电脑雕刻机在模型制作实践教学中的应用

材料、了解材料的特性，并在实际制作中进行综合的设计应用，使学生逐步理解模型制作决不是简单的模仿制作，而是材料、工艺、色彩、设计理念的组合。作为设计表现手段之一的模型制作行业在市场上已进入一个全新的阶段，其材料日益丰富，技术制作和表现手法上都有很大的发展[1]。近年来随着电脑雕刻技术的高速发展，CNC（Computer Numerical Control）雕刻技术的出现使刀具的走刀可以通过计算机进行控制和模拟，使模型的曲线、雕花、镂铣、刻槽等复杂工艺实现机械化和自动化。将电脑雕刻技术应用到模型的制作中，不仅可以提高其加工精度和工作效率，而且可以使一些复杂、难以加工的模型部件通过雕刻机完美地加工出来，使模型的制作更加精致。

1 雕刻机的分类

电脑雕刻机主要分为机械雕刻机和激光雕刻机。机械雕刻机主要是利用物理力对雕刻对象进行加工，由雕刻机主轴控制刀具直接在雕刻材料上进行铣削加工，适用于木材、MDF（中纤板）、ABS板等板材。激光雕刻机是将电能转化为光能，利用激光和材质作用产生的特殊效果（汽化和烧蚀）实现雕刻。激光雕刻机的加工过程是非接触式的，适用于亚克力、有机玻璃、赛钢板等材料的雕刻。本文重点介绍数控机械雕刻机的应用。

2 机械雕刻机的特点

机械雕刻机是利用机械物理力对雕刻目标进行精加工。首先要在电脑控制平台进行图文编辑排版（CAD/Type3等软件），然后将编辑的图文信息传输到雕刻机，指导雕刻机主轴控制金属刀具直接在雕刻材料上进行铣削，实现雕刻。机械雕刻机加工过程中属于高速切削，一般达到4 000转/min，可根据雕刻材料的性质调整主轴转速和刀具进给速度。高速切削条件下，文字、图案雕刻精细，边缘光滑，加工精度高。同一程序的批量产品加工使得加工产品的尺寸规格、外形要求、表面光洁度达到同一标准，易于实现批量标准化[2]。

3 电脑雕刻机在模型制作实践中的应用

3.1 电脑雕刻机制作模型的流程

模型制作通常看成实物生产的缩小版，其也由众多部件组合连接而成。由图1可以看出，AutoCAD设计图形是模型部件加工和模型表面纹路铣削的基础。科学合理的CAD设计图形导入Type3等雕刻机编辑软件中进行编辑，选择雕刻方式、计算雕刻路径以及模拟雕刻过程和效果。合理编辑后即可生成机器执行程序。在雕刻机上加载执行程序、装卸刀具、装卡材料、设定切削参数后，机器即可进行工作。雕刻机加工出的部件和其他部件再进行组合连接，以及完成后续涂饰等工艺，即完成模型的制作。在实际的制作过程中，雕刻机的运用要和其他工具相互配合，使数控设备的效率发挥到最大，避免大机小用的情况出现，即避免所有部件的加工都依靠雕刻机来完成。

3.2 雕刻机软件（Type3）的应用

数控雕刻设备必须以专业的雕刻软件为基础，以体现设备的数字化。下面简单以啄木鸟CP6950型数控雕刻机为例，介绍Type3软件应用及工作流程。

Type3软件中的CAD模块具有绘制几何形状图形以及对所创建对象进行定位、删除、复制等编辑和文本编辑等功能。但Type3软件中的CAD功能中不能对图形尺寸等进行精确编辑，以及操作中的繁杂，所以实际运用中常将AutoCAD中图形以dxf格式导入Type3软件中，再对图形进行节点编辑，使所有图形都构成封闭区间，以方便后续路径的正确创建。Type3软件应用的工作流程如图2所示。

Type3软件中的CAM模块包括创建刀具路径、刀具路径管理、刀具路径模拟和实体模拟等功能。在CAM模块中可以创建绘图、雕刻、切割、铣削、扫描、浮雕等十几种刀具路径，在模型制作中常用到切割、扫描、雕刻、绘图等功能。在Type3刀具库中可以选择锥刀、柱刀、切割刀，并能精确计算二维或三维的刀具路径。刀具路径模拟和实体模拟功能中可以直观看到所编辑的路径是否合理以及雕刻后的三维效果，可以省去试加工过程和减少实际加工误差，避免出错[3]。

3.3 以家具模型制作为例的具体应用

家具模型在材料、工艺上都有其独特的特点，因此在加工过程中必须充分考虑这些因素。根据实践的经验，雕刻机在家具模型上的应用主要有以下几个方面。

1）利用雕刻机加工复杂模型部件。家具模型中一些曲线、异形等复杂部件的加工，利用普通手动工具往往存在误差较大、效率较低、材料浪费严重等问题。利用雕刻机采用套裁划线的方法，按尺寸做好CAD图后编程导入，再进行加工，效率高并且加工精度高，有利于实现模型的批量化。如图3所示，1:4放缩的官帽椅模型的扶手和官帽的部件，先利用雕刻机加工出统一的部件，最后再组装成官帽椅模型。

2）雕刻模型表面花纹图案及文字图案等。古典家具模型表面往往有一些优美的花纹图案或文字图案等，以增加模型的美感和艺术性。古典家具表面的纹饰图案往往由工匠师傅根据经验和技艺来手工完成，难度较高，很难实现工业生产的批量化[4]。利用数控雕刻设备能够使一些纹饰图案的加工更加高效与简单。如图4扶手椅模型靠背上的“福寿双全”图案的雕刻和区域的划分，利用雕刻机能够简单快速地实现。

4 雕刻机在模型制作中的注意事项

加工参数的设定要根据所加工材料来合理设定，并且要充分考虑不同材料的差异性。机器主轴的转速和刀具的进给速度也要根据材料而有差异，主轴转速过高或刀具进给速度过快容易发生断刀和材料烧灼情况的发生，速度过慢往往造成表面质量粗糙等。刀具每次的下刀深度一般不要超过3 mm，以免断刀，对于厚度较厚的工件可以分多次切削以保证质量[5]。

工件的夹固要合理。注意测量和计算夹具的安装位置是否在刀具的行进路线上，以免发生碰撞。另外，由于夹具往往难以固定板件中心，在加工即将完成时可能会因零件与板件连接减少，未被有效夹紧和刀具转速高而导致工件飞出造成危险，因此在厚度方向上往往预留一定加工余量。另外，工件上加工原点的选定要合理。

5 结束语

在模型制作中，电脑雕刻机是一种非常有效的加工工具，尤其为模型精细部件制作提供了便捷的手段。随着学生在电脑雕刻机使用过程中不断地经验积累，把其精确、高效的工作特点应用于模型制作的加工中，不仅缩短了学生制作模型的时间，而且极大地提高了模型的美观度。需要强调的是，学生在模型制作实践中不能完全依赖于电脑雕刻机，模型制作是多种工具及合理的制作工序相结合的实践过程，只有这样往往才能取得事半功倍的效果。

参考文献

[1]郞世奇.建筑模型设计与制作[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[2]周丹.SOFT型CNC数控系统控制软件的开发[D].杭州:浙江大学,2006.

[3]信丽华,朱建军.Type3软件在数控雕刻机中的应用[J].上海工程技术大学学报,2006,20(1):57-60.

[4]田家青.明清家具鉴赏与研究[M].北京:文物出版社,2003.

[5]陈胜,章海,李静敏.雕刻机在CAM实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,2009,28(04):65-67.软件的应用及工作流程。