数字化玉雕工艺及原理

第三节　钻削原理及其工艺

钻削是孔的主要加工方法之一。钻孔工艺是玉器雕刻中不可缺少的一项工序，不仅仅体现打眼、穿孔上，其实透雕、掏堂等技艺，也需要钻孔工艺。除钻孔外，在数字化玉雕钻床上还可以完成扩孔、铰孔等工作。钻孔虽不是制作玉雕工艺品的必然作业方式，但钻孔作业在玉雕工艺中却有着广泛的用途。例如各种玉珠要钻出细孔才能串在一起；坠饰上要有细孔才能悬挂；镂空花纹时要先钻好一个细孔才能使用线锯；将大块玉石料内部掏空或从玉料上取出圆柱体或圆环形玉料待用等都要使用钻孔技术。

在玉雕工艺中，钻孔的概念是广义的，通常有如下几类。

打眼是指在玉制品上钻一个直径小于2mm的孔。

钻孔是指在玉制品上钻一个直径为2～6mm的孔。

套取料芯是在玉石材料上钻取一个大而深的孔，同时还要利用套取下来的圆柱形玉料制作其他物品，或者就是为了从玉石材料上割取环状或圆柱体状的玉料。

在实际应用中，钻孔可采用针钻法、小管钻法、桶钻法（或称为大管钻法）。

一、数字化玉雕钻削基本含义

钻削是指用钻头或扩孔钻在玉雕件上加工孔的方法。钻削加工主要在数字化玉雕钻床上进行。数字化玉雕钻床通常以钻头回转与轴向移动作为它的表面成形运动。钻孔时，钻头的刀尖轴向移动形成直线母线，刀具与玉雕件的相对回转，可以看成是直线母线沿圆导线运动，形成内圆柱面。

用钻头在实心玉雕件上钻出通孔或钻出较深（超过钻头直径两倍以上）的盲孔（不通孔），叫做钻孔。在玉雕件原有的孔上扩大孔的直径，叫做扩孔。其实际是用切削方法在实体材料上得到孔，这一工作称为钻削（或称钻孔）。在已有孔的一端用较大的钻头锪出一个倒角或锪出一个窝（平窝或锥窝），叫做锪孔。用特制的钻头在孔的四周锪出一个平面，叫做锪平面。利用刀杆在数字化玉雕钻床上加工已有的孔，叫做镗孔。

钻削质量与钻头刃磨正确与否直接有关。由于钻头本身结构的特点，以及由于钻削条件及钻具等各种因素的限制，钻孔质量一般只能达到一般精度和一般光洁度。

二、数字化玉雕钻削工艺原理

钻孔时，采用针钻法、管钻法、桶钻法，都是利用磨料粉浆的磨削作用。

钻石钻法，则是利用钻石的高硬度打孔。

使用磨料粉浆时，钻孔进度的快慢，除与磨料的粗细、转速高低有关外，还与管壁的薄厚有关，管壁愈薄，钻孔速度越快。所以桶钻的壁是很薄的，通常用薄马口铁皮围卷而成。

在数字化玉雕钻床上加工孔时，刀具旋转做主运动的同时沿轴向做进给运动。加工前调整玉雕件或刀具的位置使被加工孔中心线对准刀具的旋转中心，这叫对刀。对刀通常以玉雕件上划好的线或采用钻模夹具进行。所以无论玉雕件上的孔形状是否规则，在钻床上加工均既方便又迅速，而且经济性也好。只要工艺安排得当，大多数玉雕件对打孔有位置精度要求，在数字化玉雕钻床上加工都是方便而经济的。在数字化玉雕钻床上加工孔的直径与其刀具的直径相同。数字化玉雕钻床上加工孔的直径一般较小。

数字化玉雕钻床工作时，可以是刀具回转，也可以是玉雕件回转。对于前者，当钻头偏斜时，孔的轴线也偏斜，但孔径无明显变化；对于后者，当钻头偏斜时，孔的轴线不偏斜，但孔径有较大变化，形成锥形或腰鼓形。钻小孔或钻深孔时，为防止轴线偏斜，最好采用后一种钻孔方式。

（一）钻头的种类和用途

1.麻花钻

麻花钻分有直柄麻花钻和锥柄麻花钻两种（图4-3-1）。麻花钻一般用高速工具钢制成。2.三刃扩孔钻

三刃扩孔钻有三条螺旋槽（图4-3-2），形成三个主切削刃，与一般麻花钻相比，有较好的导向作用，切削振动小，扩孔质量也较高。三刃扩孔钻有两种不同的规格，一种具有较大的负差，用于精加工的孔上，所扩出的孔有精加工余量；另一种具有准确的尺寸，扩孔后不再进行精加工，这一点在使用时要特别注意。

图4-3-1　麻花钻种类

图4-3-2　三刃扩孔钻

3.套式扩孔钻

这种钻头用于扩大孔径，它的中间有一个锥度为1∶30的锥孔（图4-3-3），上端部有一个豁口，用于安装钻杆。套式扩孔钻有些像铣刀，有四个刀刃，扩孔质量很高，不适用于扩毛坯孔。

图4-3-3　套式扩孔钻

图4-3-4　锥头锪孔钻

4.锥头锪孔钻

这种钻头（图4-3-4）主要用于钻孔后锪倒角等工艺。锪钻规格有60°、90°和120°三种。5.中心钻

这是一种综合性钻头，主要用于钻顶针孔，其规格为60°。

（二）钻头的结构和作用

1.麻花钻的组成部分

麻花钻由尾部、颈部和工作部分组成，如图4-3-5所示。

图4-3-5　麻花钻的组成和切削部分

1）尾部

尾部指当钻头与数字化玉雕机床主轴连接时，起定位、夹固和传递动力作用的部分。通常直径大于12mm的钻头其尾部多采用莫氏锥柄，等于或小于12mm者多做成柱柄。锥柄后端制出扁尾，以便用楔铁将钻头从钻套中取出。

2）颈部

颈部是工作部分与柄部的联结部分，供磨削时砂轮退刀用，钻头标志也打于此处。

3）工作部分

颈部是钻头的主要部分，担负着切除余量的工作，它由导向部分和钻尖（顶锥）部分所组成。钻尖部分与其所邻近的导向部分形成了钻头的切削部分。

（1）导向部分。它是起引导和稳定作用的部分，由两个螺旋形的刃瓣组成。钻孔时依靠刃瓣外缘上的棱边起引导作用。两刃瓣之间由钻芯相连，螺旋槽形的空间是排屑通道。钻芯厚度d₀（图4-3-5）增大，可增加麻花钻体的强度，但同时又减小了排屑空间。因此不同直径的麻花钻都有其一定的d₀合理值。为了增大钻头强度，把钻芯做成正锥体，钻芯从切削部分向尾部增大，其增大量为每100mm长度增大1.4～1.8mm。

（2）钻尖部分。将工作部分的前端磨出后刀面，形成各刀刃后便出现一个钻尖部分。导向部分是钻尖部分的后备部分。

切削部分的组成有以下几点（图4-3-5）。

（1）前刀面。即螺旋槽表面，钻孔时切屑沿着这个面流出。

（2）后刀面。刃瓣的最前端，钻孔时与加工表面相对的表面。后刀面可以做成螺旋面、锥面或平面，用手工刃磨时则常是一般的曲面。

（3）副后刀面。即刃瓣上的棱边表面。

（4）主切削刃。它是前刀面与后刀面相交的部位，担负着主要的切削工作。

（5）横刃。由两个后刀面相交而成。钻芯部分的切削工作由横刃负担。

（6）副切削刃。前刀面与副后刀面相交的部位。

由此可见，麻花钻头共有五个刀刃，即两个主切削刃、两个副切削刃和一个横刃。主切削刃和横刃起主要切削作用，副切削刃起修光作用。

所有刀具除了实际上存在的前面、主后面、副后面三个面外，在结构理论上还存在四个辅助平面，即基面、切削平面、主截面和副截面。这些面在刀具上实际并不存在，只是为了规定和测量在切削过程中刀具的切削角度而用的基准面。了解这一点对正确掌握钻削和刃磨钻头是必要的。

（1）切削平面。切削刃上任一点的切削平面，是由该点相对切削速度方向和在这一点上切削刃的切线所构成的。也就是说，切削刃上任一点的切削平面是通过该点并与加工表面相切的平面。

对钻削来讲，钻头的两个主切削刃，实际上相当于反、正安装的两把车孔刀。由于钻头有一个钻芯，因而使两主切削刃平行错开了一个等于钻芯厚度的距离，所以造成了主切削刃各点的切削速度方向的改变。这是分析钻刃上各点的切削角度时需要注意的问题。

从图4-3-6中不难看出，标准麻花钻头两个主切削刃是相互（近似）平行的直线。钻削是通过钻头旋转为主切削运动的。为了分析简便起见，将走刀运动忽略不计，则钻刃上任一点的切削速度方向处该点到钻芯为半径所作的切线方向，也就是该点到钻芯连线的垂直方向。另外，钻刃上任一点对切削刃的切线仍为钻刃本身（如果钻刃是曲线的，各点的切线即要改变）。这样两条直线就构成了钻刃上该点的切削平面。如图4-3-7所示的平面，就是钻刃外缘刃尖A点的切削平面。

图4-3-6　切削刃上各点的切割速度和基面的改变

（2）基面。切削刃上任一点的基面，是通过该点且与切削速度方向相垂直的平面。由此可见，基面与切削平面是相互垂直的。从图4-3-6和图4-3-7中可以看出，由于钻刃上各点的切削速度方向不同，因此，垂直于切削速度方向的基面也不同。

（3）主截面。是垂直于主切削刃在基面上所作投影的截面，如图4-3-8所示是车刀的主截面。从主截面上可以测出车刀的前角γ、后角α、切削角β和刃角φ（也叫劈角或楔角）。

切削刃上任一点的前角γ，是该点基面与前面的夹角。前角的大小决定着切屑从前面排出时产生阻力的大小。前角大，排屑顺利；前角小，排屑困难。

刀刃上任一点的后角α，是该点的后面与切削平面之间的夹角。刀具在切削过程中对玉雕件产生压力，由于玉雕件本身产生了弹性变形，因此，刀具后面在玉雕件表面上有一段接触长度。当刀具与玉雕件相对运动时就产生了摩擦，后角越大，接触越短，摩擦力越小；后角越小，接触越长，磨擦力就越大。当后角等于零时，刀具就无法对玉雕件进行切削。

切削角β和刃角φ的大小，决定切削变形和切削的难易（功率消耗）。切削角和刃角越小，切削越省力，但过小了就会影响刀刃强度而产生颤抖、崩刃，且散热不好，因此要按照实际情况来确定。

图4-3-7　切削平面和基面

图4-3-8　前角、刃角、后角示意图

2.工作部分几何参数

（1）螺旋角（ω）。标准麻花钻头所规定的螺旋角，是指螺旋槽最外边的螺旋线展开后与钻芯轴所形成的夹角。螺旋角常根据钻头直径的不同和钻削材料的不同而选用不同的数值。钻削脆性材料时，用较小的螺旋角；钻削韧性材料时，用较大的螺旋角。

对于同一个钻头来说，由于螺旋槽各点上的导程相等，而距钻芯的半径不同，所以，螺旋角也相应地改变，如图4-3-9所示。

设钻刃外缘处的螺旋角为ω，切削刃上任一点的螺旋角为ω_z，其关系式为:(https://www.daowen.com)

式中:R——钻头半径（mm）；

R_z——切削刃上任一点的半径（mm）。

从上式中可以看出，主切削刃上，各点的螺旋角，是从外缘到钻芯逐渐减小的，如外缘的螺旋角为30°，而接近钻芯处的螺旋角只有6°。

（2）锋角（顶角）（2φ）。是钻头两条主切削刃的夹角，如图4-3-9所示。这是一个固定的角度，标准麻花钻头的锋角2φ＝118°±12°。

图4-3-9　锋角、螺旋角

选用的锋角大小与钻削的玉石有关，一般钻削硬玉石时锋角磨得大些，钻削软玉石时锋角磨得小些。

（3）副偏角（也叫倒锥半角）（φ1）。是走刀方向与副切削刃在基面上的投影所夹的角（图4-3-9）。为了减小刃带和孔壁之间的剧烈磨擦，将整个钻头做成倒锥形（即越靠近钻柄直径越小）。因为倒锥很小，所以不致于使导向和钻孔尺寸有显著变化。

（4）刃倾角（λ_τ）。主切削刃上任一点的刃倾角，是在基面投影中该点的切线与基面的夹角。如图4-3-10所示，λ_τA为主切削刃上A点的刃倾角。刃倾角在钻削过程中起着加强外缘刃尖的作用，并使钻用顺螺旋槽向外倾斜流出。

（5）前角（γ）。指主切削刃的前角。由于麻花钻头的结构特点，在主切削刃上各点的前角是不同的，而且变化很大，从外缘到钻芯处前角由30°逐渐减小到-30°。这是因为越靠近钻芯螺旋角越小，切削刃上各点的基面改变越大，也就是各点上基面刃倾角λ_τ越大，靠近钻芯处的基面已经切入螺旋槽里面了，所以，钻芯处的前角自然变成了负值。

图4-3-10　刃倾角

图4-3-11　后角

（6）后角（α）。即主切削刃的圆周后角。前面已讲过，后角是切削平面与刀具后面的夹角，而钻头的后角是以钻芯轴为心线的圆柱截面内测量得的。钻头在钻削过程中，两个主切削刃以钻芯线为轴作旋转运动，刀刃上各点的相对切削运动方向，就是在该点的圆周方向上。所以在圆周上测得的后角，最能反映后面与玉雕件实际的相对磨擦情况。如图4-3-11所示，将百分表放在切削刃任一点A上，旋转钻头，由钻芯线到A点为半径R_x的规迹在一个刃瓣上所测得的差数，就是该点的后角。设转动的角度β为50°，记下百分表的读数k，即可算出后角α_x。

标准麻花钻头的后角是指钻头最外缘。刃磨钻头时习惯将钻刃内部后角磨大些，而外缘的后角磨小些，通常取内部后角为20°～26°，而外缘后角为8°～14°。这样做的目的是使钻头近中心处向内凹陷，使横刃较为尖锐，同时使钻刃各点上的刃角相差少些，各处强度较为均匀。此外，还可使钻刃各点上的后角较为一致。

钻头的后角过小，会增加轴向抗力，而后角过大，又影响切削刃的强度，并可能引起振动和扎刀（自动吃入）。不同直径的钻头其后角（外缘）应取不同值。

上面所讲的前、后角是在忽略走刀运动的情况下，此时刃口上任一点的相对切削速度方向是圆周的切线。当钻削有较大的走刀量S时，就不能忽略不计，这时切削刃上任一点的切削平面都相应地改变了，即都与原来位置相差一个角度（△x）（图4-3-12）。

图4-3-12　走刀量较大时切削几何参数

α.后角；φ.刃角；γ.前角；S.走刀量；D.展开螺旋线；πD.展开圆周

从图4-3-13中可以看出，前角γ有所增大，而后角α相应减小。设α_p为工作后角，则切削刃上半径为R_x的任一点x的工作后角满足以下关系式:

式中:Δx——钻头后角的减小值，可用下式计算。

S——走刀量（mm/转）；

R_x——切削刃上任一点半径（mm）。

影响钻头后角的另一个因素，是在钻头轴向走到压力下，玉石所产生的弹性变形，如图4-3-13所示。

（7）横刃斜角φ。横刃与主切削刃在垂直于钻芯轴线的平面内所夹的角，如图4-3-14（左）所示。它的大小与后角大小有关，近钻芯处后角磨得越大，横刃斜角就越小，相应的横刃就长一些。横刃越长，进刀抗力越大，且不易定心。标准钻头的横刃斜角为50°～55°。

图4-3-13　弹性变形

在横刃I-I的截面内，如图4-3-14（中）所示，横刃的前面与基面的夹角就是横刃前角（γ横）；后面与切削平面的夹角就是横刃后角（α横）。横刃前角为负值（即切削角β横＞90°）。由于横刃处的切削速度比外径处低得多，而走刀量相等，因此横刃的切削情况基本上是向下推挤玉石，产生了很大的轴向抗力。如果适当地（在不影响横刃强度的情况下）将钻芯处后角磨大一些，如图4-3-14（右），则可以明显地看出，这时横刃就尖锐多了，可以减少很大一部分轴向抗力，而且钻削开始时容易定心。

图4-3-14　横刃斜角

3.钻削切削的相关要素

1）钻削的切削要素

（1）钻削深度。钻削深度为:

式中:d——钻头外直径（mm）。

（2）每转进给量。钻头或玉雕件每转一转，它们之间的轴向相对位移，用f_z表示。单位为mm/转。（3）去齿进给量。钻头或玉雕件每转过一个刀齿，它们之间的轴向相对位移，用α_f表示，单位为mm/齿。

图4-3-15　切削层断面参数

（4）切削速度。指钻头主切削刃外缘处的线速度，用v来表示:

式中:n——钻头或玉雕件的转速（m/min）。

2）切削层断面参数

切削层断面参数在与两主切削刃平行的平面（图4-3-15）中度量。

（1）切削厚度。切削厚度的计算式如下。

（2）切削宽度。切削宽度的计算式如下。

（3）切削面积。钻头每个刀齿的切削层面积（mm²）。

（4）材料切除率（mm³/min）。

三、影响数字化玉雕钻削效率的因素

（一）钻削用量

刀具在钻削玉石时，都是在钻削速度、钻削深度和走刀量这三个重要因素的作用下才能钻下钻屑。这些因素决定单位时间内所钻下的钻屑数量多少，也就是决定生产效率的高低。

钻削用量选择得是否合理，关系到能否充分发挥数字化玉雕机与钻头的工作效能，能否在保证一定质量前提下实现高功效、低成本和保安全的生产。钻孔属于粗加工，根据选择切削用量的一般原则，首先应尽可能选大直径的钻头（即取尽可能大的切削深度），其次选尽可能大的进给量，最后根据麻花钻合理的耐用度要求选用合适的钻削速度，这样才能实现经济有效的钻削加工。

（1）钻削速度（v）。它是钻头直径上的一点在钻头转动时的线速度。

切削速度决定于钻头的转速，二者关系如下。

式中:v——钻削速度（m/min）；

d——钻头外直径（mm）；

n——钻头的转速（转/min）。

也就是说，

（2）走刀量（S）。它是钻头每转一周，钻头沿轴向行进的距离，单位为mm/转。

（3）钻削深度（t）。它是钻头直径的一半（实心玉雕件）。

钻削用量就是指钻削速度和走刀量。在钻削时，应当根据玉雕件材料、钻头材料和直径、冷却液等的不同，在保证钻削工作质量和安全的情况下，尽量选择最大的钻削速度和走刀量，这是提高钻削效率所必要的。但切削速度过大，钻头容易磨损、退火；走刀量过大，会使钻头扭断。所以要合理地选择钻削用量。

（二）钻削热量

钻削过程中，因切屑变形和机械摩擦产生大量的热。由于钻削是一种半封闭式的切削，产生的热量大部分由玉雕件和钻头吸收、发散。钻头在钻削过程中，产生的温度是很高的（可达1　000℃以上）。其中被玉雕件吸收的约占45%，被钻头吸收的约占15%，钻屑带走的约占30%，其他约占10%。高温作用会使钻刃变软；加之钻头与玉雕件的剧烈磨擦，钻刃经过一段时间的钻削后就逐渐被磨钝。

（三）钻头磨损

当钻刃磨损到一定程度后，如不重新刃磨，不仅会使钻头很快损坏，而且使钻孔质量也受到严重影响。

一般条件下钻头是在高温下经受机械摩擦而磨损的，钻头的前刀面、后刀面、棱边和横刃上都有不同程度的磨损。

钻头主切削刃外缘转角处最薄弱、散热条件最差而又是切削速度最高的部位，所以此处的切削温度最高，磨损也最快。

（四）玉件材料

切削强度大的玉料时的切削力要大于切削强度小的玉料时的切削力。切削强度大的玉料时，玉料变形也大，所以刀具上的摩擦也随之增大。玉雕件材料的硬度、强度大，铣削中的切削热、切削力就要增加，刀具磨损要加快，铣刀耐用度要降低。但是在切削玉雕件毛坯时，因为毛坯表面带有较硬的氧化皮或杂质、砂粒等，也会加快铣刀的磨损。

（五）钻削溶液

钻削工作是一种半封闭式的切削，在动力消耗的同时，几乎全部转化为切削热。碳素工具钢制成的钻头，当温度达到200℃时就失去了切削性能，高速工具钢制成的钻头在温度达到600℃时也同样会失去切削能力。只有硬质合金钻头在1 000℃以上温度下仍能保证正常切削。麻花钻头多为高速工具钢制造，为了冷却钻头，减少钻屑的摩擦，通常采用有冷却和润滑双重作用的冷却润滑液。使用冷却润滑液比不用可提高切削速度40%。此外，良好的冷却润滑液还能提高钻孔表面的质量，延长钻头的使用寿命。

使用冷却润滑液时必须在钻锋吃入玉石时就开始浇注，根据不同材料选用不同的冷却润滑液。钻削溶液的最大作用就是降低玉雕件和刀具的温度，保证玉雕件和刀具不因过热而损坏。