第五届全国数控技能大赛“松鹤瓶”设计制造全过程还原

在今年1月举行的第五届全国数控技能大赛五轴决赛赛场的先进技术展厅里，当由Delcam设计并加工的航空铝合金“松鹤瓶”呈现在众人面前时，所有在场的人无不眼前一亮，深深地被这件极具中国传统文化特色的复杂样件吸引住，纷纷上前仔细地研究并讨论制作工艺，喜爱之情溢于言表。很多经验丰富、久负盛名的“老数控”们，甚至无法相信这么精美的作品，却是由他们操作过无数次的普通五轴机床加工出来的。

其实，“松鹤瓶”的成功制作，完全依靠Delcam独特的数字化设计制造解决方案。分析整个制作过程，我们不难发现，这个加工件的关键点在于如何得到如此复杂的加工模型。而这个模型之所以复杂，原因在于它需要三角形和曲面的混合造型。 假如在其它的CAD系统里完成这项任务，任何人都会感到手足无措，因为瓶体的设计虽然没有障碍，但是瓶体上的“松鹤”图案几乎是无法完成的，每一个细节对设计者来说都是巨大的挑战。Delcam提供的一站式解决方案却让这一切都显得如此轻松：第一步，ArtCAM软件制作浮雕图案；第二步，PowerSHAPE软件制作瓶体模型；第三步：将浮雕图案包裹到瓶体上；第四步：PowerMILL五轴编程加工。

松鹤瓶加工成品

首先在ArtCAM软件完成“松鹤”浮雕图案。ArtCAM软件作为世界顶级的艺术浮雕CAD/CAM系统，可以创作出精美绝伦的浮雕图。将JPEG格式的松鹤图图片导入ArtCAM中，如图2所示。

图2.松鹤截取图

将二维图片转化为三维浮雕模型，并通过灰度图来控制模型的高度。

图3.灰度图

通过人性化的交互雕刻工具，对浮雕模型进行光顺、镂刻、涂抹、堆积等操作，使最终得到的浮雕图案错落有致、栩栩如生。将模型保存为STL三角面片格式，以便于下一步和PowerSHAPE产生的曲面进行结合。

图4.完整浮雕图

第二步要在PowerSHAPE里创建瓶体模型。PowerSHAPE是一款正逆向混合设计系统，集实体、曲面和三角形网格建模技为一体，充分发挥三者混合设计的优势，是概念设计的有效工具。通过PowerSHAPE灵活强大的曲面功能，快速地创建瓶体模型，如图5所示。

图5.瓶体图

PowerSHAPE拥有的专利技术——几何特征设计(Embossing) 专利号GB0208088.5 可以将特征包裹或投影到三维模型上产生出新的三维形体，这项技术改变了创建复杂三维模型的传统思路，大大提高创新设计的效率。

图6.用包裹向导选取浮雕图案

图7.选取包裹方法

图8.对包裹方案进行调整

图9.浮雕包裹造型

图10.完成整体松鹤瓶模型

通过以上三个步骤的设计工作，松鹤瓶的设计部分就轻松地实现了。然后，将松鹤瓶模型输入PowerMILL软件进行5轴加工编程。Delcam PowerMILL 可直接对 STL 格式模型数据进行 5 轴加工，支持多种精加工加工刀路和球头刀、端铣刀、锥铣刀等多种刀具。

此次加工毛坯材料为铝棒料，直径100mm，高180mm。模型尺寸：直径42mm，高120mm。

读入PowerMILL软件后的模型

首先，整体模型粗加工。

根据松鹤瓶的数据模型的尺寸和特征进行粗加工编程，瓶身和瓶内空间一起进行粗加工。Delcam PowerMILL独特、高效的区域清除方法，保证刀具负荷的稳定，减少切削方向的突然变化，提高加工效率。

1）瓶身和瓶内粗加工，模型区域清除功能，D20R1，余量0.4，切深1，行距12，S4000，F2000

2）瓶内添加一次二粗，模型区域清除功能，D12R1，余量0.4，切深0.6，行距8，S8000，F2500

其次，进行松鹤瓶身半精加工

分别使用R5、R2、R1刀具，PowerMILL的曲面投影功能进行半精加工。Delcam PowerMILL 的 5 轴曲面投影加工功能允许刀具随加工表面法矢进行加工。PowerMILL 提供的高速精加工策略，保证了切削过程光顺、稳定，确保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。

1）刀具R5，曲面投影功能，余量0.2，行距0.5，S12000，F3200
2）刀具R2，曲面投影功能，余量0.2，行距0.4，S18000，F2000
3）刀具R1，曲面投影功能，余量0.1，行距0.4，S20000，F2000

瓶身半精加工

再次，对松鹤瓶身进行精加工编程

曲面投影功能，刀具R0.5，路径间距0.05mm, 余量0,S25000,F1000。

此步骤后，花瓶外面的部分加工完毕。下面进行花瓶内部的加工。

瓶身精加工

再次，进行松鹤瓶内空间进行半精加工

瓶内空间瓶壁加工，刀具D12R1，直线投影功能，路径间距0.6mm，加工余量0.4mm，S10000，F3000
瓶口加工，刀具R5，螺旋精加工功能，路径间距0.6mm，加工余量0.1mm，S12000，F3000
底部加工，刀具R5，螺旋精加工功能，路径间距0.6mm，加工余量0.1mm，S12000，F3000

最后，进行瓶内空间精加工

1）瓶内空间瓶壁加工，直线投影功能，刀具D12R1，路径间距0.25mm，加工余量0，S12000，F1500
2）瓶口加工，螺旋精加工功能，刀具R5，路径间距0.2mm，加工余量0，S12000，F1500
3）瓶内空间底部加工，螺旋精加工功能，刀具R5，路径间距0.2mm，加工余量0，S12000，F1500

在加工编程过程中，PowerMILL加工切削实体仿真功能可以仿真模拟完整的加工切削过程，检查过切、碰撞、顺铣 / 逆铣和加工质量等切削情况，节省了上机床实际试切加工的成本，确保加工安全。 Delcam PowerMILL 为松鹤瓶的加工提供了一套完整的加工解决方案，提高了机床的加工效率和加工质量，也保证了加工安全。松鹤瓶仅花费了14个小时就加工完成了。

第五届全国数控技能大赛副总裁判长金福吉先生说：“这件‘松鹤瓶’从外观上看像是由经验丰富的手工艺人精雕细琢刻出来的，以传统的数控加工模式来考虑，几乎是行不通的，首先CAD模型的创建就无法实现，更不用说加工，Declam的技术真不愧是世界一流。”

在2010年的第四届全国数控技能大赛上，Delcam经典大蜘蛛的编程案例在各个学校广为流传；这一次，松鹤瓶成为院校争相关注的焦点。作为此次大赛的指定软件赞助商，Delcam凭借在全球制造业广泛的客户应用基础，以及40余年CAD/CAM领域的丰富经验，不遗余力地支持着每一届大赛，不仅派出了强大的技术团队，安排赛前软件安装、培训，还提供专业的指导方案。在教育领域，Delcam担负着企业对社会的高度责任感，兢兢业业，以数字化先进技术，“培养专业才人，支持产业发展”。