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摘要：台球杆是台球运动的关键击球工具，性价比高、外形美观的球杆无疑更受台球爱好者的喜爱。目前，传统的台球杆后肢多采用纯手工雕刻技艺、丝印技术、激光成图技术等加工方式，无论从生产效率还是个性化要求上，都难以满足人们对台球杆后肢外观精美度的要求。为解决这些问题，在传统球杆优良制作工艺的基础上，研究改良球杆后肢美观设计及其加工工艺，运用先进的CAD/CAM软件技术进行图形绘制，再进行刀具路径参数设置并生成刀具加工路径，输出N C代码，通过CNC数控雕刻设备完成图案雕刻，结合完美的手工镶嵌工艺，完成台球杆后肢加工。大量加工实例验证表明，所提出的加工方法可以让台球杆后肢美观度得到进一步提高，使球杆在保证高性能的同时成为一件艺术品。
关键词：台球杆；美观设计；数控雕刻镶嵌工艺；加工
台球作为一项受欢迎的室内运动，不仅具有娱乐性，而且在竞技领域也有广泛的应用。台球杆作为台球运动的重要装备之一，在保证杆的制作质量和性能的情况下，对台球杆后肢的美观度要求也越来越高。图1所示的传统球杆，后肢外观设计过于单调，难以满足台球爱好者的个性化喜好，如何打破传统球杆的天花板，生产性能、外观兼具的高性价比球杆就成为行业发展的新方向。以外观改良后的球杆（图2)为例，在不影响性能的前提下，从球杆后肢美观设计到球杆美观加工完成，曾尝试过丝印技术、激光成图技术等加工工艺，在木材上都得不到理想的效果，主要不能突显球杆精、气、神的特效；也尝试过传统的手工雕刻工艺，虽然可以获得较理想的效果，但图案是沿弧面投影而成的，这给手工雕刻带来难度，耗用的时间较长，生产效率较低。
文献[1]研究了高速数控机械化生产代替人纯手工雕刻，主要包括数控雕刻工艺、数控雕刻编程及浮雕建模等3个方面。文献[2]研究了数控技术在红木雕刻中的应用。上述文献虽然都提到了数控技术在雕刻中的应用，但是没有涉及到弧形槽的加工方法，因而使用数控技术在台球杆后肢弧形面上进行弧形槽的加工存在一定问题。
本文运用先进的CAD/CAM软件技术和CNC数控雕刻设备，在球杆后肢美观设计考虑图案与球杆搭配的美观性的同时，还要考虑加工过程的影响因素，特别注重配件镶嵌后的球杆重量和重心性能结合完美的手工镶嵌工艺。经大量研究和实践证明，最终采用数控雕刻镶嵌工艺加工台球杆外观图案，可以获得理想的效果，并大大提高生产效率，获得明显的经济效益。
1传统手工雕刻镶嵌工艺
传统手工雕刻镶嵌工艺的基本步骤：(1)雕刻艺人根据事先设计的图案，利用刨、锯、剖、雕、铲等工艺，得到镶嵌图案；(2)在台球杆后肢适当部分雕刻出与镶嵌图案形状一致的凹槽；(3)将组合完成的镶嵌的配件用特制胶水，拼接在木材上，经过精细的打磨、抛光工序。就这样，很多镶嵌的配件被完整无缝拼接完成，组成了雕刻镶嵌细腻，美丽如画的图案，有收藏价值和观赏价值。但是这种传统手工雕刻镶嵌工艺也存在不少问题，一方面产品质量受制于手工雕刻师傅的技术水平，一名优秀手工雕刻师傅的培养耗时长，工资昂贵，不利于企业的发展；另一方面产品加工耗用的时间较长，生产效率较低，不利于企业的经济效益。可见，传统手工雕刻镶嵌工艺比较适合数量少的定制台球杆的制作，采用数控雕刻镶嵌工艺在追求经济效益的企业中势在必行[3-4]。
2数控雕刻镶嵌工艺
在传统雕刻镶嵌工艺基础上，运用先进的CAD/CAM软件技术和CNC数控雕刻设备，加工木材的凹槽和嵌件，完美地将现代化数控加工技术融入雕刻镶嵌的生产制作中，提高了传统雕刻嵌工艺的现代化程度及加工精度[5-7]。数控雕刻镶嵌加工过程重点包括如下两部分内容。
(1)运用先进的CAD/CAM软件技术，在软件进行加工图形绘制、加工刀具路径参数设置、仿真加工、生成NC程序代码。在进行数控雕刻镶嵌加工过程中，首先在软件中用CAD功能设计好加工图案，再用CAM功能进行加工刀具路径参数设置。由于要加工木材的凹槽和嵌件，先对加工木材的凹槽进行加工参数设置，用凹槽作为加工基准，然后对嵌件进行加工参数设置。再根据凹槽和嵌件的刀具路径进行实体仿真加工，确认刀具路径参数设置后，最后分别输出凹槽和嵌件的NC代码。图3所示为CAD/CAM工作流程图。
(2)利用CNC雕刻机床进行实体加工。使用NC代码驱使CNC雕刻机床进行凹槽的加工和嵌件的加工，最后人工将嵌件与凹槽胶合，完成最终的镶嵌。
3球杆外观设计与数控雕刻镶嵌工艺
台球运动是力、杆与智慧的结合，一支好的球杆，表面上看是一款漂亮的商品，其更深的本质其实是球杆背后一系列的力学计算。在球杆后肢美观设计同时，不仅要考虑图案与球杆搭配的美观性，还要考虑加工过程的影响因素，特别注重配件镶嵌后的球杆重量和重心性能。
3.1美观设计
球杆凹槽及其嵌件如图4所示，最终的镶嵌效果如图5所示，球杆的后肢采用的材料为黑檀木，打球感觉上黑檀木最为扎实稳定，外观上通体黑色，就像一块黑色的布画，低调大气的同时不会“抢戏”，成为配件镶嵌的最佳背景。几何形状为“剑”，主要嵌件材质为黄铜，亮金色的黄铜和纯黑色的黑檀木相得益彰，当光线从某个特定的角度打过，亮金色的黄铜会像一道利闪，让人眼前一亮，高端感瞬间锚定。鲍鱼贝壳作为点缀出现，使得设计元素大为丰富，产生层次感，成为点睛之笔。
球杆除了美观，还要保证球杆的整体性能，这与重量和重心计算有关，首先从嵌件材料着手，在尝试过金、银、铝等多种材料后，最终选定亮金色的黄铜和鲍鱼贝壳两种材料。其中，密度较小的鲍鱼贝壳作为点缀出现，主体大面积采用成本高昂的黄铜。黄铜的密度、耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、耐蚀性和生物相容性俱佳。经“影响台球杆传力”的一系列研究成果表明，通过电脑数字模拟、力学原理等科学方法，量化球杆的打感，黄铜适宜球杆装饰用料。经多次实验，黄铜镶嵌的厚度被锁定在1.8 mm,球杆质量能控制在504.45~515.85 g、重心能控制在42~44 mm,从根本上解决了金属膨胀问题，且不会对球杆重心和质量造成影响，在保证外表美观的同时，又保证了球杆击球的最佳性能。
3.2数控雕刻镶嵌工艺策略研究
“中国制造2025”国家战略的提出，数字化、智能化、信息自动化是时代的要求。传统的手工制作已经不能满足生产要求。随着先进制造技术的发展，研究数控加工技术在雕刻镶嵌工艺生产上的应用，对球杆行业发展有着重要意义，是加工工艺、加工质量、加工效率的飞跃。本文主要使用Mastercam软件为平台，从加工工艺方案、刀具路径的规划、仿真加工等进行关键技术研究[8-12]。
3.2.1加工工艺方案
由图4分析可知，该加工是典型凹凸件的配合加工，其加工难度主要在于以下几个方面：一是球杆凹槽部分不是平面槽，而是弧形槽，呈球杆直径28.6 mm、深1.8 mm均布，三轴数控机床难以完成弧形槽的加工；二是加工嵌件时，精度要求较高，要求与球杆凹槽无缝对接；三是通道和转弯抹角位置窄，转角位半径为0.4 mm,显然不能使用大直径的刀具。
综合分析后，整体加工工艺方案如下：(1)采用四轴数控雕刻机床，采用一夹一顶装夹的方式加工球杆凹槽部分；(2)加工嵌件时采用平铺工作台贴合方式加工嵌件；(3)最后将嵌件与凹槽胶合，完成最终的镶嵌。
3.2.2刀具路径的规划
在进行数控雕刻镶嵌加工过程中，首先根据事先设计的图案在Mastercam软件中绘制加工的图素或模型，绘制出剑的二维图；然后选择加工方式和刀具，并进行相应的参数设置。刀具路径规划过程中要注意以下几个方面。
(1)加工方式及余量控制
待镶嵌图案和球杆表面相应凹槽，虽图案完全一致，但是加工球杆凹槽部分时，需采用旋转轴二维挖槽加工方式，加工余量为0。待镶嵌图案采用外形铣削加工方式，且需要留有一定的切削余量，切削余量为-0.01 mm,即得到的嵌件要比凹槽小0.01 mm,方便将待镶嵌件镶嵌进凹槽内。
(2)起刀点的选择
起刀点及进、退刀路线的选择，直接影响刀具路径的生成结果。合理安排起刀点及进、退刀路线，可以有效避免加工工程中过切、欠切及撞刀问题的产生。
(3)镶嵌件厚度选择
镶嵌件厚度要比凹槽深度大，凹槽深度1.8 mm,镶嵌件厚度为2 mm,镶嵌后的效果是镶嵌件凸出凹槽部分，这部分凸出部分是后期打磨的预留余量，是整个球杆后肢镶嵌部分可以呈现圆弧效果的关键。
(4)加工参数设置
加工球杆凹槽部分，采用旋转轴二维挖槽加工方式，使用直径0.7 mm的平底雕刻刀，具体加工参数设置如下。粗加工：转速S24000,进给速度F500,旋转轴选择X轴的取代，旋转直径输入圆柱直径28.6 mm,加工深度-1.8 mm,每次层切0.3 mm,XYZ留0.1 mm余量；精加工：转速S24000,进给速度F300,旋转轴选择X轴的取代，旋转直径输入圆柱直径28.6 mm,加工深度-1.8 mm,XYZ留0mm余量。加工镶嵌件时，采用外形铣削加工方式，使用直径1 mm的平底雕刻刀，具体加工参数设置如下。粗加工：转速S24000,进给速度F500,加工深度-2 mm,每次层切0.3 mm,XY留0.1 mm余量；精加工：转速S24000,进给速度F300,加工深度-2 mm,XY留-0.01 mm余量。
(5)输出NC代码
完成刀具路径参数设置后生成刀具路径轨迹，输出相应数控机床的NC代码。
4仿真验证
虽然利用Mastercam软件生成了加工球杆凹槽和加工嵌件的刀具轨迹，但为了避免刀具移动或工件旋转过程中发生干涉和碰撞，造成工件过切、刀具碰撞、机床损坏等现象，减少废品率，降低生产成本，提高生产效率，使用仿真加工软件进行仿真加工，检查程序运行情况[13-15]。
4.1球杆凹槽仿真加工
在Mastercam软件中，按3.2.2节中刀具路径的规划进行球杆凹槽加工参数设置，软件自动生成刀具加工轨迹，加工轨迹如图6所示。刀具加工轨迹图中，没有出现红色刀具加工轨迹，避免了刀具移动或工件旋转过程中发生干涉和碰撞，造成工件过切等现象。为了实现虚实更有效地衔接，采用虚拟仿真加工，模拟了球杆凹槽整个刀具加工过程，最终球杆凹槽仿真加工效果如图7所示。
4.2球杆镶嵌件仿真加工
球杆镶嵌件需要根据凹槽配合材料和数据进行分解组合。球杆凹槽设计和加工图形数据如图8所示，按镶嵌件材料进行分解，将黄铜材料镶嵌件组成一个版面加工，黄铜材料镶嵌件加工如图9所示，鲍鱼贝壳材料镶嵌件组成另一个版面加工，鲍鱼贝壳材料镶嵌件加工如图10所示。同样，在Mastercam软件中，按3.2.2中刀具路径的规划进行球杆镶嵌件加工参数设置，软件自动生成刀具加工轨迹，并进行虚拟仿真加工，实现虚实有效衔接。
5 CNC雕刻机床加工
经球杆凹槽和镶嵌件仿真加工，确认无干涉、无过切和碰撞后，将相应的NC代码文件发送至CNC雕刻机床进行凹槽的加工和镶嵌件的加工，加工产品效果如图4所示；最后人工将嵌件与凹槽胶合、打磨、抛光完成最终的镶嵌，效果如图5所示。经试制，采用上述数控雕刻镶嵌工艺策略能有效地保证实际加工中的安全性，提高了加工效率，同时加工质量也得到提升。经市场调研反馈，生产出来的球杆外形美观、性价比高，得到广大台球爱好者认可和认购。
6结束语
本文对传统雕刻镶嵌工艺与数控雕刻镶嵌工艺进行了对比，后者更贴合企业的经济效益。球杆外观设计与数控雕刻镶嵌工艺研究，从外观设计、加工方案、刀具路径规划、仿真加工到实际加工，使产品质量不再完全依托手工雕刻师傅技术水平，得到较为稳定的控制，且产品生产耗时缩短，生产效率得到明显提高。加工台球杆外观图案数控雕刻镶嵌工艺在台球杆后肢加工中的研究集美观设计、数控雕刻技术、镶嵌技术为一体，是传统雕刻镶嵌工艺升级优化体现，具有实践借鉴价值和经济实用价值。
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数控雕刻镶嵌工艺在台球杆加工中的应用论文
人参与 2025-01-15 10:33:05 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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