翡翠数控雕刻加工效率与质量...究——以加工坐式弥勒佛为例_孟龑.pdf

第 卷第期 年月宝石和宝石学杂志（中英文）收稿日期：基金项目：云南国土资源职业学院教师科技创新团队建设（）作者简介：孟龑（），男，讲师，宝石学硕士，主要从事宝玉石鉴定与加工的研究。：翡翠数控雕刻加工效率与质量研究 以加工坐式弥勒佛为例翡翠数控雕刻加工效率与质量研究 以加工坐式弥勒佛为例孟龑，耿玉坤，纳秀溪，陈雨帆（云南国土资源职业学院，云南 昆明 ；醒石工艺，云南 昆明 ）摘要：数控玉石雕刻技术能够降低玉石雕刻行业人力成本，提高生产效率，完成产业升级。本文选取坐式弥勒佛为例，运用 设置不同参数，加工了 件质地近似的翡翠，测试了平头刀开轮廓、锥形球头刀粗刀工序和细刀工序中的加工效果、刀具损耗程度和耗时之间的关系。结果显示：速率一致时，使用平头刀开轮廓的耗时与加工深度正相关，耗时（）为 加工深度（）。加工翡翠粗刀工序采用锥形球头刀时，安全的最大路径间距为，速率为。粗刀和细刀工序的耗时与路径间距及速率均有关系，耗时减少的幅度随着路径间距和速率的增加都越来越少。翡翠数控雕刻的表面质量主要与细刀工序的锥形球头刀刀头直径和路径间距有关，与速率大小无关。若粗刀工序路径间距较大，应通过增加粗刀工序加工余量让细刀工序去除刀路痕迹。关键词：数控加工；玉石雕刻；路径间距；速率中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）：，（，；，）：，：，（）（），第期孟龑等：翡翠数控雕刻加工效率与质量研究 以加工坐式弥勒佛为例 ，：；图加工前的翡翠原料 玉石雕刻从 多年前的新石器时代开始就是我国重要的加工技艺之一。随着技术不断进步，数控加工技术已经深入玉石雕刻行业。李敏芳较为详细地介绍了数控玉石雕刻技术的工作流程。钟世禄等对雕刻实木的加工质量优化进行了研究，得出刀具路径与进给倍率越小则雕刻质量越好的结论。目前主流的立体雕刻机分为四轴与五轴两种，四轴即笛卡尔坐标系 轴，刀具可以在三个垂直的方向移动，加上旋转的刀具轴雕刻出浮雕图案。五轴则在此基础上增加一个可旋转玉石的轴，而刀具依然在 三个方向移动，可一次完成圆雕。李园等详细展示了三轴和四轴两种雕刻机的运用，探讨了整个工作流程中刀具选择和成品之间的关系。闵东伟、普欣尧、杨金林、刘志等认为数控玉雕技术不仅能降低玉石雕刻行业的人力成本，也能提高生产效率，紧跟市场动态发展，更能促使玉石雕刻行业从劳动密集型向着技术密集型产业发展。苏东胜等探讨了在 中浮雕建模的优化和刀路设计。基于上述研究，本文中笔者通过实验分析不同的锥形球头刀具、路径间距、速度倍率对加工单件翡翠时刀具磨损和成品质量的影响，并尝试提出合理的参数设置，为提高数控玉石雕刻效率和成品质量提供参考。材料与方法1 1实验材料及机器用具1 1实验材料及机器用具实验初期选取了数块质地相近的翡翠手镯心（图），按照实验设计将较厚的从中切分，较薄的宝 石 和 宝 石 学 杂 志（中 英 文）年直接使用，切割成了长和宽约 的 块原料，见图。原料的厚度有一定差异，以验证厚度对加工时间的影响。实验机器选用玉邦 四轴雕刻机，该雕刻机与本次实验相关的主要参数有：刀头转速 ；吃刀深度，即轴向加工时刀头每执行完一圈平面运动向下进深的量；速率，也称为进给倍率，是执行刀路程序时相对于最大平面移动速度的比率，该雕刻机的最大平面移动速度为 ；路径间距，指在轴方向执行完一道加工程序后下一道轴方向程序之间轴方向移动的间距，可任意设置，通常刀路设计时会设置该间距为球型刀头直径的 左右；加工使用的全部刀路均使用 软件进行设计，而后使用玉邦提供的专用程序转换为雕刻机可以识别的文件。选用的加工刀具为雕刻挂件常用的直径为 平头刀、和 锥形球头刀。1 2实验方法1 2实验方法数控玉石雕刻通常采用三道工序：开轮廓，粗刀预形和细刀修形，流程图见图。为确保实验的一致性和相对较快获得数据，选择最为常见的机器雕刻造型坐姿弥勒佛，设置雕刻尺寸均为 。使用 直径的平头刀开轮廓，平头刀在使用中的损耗极小，除对加工效果有影响，该刀一直使用。为保证加工过程中原料较好地黏附在底板上，所有的原料均在开轮廓后预留的边缘厚度。的锥形球头刀开粗预形，的锥形球头刀精细加工，为保证实验条件的一致性，锥形球头刀每次加工均更换全新的刀具，在实验后比较刀头的磨损情况。初期实验设计见表。实验中设计的个粗刀 路 径 间 距 分 别 为 、和，每个路径间距做件雕刻，速率 和 各件，研究不同路径间距和速率下加工效果和刀头的磨损情况，设置同一速率件细刀工序不同速率的加工对比，同时排除偶发情况的影响。细刀则全部路径间距为，对比 和 的速率对刀头和加工效果的影响。图数控玉石雕刻流程图 表实验参数 序号轮廓粗刀细刀原料最大厚度吃刀深度速率加工深度路径间距速率路径间距速率 第期孟龑等：翡翠数控雕刻加工效率与质量研究 以加工坐式弥勒佛为例1 3质量评价方法1 3质量评价方法对同一造型来说，雕刻过程中如不出现意外，多件成品之间的长和宽差异一般极小，造型的线条和曲面也不会有太大差异，主要的差异是完成后曲面上的刀路痕迹。该实验评价成品质量主要考量刀路痕迹的明显程度，能否通过相同的震光机抛光工序（即 号砂、号砂及 号砂三道工序）去除刀路痕迹后达到良好的抛光表面。结果与分析2 1刀头损耗的实验结果2 1刀头损耗的实验结果对于锥形球头刀而言，评价其是否还能继续使用的标准是刀头平秃的程度，若导致球头的边缘直径明显大于标示的直径则无法使用。从 图 中 可 看 出，在 完 成 粗 刀 工 序 后，锥形球头刀都有不同程度的磨损，可以看到、号刀头的球头相对磨耗较少。在加工完成一件 的弥勒佛后，尽管有可见的金刚砂脱落、圈痕和刀头磨秃，但磨损未导致球头直径明显变大，所有刀头依然可以继续使用。从图中可看出，细刀工序完成后，锥形球头刀在 路径间距时，、三个速率的雕刻均未明显磨损，其中号、号、号和 号相对损耗要小一些。所有刀头均可以继续利用。图粗刀刀头磨损情况（约倍，放大，按实际实验顺序排图）（，）图细刀刀头磨损情况（约倍，放大，按实际实验顺序排图）（，）宝 石 和 宝 石 学 杂 志（中 英 文）年2 2雕件加工的实验结果2 2雕件加工的实验结果实验发现，粗刀工序路径间距为 和 时，速率 和 完成的雕件表面质量几乎没有差异，且 锥形球头刀的磨损情况也比较接近，最终序号号按照设计的实验参数完成了加工。此后修改了 号原料的实验顺序和参数。图 号原料二次加固固定 图 号粗刀工序留下的断痕 号原料粗刀工序采用的加工参数为路径间距、速率。加工时雕刻机产生明显晃动，且加工到时，原料从底板脱落。而后使用纸巾搓揉成条滴 胶水，利用碳化反应加固（见图）。虽再次对刀，但依然有不可忽略的轮廓和 粗 刀 工 序 位 置 偏 差。粗 刀 工 序 加 工 到 时，剩下的未加工部分被刀头打断掉落，使得雕件肚子上出现了一道明显的阶梯（见图），经过细刀工序后依然明显。细刀工序将速率提高到了，未见与 和 的速率的效果有明显区别。号 原 料 粗 刀 加 工 依 然 使 用 路 径 间 距，速率，雕刻机无明显的振动，顺利完成了雕刻。号 和 号 原 料 加 工 粗 刀 工 序 使 用 了 的路径间距，速率为，粗刀工序完成后雕件表面的刀路痕迹很明显，此后细刀工序号先使用 的速率发现未能很好去除粗刀工序的刀路痕迹，号原料细刀工序使用 的速率也没有去除。最后增加 号原料，粗刀工序使用 的路径间距，速率，但是增加了 的加工余量，随后细刀工序速率，完成后粗刀工序刀路痕迹被去除。号原料粗刀工序时原料脱落，脱落后可看到背面确实完全覆盖了胶水，见图，不存在固定工序上的失误。而后同样利用 胶水和纸巾条加固，虽再次对刀，但依然有不可忽略的轮廓和粗刀工序位置偏差。从图中可以看到随着路径间距的不断增加，在雕件表面的粗刀刀路痕迹依次加深而明显。从图中可见，号以及 号雕件的眉眼线条细节均很好，表面可见细小的刀路痕迹，而号和 号雕件眉眼线条也很好，但表面有非常明显且宽的刀路痕迹。轮廓、粗刀和细刀工序耗时具体结果见（表）显示，对于粗刀工序和细刀工序，同一路径间距和速率的耗时是基本相同的。图 号原料粗刀工序整体脱落 第期孟龑等：翡翠数控雕刻加工效率与质量研究 以加工坐式弥勒佛为例图粗刀工序完成后的表面刀路痕迹（约倍，放大）（，）（）号，；（）号，；（）号，；（）号，图细刀工序后的弥勒佛眼部表面质量（约倍，放大，按实际实验顺序排图）（，）表加工工序与耗时的实验结果 序号轮廓粗刀细刀加工深度耗时路径间距速率耗时路径间距速率耗时 宝 石 和 宝 石 学 杂 志（中 英 文）年2 3刀头损耗结果分析2 3刀头损耗结果分析加工单件简单的翡翠雕件，对于 的锥形球头刀，路径间距在 之间，速率为 的磨损程度有差异，但该差异与实验设置的路径间距和速率没有相关关系，也与刀头的加工深度没有相关关系，由于实验的雕刻难度不大，次数不足够多，同时为保证安全，未能测试到刀头的极限情况，故仅能推测磨损差异与刀具制造工艺及质量等有关。细刀工序使用的 锥形球头刀情况类似，磨损程度并不相同，但也与实验设置的路径间距和速率没有相关关系。图 轮廓工序加工深度与耗时关系图 图 粗刀工序路径间距和速率对应的耗时情况 2 4加工耗时分析2 4加工耗时分析从图 中可以看出，轮廓工序中的耗时与加工深度是明显正相关的，随着加工深度越大，耗时就越长，耗时（）加工深度（）。从图 中可见对于不同的路径间距，提高速率都能缩短加工的耗时，速率 相比 的速率，在路径间距 时，时间缩短了，路径间距 时缩短了。速率相比 的速率，在路径间距同为 时，时间缩短了。从路径间距的角度看，速率 时，比 耗时缩短了。速率 时，比 耗时缩短了，比 耗时缩短，比 耗时缩短 从图 中可以看出，细刀工序的耗时表现为斜率减小的斜线，速率 比 的耗时减少，速率 比 的耗时减少。图 细刀工序速率对应的耗时情况 结合粗刀工序和细刀工序的耗时情况，可以推测对于锥形球头刀，路径间距增大耗时必然减少，速率提高必然耗时减少。减少的幅度随着路径间距和速率的增加都越来越少。2 5雕刻质量分析2 5雕刻质量分析细刀工序完成后的雕件表面情况见图，虽然进行实验的翡翠质地较粗，但雕件的线面细节都完整保留，仅有一件弥勒佛的手部崩口缺失，其余均完整保留。实验中粗刀工序 锥形球头刀的在路径间距 到 之间所产生的刀路痕迹，均可被细刀工序 锥形球头刀的路径间距 加工消除，留下细刀工序的极轻微，正常抛光可去除的刀路痕迹。而粗刀工序使用路径间距 产生的刀路痕迹则无法消除，可通过在粗刀工序刀路设计中增加 的加工余量，再对细刀工序后得到的刀路痕迹正常抛光去除。第期孟龑等：翡翠数控雕刻加工效率与质量研究 以加工坐式弥勒佛为例图 不同粗刀工序路径间距抛光后的表面细节区别 （）；（）；（）使用震光机抛光后进行观察，见图，粗刀工序路径间距 的完成品在表面凹陷处，如弥勒佛的脸颊部分，依然有明显的刀路痕迹，需要手工抛光进行处理。在线条紧密位置，如眼睛处，放大观察可见线条边缘相连，失去细节。相比之下粗刀工序路径间距 到 之间的则无上述瑕疵。讨论3 1原料脱落3 1原料脱落实验中路径间距为 和 的组实验均未出现原料脱落的情况，而路径间距为 和 的组中就有两组发生了脱落，导致成品发生了难以弥补的错误，造成原料的浪费。从雕刻机本身而言，设置的参数并没有达到极限，但从成品率角度来看，对于翡翠这种坚硬的材料，过高的路径间距和速度会导致原料脱落概率的上升，非常影响成品率。现实生产中，往往是一个工人照看多台雕刻机，一旦原料发生脱落，可能不会被及时发现，并停止雕刻机，从而导致错误的雕刻或者原料破损等，造成难以弥补的损失。根据实验结果，粗刀工序较为理想的最大路径间距为，最大速率为；且在此基础上再提高路径间距和速率获得的耗时减少幅度越来越少。若确实需要通过提高路径间距和速率来提高加工效率，应在加工前使用纸巾条和 胶水固定原料。3 2刀具损耗3 2刀具损耗粗刀工序中路径间距、速率，所需加工时间是路径间距、速率 所需时间的 ，缩短了一半还多；细刀工序中速率 所需时间为速率 的，但刀具的磨损情况并无较大差异。所以对于单件的简单雕件，在不计