸这种技术是以永久性的金属材料替换原初造型的临时材料,在此金属并不起造型作用,造型是在比如泥模、木模和蜡模这样的原初模型材料上进行的。金属铸造雕塑是泥塑等软材料雕塑的最终复制品。金属浇铸最大的优点在于能把艺术家创作过程中所有微妙的雕琢痕迹保留下来。

不锈钢一般指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢,又称不锈耐酸钢。在实际应用中,常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢,而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异,前者不一定耐化学介质腐蚀,而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的元素。由于不锈钢种类丰富,且具有良好的耐性、塑形和抗腐蚀性,在加工中被广泛应用。

虽然不锈钢有很多优点,但同时它也存在很多加工难点。用机床加工时,常面临的问题有以下几个方面。1、切削力度。不同类型的不锈钢硬度存在差异,在加工中需要非常注意切削力度。而且伴随着走刀,会产生切削硬化层,切削力也需随之增大。2、加工温度。不锈钢的较小,散热条件差,加工中大量切削热会集中于与工件之间,导致已加工表面恶化,并造成刀具磨损。3、切削废屑。由于不锈钢在切削时塑性变形大,产生的切屑不易折断且易粘结,在加工中常伴随着断刀、粘刀现象。

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不锈钢加工:数控机床vs普通机床

在了解不锈钢的基本知识之后,我们来探讨一下,数控机床加工不锈钢真的比普通机床加工不锈钢要难吗?

小编在调查之后发现,数控机床加工不锈钢和普通机床加工不锈钢,两者不存在加工难度差异。同种机床,加工的差异在于选刀,由于不锈钢本身的特性,选刀不对会导致刀具飞速报废,进而断刀损害。这点对数控机床还是普通机床来说都是一样的。

如果非要对比,数控机床比普通机床在加工中多了一个程序编写过程,在不锈钢加工中,数控机床的程序如果编写失误,可能会发生断刀现象。但这就是另一个层面的问题了。

普通机床和数控机床一般在产量和工件复杂性上会有差距,也就是说产量越大,零件越复杂,数控机床越有优势;反之,零件简单,且不复杂,普通机床就很有优势。但是单论不锈钢加工,不存在谁比谁难的问题。所以在加工不锈钢时,不看加工效率的话,就不用纠结选数控还是选普机了。

锻造手段是手工业文明发展之后产生的一种特殊的雕塑成型手段,它与雕刻的材料递减和塑造的材料附加均不一样,它在材料加工方面,相对来说,并不存在材料量的增减,而是充分地发挥金属板材的延展性在空间中产生体积变化。锻造成型中的金属是以固态平板状出现,按设计意图敲打成立体起伏的形体。使板状金属改变物理性能,呈现有意识的凹凸起伏的物象。

传统的金属浇铸雕塑制作需要进行模具设计,制造周期长,费用高;而且制作难度极大,加工工艺复杂,非经长期系统的专业训练不能完成。锻造手段制作的雕塑在再现逼真形象和准确造型上与传统翻模铸造雕塑相比。存在明显差距。锻造金属雕作品的制作过程存在很多的偶然性因素,如材料的无规则性、加工过程中的偶然性、作品肌理的不可预知性等因素,使得锻造金属雕塑作品具有唯一性,无法批量复制。

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1、数控渐进成形工艺在雕塑制作中的应用

板料零件数控渐进成形工艺是目前国际上一种新兴的金属板料成形工艺。它是一种通过数字控制设备,采用预先编制好的控制程序逐点成形板料零件的柔性加工工艺。该工艺不需要专用模具,成形极限较大,重复性好,可控制金属流动,能加工出形状复杂的自由曲面板材零件,适合于板金零件的新品研制等小批量、多品种、形状复杂的板料零件加工,有着广泛的应用前景。

数控渐进成形技术应用在雕塑制作中,即采用基于渐进成形的雕塑成形技术,雕埋家只要设计出雕塑作品的三维模型,后续的雕塑产品制作过程可以轻松完成。数控渐进成形工艺制作雕塑产品,和传统的金属浇铸雕塑制作手段相比可以缩短制作时间,而且节省材料,雕塑制作成本大大降低;和锻造手段制作金属雕塑相比,它具有成形精确的优点和可以批量制作的优势。

基于数控渐进成形的雕塑成形技术,即在金属雕塑制作过程中,采用数控渐进成形这种比较先进的金属板料成形方法来成形雕塑作品。如果成形的金属雕塑尺寸小于数控渐进成形机床加工尺寸范围,则根据成形工件的三维数字模型生成加工轨迹,用轨迹来驱动数控成形机进行加工,使板料逐渐成形为所需的雕塑作品。如果运用数控渐进成形工艺成形大型金属雕塑,由于数控渐进成形机床加工尺寸范围有限,必须分块成形各部分金属薄板部件,再拼接组合成整体雕翅。采用数控渐进成形工艺制作大型雕塑,首先要建构出雕埋的三维计算机模型,根据雕蝮的CAD模型在CAD软件中分割曲面,在CAM软件中生成适用于数控成形机床的数控加工代码,送至数控渐进成形机加工出雕塑的各个金属薄板成形件,最后各部分成形件组合生成整体雕塑。

2、基于数控渐进成形工艺制作大型雕塑的工艺路线

(1)可以应用计算机辅助设计软件设计三维雕塑造型,得到雕塑的CAD模型;也可以采用逆向工程方法对事先造型好的泥模、木模等进行三维数据测量,把测得的数据进行处理后,导人到逆向工程软件中进行测量数据处理与曲面重构(CAD曲面模型重建),得到CAD模型。

(2)在三维CAD软件中对建构的曲面模型根据需要制作的雕塑大小进行缩放处理,然后根据雕塑的大小及形状、数控渐进成形机床的加工尺寸范围等,对缩放后的雕塑模型进行分割,分割成若干个自由曲面片。

(3)在CAD软件中把各个曲面片体的边界曲线垂直投影到选择好的基准平面上,再在平面工程图中输出投影得到的封闭曲线段图。

(4)在CAD软件中建构补充加工工艺面:三维模型曲面分割得到的各部分曲面片的边界一般不在基准平面上,为保证渐进成形加工的连续性,需要补充一个连接曲面片的边界和基准面的加工工艺面,使后续的渐进成形加工连续进行。可以在基准平面上作一条与曲面片的边界曲线相似的线段,然后在两者之间插入通过这两条曲线的网格曲面来补充曲面片。

(5)数控渐进成形技术是根据工件形状的几何信息,在数控设备上控制成形工具头沿着特定轨迹对板料进行局部的埋性加工,使板料逐渐成形为所需工件。在板料实际的成形过程,由三维加工软件CAM模块确定需加工曲面的数控加工程序,将该NC代码输入板料数控成形机床,对板材进行渐进成形加工,成形出所需的成形件。因为雕塑曲面一般都比较复杂,渐进成形加工最好选用正向拉伸成形方法,即事先铣出简单的代木支撑,将板料放置于铣好的代木支撑模型之上,用压边装置将板料固定,使用CAM模块生成的成形工具头的加工轨迹,根据曲面的复杂情况选择合适的成形工具头成形,成形工具头从指定位置开始,从板料的最高层(第一层)进行加工,往下按截面轮廓运动,一层一层地加工出所需的成形件。

(6)金属板料成形件的毛料切割去除问题。上面加工好的成形件外边界四周含有补充的加工工艺面和装夹面的余料,需要再对成形件进行后续处理,可以利用数控线切割机床切割去除成形件的边界毛料。把上面第三步产生的投影得到的二维封闭曲线段图形输入到数控线切割机床的控制设备中,切割去除成形件的毛料,得到所需的各个曲面片体成形件。

(7)最后各部分成形件要组合成整体雕塑。上面得到了加工出的各个曲面片体成形件,要把各部分组合成为整体雕塑,可采用焊接、粘接或铆接的方式组合各个自由曲面片体金属成形件,制作出整体雕塑。后续还需要对整体雕塑进行雕塑表面光整处理、雕塑内部支撑等。

3、应用实例

本文以分块成形爱因斯坦的头像为实例来说明基于数控渐进成形工艺制作大型雕塑的加工过程。

(1)用德国GOM公司的ATOS II流动光学三维扫描仪对雕塑作品模型进行三维数据测量,获得它的测量数据,输出STL格式的数据文件,如图2(a)所示。把该文件导入到逆向工程软件IMAGEWARE中,对输入的测量数据进行数据预处理、数据简化、数据光顺、网格模型重建、样条曲线拟合、曲面拟合、修整曲面连续性等曲面重构步骤建立雕塑的CAD模型。

(2)在三维CAD软件UG中运用“插入一联合体一缝合”命令把重建的CAD模型曲面各个小曲面片缝合为整体曲面。然后运用“偏置/比例一比例”命令,根据制作的雕翅大小需要对CAD模型进行适当的放大处理,本例中比例因子设为2(原雕塑作品尺寸约为长154mm,宽130mm)。对放大后的雕塑模型运用UG的裁剪命令进行分割,本例中分割为3个曲面片。为方便后续的加工程序生成,这3个曲面片分别另存为3个文件。

(3)在UG中把这3个曲面片体的边界曲线通过“插入一来自曲线集的曲线-投影”命令分别垂直投影到选择好的基准平面上,再在制图模块中输出投影得到的封闭曲线段图。

(4)在UG中运用“插入一网格曲面一通过曲线组”命令分别建构3个曲面片体的加工工艺面。

(5)通过UG CAM模块生成支撑模型及板料渐进成形的加工轨迹源文件(CLSF),对加工轨迹源文件进行后置处理产生NC代码。将上面生成的NC代码输入数控成形机床中。本实验所用的数控成形机床,型号为NHSK1060,其规格与参数如表1所示。先以代木为材料铣出支撑模型,将板料放置于铣好的支撑模型之上,用压边装置将板料固定,使用CAM模块产生的渐进成形过程的NC代码,根据曲面的复杂情况选择合适的成形工具头成形,渐进成形加工出曲面片体成形件。本实验选用板厚1.0mm的0.8AI板料成形,要成形的雕塑模型尺寸约为长308mm,宽260mm,高30mm。选用工具头球半径r为6mm,成形高度为30mm。加工润滑油使用专用的福斯(FUCHS)冲裁、拉深润滑油。以上面的步骤分别成形出这3个曲面成形件。

(6)在数控线切割机床上,根据投影得到的二维封闭曲线段图形,切割去除掉金属板料成形件的边界毛料。把切割好的3个曲面成形件用金属瞬间胶XF503粘接,组合成整体雕塑。

4、结语

传统的大型金属(不锈钢)雕塑制作需要进行模具设计,制造周期长,费用高;而且制作难度极大,技术要求很严,加工工艺复杂,非经长期系统的专业训练不能完成。采用基于数控渐进成形技术制作大型金属雕塑的方法,雕塑家只要设计出雕塑作品的三维CAD模型,后续的雕塑产品制作可以轻松完成。基于数控渐进成形工艺制作雕塑产品,和传统的雕塑制作手段相比可以缩短制作时间;而且节省材料,成形精确,雕塑制作成本大大降低。基于数控渐进成形的雕塑制作技术丰富了金属艺术的表现力,也为新艺术效果的产生提供了可能;它突破了传统的雕塑制作形式,推动了雕塑艺术的发展。

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