数字化玉雕：磨削原理与工艺

第一节　磨削原理及其工艺

磨削工艺在数字化玉雕加工领域中是成形磨削步骤必不可少的，如以磨代铣、以磨代车，毫无疑问，数控磨削也承担着塑形任务。磨削是指用磨料、磨具切除玉雕件上多余材料的加工方法。磨削加工是应用较为广泛的切削加工方法之一。磨削原理的研究内容主要包括磨屑形成过程、磨削力和磨削功率、磨削热和磨削温度、磨削精度和表面质量、磨削效率等，目的在于深入了解磨削的本质，并据此改进或创造磨削方法。

磨削技术不断地发展，磨削技术在数字化玉雕程序中占有极其重要的位置，主要原因如下。

（1）加工精度高。由于磨削具有其他加工方法无法比拟的特点，如磨削刀具上参与切削的磨粒多，切削刃多且几何形状不同；仅在较小的局部产生加工应力；磨具对断续切削、玉雕件硬度的变化不太敏感；磨削刀具可实现在线修锐等，因而可使加玉雕件获得很高的加工精度。

（2）加工效率高。若缓进给深磨，一次磨削深度可达到0～25mm；若将磨削刀具修整成所需形状，一次便可磨出所需的玉雕件形状。

（3）新的磨料磨具。如人造金刚石磨削刀具，扩大了磨削加工的应用范围。

一、数字化玉雕磨削基本含义

（一）数字化玉雕磨削加工的概念

磨削加工是泛指磨具利用固着或游离硬质磨粒对玉石进行磨削、研磨加工的过程。磨削加工利用机械磨削，其中磨削热的作用和水解作用加快了磨削作用的进行，它可达到车、铣类切削加工时的切除效果。磨削作用是一种综合效应，是物理、化学方法共同作用的结果。这种加工方法历史悠久，早在旧石器时代就已经存在，它是人类劳动智慧的结晶。自古以来，这种加工方法不仅被广泛应用，而且一直在发展着。传统玉雕业就是利用这个原理以磨代铣、以磨代车。

（二）数字化玉雕磨削加工的分类

磨削加工方法虽然众多，但从磨削加工具体工艺的基本倩况来看，大致分为四类。

（1）穿孔磨削。穿孔磨削是一种点磨削方式，即磨料在钻杆或钻头的带动下，在玉石面上一个很小的区域内进行磨削，产生一个孔眼。

（2）锯切。锯切即玉石被锯片切割的作用，也称之为线形磨削。它是一种用磨料对原材料进行磨削作用而将原石分割开的磨削方式，其主要特点是磨料的磨削面为线形。支撑体（锯片）带动磨料磨削原石时，产生的磨削力为侧向力，并在切缝两侧产生微破碎层。锯切是靠切割设备进行的，是分割宝玉石原石最常用的方法，亦为宝玉石加工的第一道工序，可根据不同的切割任务来采用不同的切割机和不同直径的锯片。它除了用来分割原石外，还可用来修理宝玉石的毛坯。

（3）平面磨削。平面磨削是指磨削工具与玉石表面的作用面是同一平面的磨削方式，它的作用就是加工出平整面，磨削主要应用于规整的玉石粗、细磨。

平面磨削的磨具主要是各种平面磨盘，包括固着磨料平面磨盘和游离磨料的铸铁平面盘。有时也用磨具的侧面对玉石进行初步平面磨削。

（4）曲面磨削。它包括玉石雕刻的简单或复杂曲面的磨削，通过磨削刀具小的接触面在三个方向轴的移动磨削出大的、丰富多变的造型曲面。曲面磨削具有玉石磨削的主要造型技巧。

宝石磨削阶段主要有三种力的作用，分别是摩擦力、磨削力和犁耕力。摩擦力与磨削力在本章第四节有详细的介绍，现在让我们来了解一下犁耕力。

（1）耕犁力的含义。耕犁力是指当接触物体间表面硬度相差较大或在二者之间存在润滑剂或其他物质时，不仅与表层直接接触，而且硬的凸峰将嵌入软质表层内部，剪切力不再成为主要部分，而犁沟作用的耕犁力是主要的。硬质材料的凸峰正在软质材料表面犁过，其端部犹如耕田的犁尖，当发生相对运动时会在软质材料表面犁出一道沟。

（2）耕犁力与加工。在玉石磨削过程中，当加工进入较低磨削量时，磨具的选用应避开耕犁力造成的破坏。譬如初磨阶段结束进入细磨时，要选择目数较高的细磨削刀具或使用表面磨料经长时间磨蚀、剥蚀而变细的磨削刀具，以避免在接下来的精细加工过程中不会因个别磨料的尖锐使玉石表面产生较深的磨痕，而使得整个细磨工艺无法完美实现。

在玉石抛光过程中，稍有不慎，就会导致玉石抛光面上出现抛光痕（划痕）。这一现象的发生是由于磨削抛光刀具上有硬度较高的杂质所引起的。颗粒稍大、硬度较高的杂质对玉石产生耕犁作用，导致了抛光痕的出现。

同样，在加工时，铁铸磨削抛光刀具会因抛光时间过长而产生热量，热量使铁铸磨削抛光刀具表面分子活动加剧，物质硬度有所降低，当玉石加工面与铁铸磨削抛光刀具产生微小的摩擦夹角时，玉石会对铁铸磨削抛光刀具产生耕犁作用。这就解释了为什么抛光不当时会产生铁片碎屑，以及铁铸磨削抛光刀具上会出现坑坑洼洼现象的原因。

（三）数字化玉雕磨削加工的特点

1.参加切削磨粒数极多

磨具中含有大量的磨粒。据测定，每克白刚玉磨料有上万颗甚至10多万颗磨粒。而一片尺寸为300mm×32mm×75mm的白刚玉磨具，其质量约5kg，除去其中百分之十几的结合剂以外，对于不同粒度和硬度的磨具，每平方厘米磨具中的磨粒数为60～1 400颗。但是在磨头表面上，磨粒的分布参差不齐、极不规则。磨粒在磨具上并不是等高地分布在同一外圆周上，因而磨头表面上实际参加磨削的磨粒数（即有效磨粒数）少于磨具表面的磨粒总数。根据磨具的特性及工作条件不同，有效磨粒约占磨具表面总磨粒数的10%～50%，因此磨削是一种群体磨粒参与的磨削过程。

2.刃口形刀刃分布随机

磨头表面上砂粒形成的刃口形状和刀刃分布均处于随机状态。一般的切削工具上，刀刃形状是确定的，而磨削时磨头表面上每颗磨粒的形状则不是确定的，参加切削工作的磨粒的刃口形状也是不确定的，且它在磨头表面上的分布是随机的。

3.单位磨粒磨削量极小

每一个磨粒切下切屑很薄，磨削时一般切削厚度小到微米以下，与其他加工相比则相差几十倍甚至数百倍。所以，磨削加工可以获得光洁的表面。

4.磨削时的线速度较高

一般磨具线速度为5～80m/s。因此，磨粒与被加工材料的接触时间极短，为10^-6～10^-4s。在极短时间内产生大量磨削热使磨削区产生高温。磨削区的高温会使磨粒本身发生物理化学变化，造成氧化磨损和扩散磨损等，减弱磨粒的切削性能。

5.磨粒具有自锐的作用

在切削加工中，如果刀具磨损了，切削就无法正常地进行下去，刀具必须重新磨砺。磨削的情况则不同，因为磨头上的切削刃是由硬质材料的磨粒尖端形成的，当磨粒的锋刃变钝时，作用在磨粒上的力就会增大，从而使位于该磨粒下面的新的、锋利的磨粒暴露出来，形成磨具的自锐。另外，磨粒在与玉雕件干涉过程中不断受到磨具与玉雕件的挤压作用，如果这种挤压力超过磨粒自身的抗压强度，则磨料局部被压碎形成新的微刃或整粒脱落露出新的磨粒锋刃来工作。这种重新获得锋锐刀刃的作用称为自锐作用（图4-1-1）。

图4-1-1　磨料的自锐性示意图

6.磨削区的温度非常高

磨头磨削区的温度是指磨头与玉雕件接触区内的表面温度，也有人称之为磨削点温度。高温区发生在微小的接触弧表面上（磨削点上），且它又以极快的速度向周围传散，所以玉雕件表层不受影响。倘若磨削过程中形成的热量聚集在玉雕件表面上不能迅速传散，愈积愈多，就会使玉雕件表面温度升高，导致玉雕件表面层变质，影响玉雕件表面质量。

7.磨削的比磨削能很大

由于磨削时消耗的功率大，而每个磨粒切削刃切除的磨屑体积很小，被磨的材料细分程度大，因而切除单位体积玉石所消耗的能量（比磨削能）比车削时要大得多（表4-1-1）。

表4-1-1　不同磨削方式与车削的比切削能比较

（四）数字化玉雕磨削加工工艺系统

数字化玉雕磨削加工工艺系统（图4-1-2）包括以下两项指标。

（1）将毛坯转变成具有一定尺寸、形状、位置精度及表面质量性能的玉雕件。

（2）尽可能使磨削过程在最佳条件下运行，提高加工效率和降低生产成本。

要实现上述两项指标，必须认真总结磨削过程的规律（物理、化学、力学现象的规律）。

图4-1-2　数字化玉雕磨削加工工艺系统图

二、数字化玉雕磨削工艺原理

（一）玉石磨削机理研究

数字化玉雕磨削加工原理可概述为:依靠磨料与玉石之间的差异硬度，在摩擦力和磨削力的作用下，硬度大的材料磨削硬度小的材料。在磨削的过程中磨料和玉石都会受到磨损。

磨削原理的研究内容主要包括磨屑形成过程、磨削力和磨削功率、磨削热和磨削温度、磨削精度和表面质量、磨削效率等，其目的在于深入了解磨削的本质，并据此对磨削方法进行改进或创造。

（二）玉石磨削过程分析

磨粒在磨具上排列的间距和位置都是随机分布的，磨粒是一个多面体，其每个棱角都可看做是一个切削刀，顶尖角大致为90°～120°，尖端是半径为几微米至几十微米的圆弧。经精细修整的磨具，其磨粒表面会形成一些微小的切削刃，称为微刃。磨粒在磨削时有较大的负前角。

磨削经历了滑擦阶段（弹性变形）、耕犁阶段（塑性变形）及切削阶段（形成切屑，沿磨粒前面流出）的过程，使玉雕件表面形成热应力与变形应力。磨粒在切削表面上的滑擦、耕犁和切削与磨粒状况和被加工材料性质有关。

上述三个过程与磨削刀具的速度有关，速度愈大，弹塑性区就愈小。弹塑性区还与每颗磨粒的实际磨削量有关。磨削过程中，由于磨粒是由结合剂弹性支持的，在磨削力的作用下会发生退让，使磨削刀具与玉雕件的实际接触曲线不同于理论接触曲线。另外，磨削后的玉雕件表面还会发生弹性恢复，使最终形成的表面生成曲线也不同于实际的磨削刀具与玉雕件的接触曲线，这些均影响磨粒磨削时的弹塑性区大小。

磨粒的切削过程可分三个阶段。

1.滑擦阶段

此为切削过程的第一阶段，该阶段内切割刃与玉石表面接触，随着磨粒的挤入，切削刃滑擦过玉石表面，而在此阶段玉石表面仅仅发生弹性变形，并未有任何切屑产生。

2.耕犁阶段

第二阶段为耕犁阶段，在滑擦阶段中，随着磨盘转速的加快，两者间的摩擦逐渐加剧，越来越多的能量转变为热能。逐步增加的磨削力超过了随温度上升而下降的材料屈服应力，切削刃被压入塑性基体中。经塑性变形的玉石被推向磨粒的侧面及前端，耕犁成沟槽，最终导致磨粒的表面隆起。就是磨削中的这种耕犁作用促使磨削过程进入第二阶段。

3.切削阶段

磨削过程的第三阶段即切屑形成阶段。随着切入深度继续增大，磨粒与材料表面的压力增大，当所产生的温度达到或超过玉雕件材料的临界温度时，部分玉石材料明显地沿切削刃的剪切面滑移而形成磨屑。

由此可见，要产生玉石磨屑，必须打破临界磨削深度。此外可知，磨粒切削刃推动玉石材料的形变，使前方隆起，两侧面形成沟壁，随后使玉石磨屑从切削刃前面滑出（图4-1-3）。

三、影响数字化玉雕磨削效率因素

通常，影响磨削过程效率和成本的主要因素是尺寸误差、几何形状误差、相互位置误差、表面粗糙度及表面完整性的劣化等。为了减少或消除磨削过程中的这些不利因素并寻找其规律，就必须研究磨削加工过程中的输入条件与输出条件以及它们之间的相互关系。

磨削加工中对磨削过程有影响的有磨具条件、玉料条件、弹性变形、磨削力、磨削用量、磨削热、磨削振动、磨具磨损、磨削溶液等。

图4-1-3　磨粒的磨削过程示意图

（一）磨具条件

磨具条件包括磨具的种类、形状及粒度；结合剂的种类、数量；磨具的形状、尺寸、性质、不平衡量、组织情况；磨具的修整条件等。磨削时由于磨具锐利性系数的分散性，磨具的条件是变化的，即使把磨具种类和修整条件等都作了具体的规定，也不能将磨具条件看成是确定的。

（1）磨料的硬度。在注意冷却和排屑的条件下，通常磨具硬度越高，磨削速度越快，加工后的表面粗糙度就越低。

（2）磨料的粒度。磨料粒度越小，加工后的表面粗糙度就越低。此外，表面粗糙度还与磨料粒度的统一性和材料的韧性有关。

（二）玉料条件

玉料条件包括玉石材料的种类及物理机械性能；加工部分的尺寸、形状、加工余量及加工误差等。

玉石材料的磨削加工性是指在一定磨削条件下，玉石材料磨削加工成合格玉雕件的难易程度，而这种难易程度是个相对概念，都是相对于某种玉雕件材料而言，而且随着加工性质、玉石材料的磨削加工方式和具体加工条件的不同而不同。

（1）硬度或强度提高，磨削屈服强度增大，磨削力增大。

（2）塑性或韧性提高，磨屑与前刀面摩擦增大，磨削力增大。

玉石材料的物理机械性能中，对其加工性影响较大的有硬度、强度、塑性和热导率。

（1）硬度。材料的硬度高，磨削时磨削力和磨削热集中在磨头附近，磨具易磨损、耐用度低，所以加工性不好。硬质点多的材料，加工性也都较差。

（2）强度。强度高的材料，磨削时磨削力大、温度高，磨具易磨损，加工性不好。

（3）塑性。强度相近的同类材料，塑性越大，磨削时塑性变形和摩擦越大、温度高，磨具容易磨损。塑性太小的材料，磨削时磨削力、磨削热集中在磨头附近，磨具易产生损伤，加工性也较差。

（4）热导率。热导率通过对磨削温度的影响而影响材料的加工性。热导率大的材料，由磨屑带走和玉雕件传散出的热量多，有利于降低磨削温度，使磨具磨损速率减小，故加工性好。

（三）弹性变形

磨削过程中，磨具和玉雕件两个弹性体受到力的作用，使磨具和玉雕件接触区域产生了弹性变形。它不仅对被磨削表面的尺寸精度有极其重要的影响，而且增加了磨削刀具与玉雕件之间的接触弧长，因此增加了有效切削刃数和磨削时所需要的能量，从而对磨削热也产生了一定的影响。它还使磨具上的许多磨粒只在玉雕件表面产生滑擦而不切除余量，这就增加了磨粒的磨损，因此缩短了磨具的寿命。然而，磨具和玉雕件之间的局部弹性变形，在降低玉雕件尺寸精度的前提下，将减少被磨玉雕件的表面粗糙度参数，这一点对精密磨削的影响尤为显著。

磨削过程中磨具和玉雕件间的弹性变形可以从微观和宏观两方面来观察。微观地看，磨具的磨粒在切除切屑时产生弹性变形的原因是由于有法向磨削力作用于磨粒上。宏观地看，可以认为磨具是其磨头部分压向被磨材料表面，并从这个表面磨除玉石材料的。(https://www.daowen.com)

（四）磨削力

磨削时由于磨具的切削刃和玉雕件材料接触而产生磨削力。磨削力由切向磨削分力和法向磨削分力所合成。切向磨削分力主要影响磨削时的动力消耗和磨粒的磨损，而法向磨削力与磨具和玉雕件之间的接触变形和加工质量有关，故磨削力为磨削过程的一个主要参数，有时还作为控制磨削过程进行的信号。

（五）磨削用量

磨削用量不仅是数字化玉雕机调整与控制的必备参数，而且其数值是否合理，对加工质量、加工效率以及生产成本等均有重要影响。因此，合理选择磨削用量是磨削加工的重要环节。

磨削用量的大小与生产效率的高低密切相关，要获得高的生产效率，应尽量增大磨削用量。但在实际生产中，选用值的大小受到磨削力、磨削功率、加工表面粗糙度的要求及磨具耐用度诸因素的影响和限制。因此，合理的磨削用量是指在保证加工玉雕件质量和磨具耐用度的前提下，充分发挥数字化玉雕机床、磨具的磨削性能，提高生产率，降低加工成本的一种磨削用量。

（1）磨削深度、进给量增大，磨削层面积增大，变形抗力和摩擦力增大，磨削力增大。由于磨削深度对磨削力的影响比进给量对磨削力的影响大，所以在实践中，当需磨除一定量的玉石层时，为了提高生产率，采用大进给磨削比大深度磨削省力。

（2）进给量增大，磨削厚度按比例增大，但磨削宽度不变。此时虽磨削面积按比例增大，但磨削与前刀面的接触未按比例增大，因此，当进给量增大一倍时，磨削力增加70%～80%。

（3）磨削速度。加工塑性玉石时，磨削速度对磨削力的影响规律如同对磨削变形影响一样，它们都是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的。

磨削脆性玉石时，因为变形和摩擦均较小，故磨削速度改变时磨削力变化不大。

（4）粗加工以磨除玉雕件余量为主，而对加工玉雕件质量要求不高。随着玉石磨除率的增大，磨具磨损加快。粗加工磨削用量的选择原则是:在数字化玉雕机床功率和工艺可能性足够的前提下，首先采用大的吃刀量，然后采用较大的进给量，最后根据磨具耐用度合理选择磨削速度。

（5）精加工时玉雕件余量较少，而加工玉雕件尺寸精度、表面粗糙度要求较高。精加工磨削用量的选择原则是:在保证加工玉雕件质量和磨具耐用度的前提下，采用较小的背吃刀量和进给量，尽可能采用快的磨削速度。

（六）磨削热

磨削热是磨削过程中一个很重要的物理现象，它不但极大地阻碍了磨削生产效率的提高，并且严重地影响玉雕件的表面组织、表面应力等一系列支配玉雕件表面完整性的因素。尤其当磨削是该玉雕件机械加工工艺过程的最后一道工序时，磨削热和磨削温度的情况将决定玉雕件的性能。因此，对磨削热和磨削温度的研究已成为研究磨削理论和磨削实践的一个重大课题。

由于比磨削能比其他切削方法产生的能量约大20倍，且绝大部分变为热能，使磨削区域温度上升，这对磨削工序的进行和玉雕件的性能产生很大的影响。不同的磨削热量对磨削加工的影响不相同，通常可以分为下面这几种情况。

（1）玉雕件的平均温度升高，这是传入玉雕件的热量使整个玉雕件产生的温度升高，它对玉雕件的尺寸和形状精度产生影响。

（2）磨具与玉雕件接触区域的温度，即接触区域的平均温度，它对磨削时产生的烧伤软化、磨削残余应力、磨削裂纹等产生影响。

（3）磨粒与玉雕件（切屑）接触点的温度，即磨粒形成切屑部位的温度，它对磨具的磨损、破碎、黏附等产生影响。

（4）玉雕件磨削表面的温度分布，即沿玉雕件表面深度方向的温度的变化，它影响被磨玉雕件表面组织的变化、裂纹深度和玉雕件的性能。

故在研究和讨论磨削温度时，一定要注意所研究讨论的具体是指哪一种磨削温度。

（七）磨削振动

由于对玉雕件磨削后的尺寸精度、形状精度以及表面粗糙度的要求都很高，故应尽可能消除磨削过程中的振动，以减少其有害的影响。

磨削过程中的振动一般可分为两大类，即强迫振动和自激振动。

1.强迫振动

这是受周期性外力的作用所引起的振动。磨削时，产生强迫振动的原因主要有以下几点。

（1）磨具的不平衡和安装偏心。

（2）磨具的不均匀（如磨具的密度、组织等）。

（3）磨床的振动（如磨具主轴的振功、磨削驱动部分的振动等）。

（4）外部振源对磨床的影响。

2.自激振动（颤振）

这是由磨削过程本身引起的振动。例如磨削中常见的再生自激振动就是由磨前工序在被磨表面上留下的波纹、玉雕件被磨表面不均匀、磨具本身的波纹等在一定条件下所引起的。

（八）磨具磨损

数字化玉雕加工过程中，在切除相同体积玉雕件材料的情况下，磨具磨损的体积比切削刀具的磨损体积大得多，大约是车刀或铣刀磨损体积的几百万倍。磨具磨损曲线通常分为三个不同阶段。

1.初始阶段

由于磨粒从磨具上脱落，或由于磨具的修整使得部分磨粒被局部切除或松动，因此，在这个阶段中磨具的磨损率很高。实际应用时，可以认为磨具工作表面最初的急剧磨损阶段是瞬时的。

2.中间阶段

中间阶段即稳定阶段。磨具磨损率比其他阶段小，并且近乎不变。在这个阶段中，曲线斜率的倒数即为磨削比（切除玉雕件体积与磨具损耗体积之比）。

3.最后阶段

由于磨具工作表面被严重损坏，因而磨具的磨损率变化很大。在这个阶段中，磨削过程常常伴有噪声，而且磨削效果往往不能令人满意。通常，在磨具磨损曲线的斜率发生急剧变化以前或刚刚开始发生变化时，就需要重新修整磨具。

（九）磨削溶液

磨削时，没有固定形状的磨粒在很高的速度和很小的切深下切削玉石，会产生大量的磨削热，它主要来自于高速回转的磨粒、结合剂和玉雕件表面间急剧摩擦所产生的热量，附着在磨具表面的切屑与玉雕件表面摩擦所产生的热量以及在磨削的滑擦、耕犁和切削三个阶段中磨粒所做的功大部分转化成的热量。这样，在磨削区就可能形成高达1 000多摄氏度的高温。这些热量传入磨具，会加速磨具的磨损；传入玉雕件，会使玉雕件表面产生热损伤和变形；传入磨屑，则会造成磨具的黏附和堵塞。所以，磨削时往往需要使用兼有润滑、冷却和清洗作用的磨削液，以降低磨削温度、减小磨削力、降低动力消耗和提高磨具耐用度，从而达到提高生产率、改善产品质量和降低生产成本的目的。

四、磨削加工质量

磨削加工是主要的精加工方法之一，而且在大多数情况下，经过磨削的表面往往作为玉雕的最终加工表面，因此磨削加工的质量对机器玉雕件的使用情况有很大的影响。

（一）磨削加工的精细度

1.影响磨削精度的因素

（1）玉雕件磨削前的精度。包括磨削余量的变化，磨前玉雕件的同轴度、平行度、圆度、圆柱度、平直度等。

（2）数字化玉雕机和磨具磨削玉雕件时产生的误差。包括确定磨具架位置的误差、玉雕件的安装误差、磨具的磨损引起的误差等。

（3）测量误差。包括读数误差、量具精度误差、测量时温度变化产生的误差、表面粗糙度引起的测量误差等。

总之，要保证玉雕件的尺寸、形状和位置精度，就得减小上述三种误差。

2.弹性变形引起的误差

磨削时，磨削力使磨削工艺系统产生弹性变形，因此，实际磨削深度比理论磨削深度要小些。

3.热冷变形引起的误差

磨削时工艺系统的发热和冷却都会产生很复杂的热变形问题，对玉雕件的磨削精度产生较大的影响。

（二）磨削表面的粗糙度

磨削表面的粗糙度参数值一般比别的加工方法小，通常在2μm以下。近年来由于数字化玉雕机轴承、磨具等磨削工艺条件的改善和磨削技术的提高，可使磨削表面粗糙度参数值减少。

磨粒分布频率从理论上看只取决于磨粒的形状和切削刃个数，而与磨削时的其他因素无关。但实际磨削中当磨削深度加大时，容易引起振动，对加工表面的粗糙度有很大影响。

影响磨削表面粗糙度的因素有以下几种。

（1）修整磨具时形成的螺旋线也将反映到磨削加工表面上，并且粗糙度的峰值一般与磨具螺旋线的凹谷相适应。

（2）磨削时的滑擦作用使玉雕件切痕两侧隆起，表面粗糙度参数值增大。

（3）磨削时的弹性变形、磨削后的弹性恢复使磨削后的表面粗糙度参数值减小。

（三）磨削表面残余应力

进行数字化玉雕加工是为了使雕件获得所要求的尺寸、形状和表面质量。由于玉雕件的功能特性（如可靠性、寿命等）在很多情况下基本上决定于其主要表面的质量状况，故玉雕件的表面质量在加工过程中必须加以专门的考虑。表面质量包括表面的几何性质和物理性质两个方面。表面的几何性质（如表面粗糙度等）早已为人们所熟知并已进行了较深入的研究；而对于表面的物理性质，如表面层的残余应力、硬度、结构等，则还了解得不够深入，Field和Kahl-es就规定将其统称为表面完整性。表面完整性给出了加工表面的物理性质与其功能特性之间的关系，它由机械、热和化学作用的综合关系来决定。表面残余应力是表面完整性的一项重要内容，自然对玉雕件的功能特性有很大的影响。磨削加工往往作为精加工和终加工工序，磨好的玉雕件表面只需再经光整加工，有的甚至不再进行光整加工就投入市场，因此，磨削表面残余应力的情况更值得加以注意和进行研究。

玉雕件中残余应力的情况随加工过程而变化，它能够在提高或降低外力矩的作用下和残余应力构成物体内力的平衡系。数字化玉雕加工后玉雕件的残余应力由以下两部分组成。

（1）毛坯的残余应力。如果物体被去掉一部分（例如磨削）而破坏了平衡，物体必然受变形的反作用。例如对一个没有经过消除内应力处理的毛坯进行不对称的切削加工（例如磨削），除去应力层后，其变形会很大。

（2）数字化玉雕加工（磨削）时由于受机械或热的影响产生塑性变形或组织变化，在十几微米的有限深度内能产生残余应力，这能导致薄的玉雕件产生相应的变形。残余应力引起的玉雕件变形会使玉雕件难以达到所要求的加工精度，或者即使暂时达到了精度要求，以后也不能保持，因而影响机器的使用性能，故必须加以注意。

残余应力对玉石材料的影响包括以下两个方面。

（1）残余应力对静态强度的影响。从宏观角度来看，塑性材料中的残余应力和预应力的作用一样，都会影响材料的屈服强度极限。有残余应力比没有残余应力时的弹性极限要低，最多能降低到40%。在纯拉伸或纯压缩时，受单一轴向残余应力的影响，弹性极限将有所降低，但在弯曲或多维应力分布时，受残余应力的影响，弹性极限有时反而增加。

对于脆性材料，当加工残余应力在任何一点超过了材料的强度极限时，可能会导致裂纹。裂纹是由磨削过程不合理产生的残余应力造成的。玉雕件表面具有裂纹，会大大降低玉雕件的静态强度——强度极限。

（2）残余应力对动态强度的影响。残余应力对疲劳强度的影响是十分显著的，它和疲劳强度保持着良好的线性关系。高残余应力时疲劳强度低，表面粗糙度的影响小；低残余应力时表面粗糙度参数值大，疲劳强度明显降低。疲劳强度对磨削方向性的敏感程度不高。

（四）磨削表面烧伤裂纹

磨削加工表面完整性的含义包括上节所述的表面残余应力、表面的组织和显微硬度的变化、塑性变形、显微裂纹、撕裂、皱叠等。这些现象主要是由于磨削区的高温和很大的温度阶梯造成的。

磨削时由于玉雕件表面温度过高而使表面组织发生的变化，叫做烧伤。

当玉雕件表面的残余拉应力超过材料的强度极限时，就会产生磨削裂纹。若残余拉应力刚好低于这个极限，玉雕件在使用中因受外加拉应力和残余拉应力的综合影响，总应力将会高于材料的强度极限，很可能会出现灾难性的断裂。磨削裂纹有时在表面出现，有时却在表面以下的某一深度内产生。

大量的事实证明，在未烧伤的玉雕件中从未出现过裂纹，而玉雕件表面产生的裂纹总是与烧伤有关，故烧伤与裂纹之间有着密切的联系。

经实验发现，玉雕件在产生严重的磨削裂纹之前，往往已形成了磨削裂纹核心，而在残余拉应力的作用下，裂纹会沿一定的方向逐步扩大。磨削裂纹的产生与玉雕件热处理时引起的内应力有关。值得注意的是，在起初即使是很微小的磨削裂纹，经长时间变化后也会逐步扩大。

由于烧伤变质层的存在，玉石材料的原来硬度发生改变，因而直接影响其耐磨性，对此必须采取有效的预防措施。

（1）合理选择磨削用量。磨具速度增大，会使磨削产生的热量增加，玉雕件速度加大，如果散热条件得到改善，可使传入玉雕件的热量减少；玉雕件的横向进给量增大，则单位面积的发热量减少，可使磨削区域的温度降低；磨具的磨削深度增大，发热量也随之增加。因此，必须综合考虑各磨削用量对磨削热的影响，以得到合理的组合参数。

（2）合理选择冷却方法。提高冷却液喷射压力，加压冷却。降低温度，加速冷却的方法有磨削液调温装置；加大冷却液流量；采用特殊喷嘴，把磨具表面气流隔开，使冷却液顺利进入磨削区；设置冷却液倒流装置；采用内冷式的冷却方法。

（3）及时修整磨削磨具。磨具钝化以后，磨粒的切削作用减小，摩擦作用加剧，消耗的能量显著增加，产生大量的热和热应力，导致产生磨削烧伤和裂纹。因此注意使磨具保持锋利的状态，要及时进行修整。

（4）正确选择磨削磨具。磨具的硬度和弹性对磨削表面的烧伤和裂纹影响最大。在磨削导热性差、容易烧伤的材料和空心薄壁不易散热而易于烧伤的玉雕件时，往往要选择硬度较低的磨具，也可采用结合剂等具有弹性（如橡胶结合剂）的磨具。当某种偶然性的因素导致磨削力增大时，这种磨具的磨粒就会做微量的退让，自动减少切削深度，避免产生过大的切削力而使玉雕件的局部表面产生烧伤和裂纹。

（5）对玉石料进行必要的检查。对玉石材料进行必要的检查，发现裂纹及时处理或者规避。