第四章　数字化玉雕的工艺原理

传统的加工机床工艺有数控切削加工工艺、数控铣削加工工艺、数控切割加工工艺、数控磨削加工工艺、数控钻孔加工工艺。

玉石加工虽然随科学的发展而不断进步，但由于受自身要求和性质的制约，它具有一些固定的、相对稳定的工艺特点——减法出造型。减法出造型是玉石加工工艺的本质。玉石加工是通过琢、磨等基本工序完成的。所谓琢就是切开，也就是将玉石原石中不需要的部分切除，或将大块的原石切成所需要的小块，同时又为后面的磨的工艺留下一定的余量。磨指磨削，也是去除余料，所不同的主要是在技术方法和工序上，磨包括倒棱、圈形、粗磨、细磨和抛光等工序。琢、磨的减法性质要求玉石加工必须是渐进的、准确的，减量逐渐减少趋零，减多或减少都不会出现高品质的成品，严重者可能会浪费玉石原料，造成巨大的损失。

根据玉石加工的实际需求，运用于数字化玉雕加工过程中的只有数控切割加工工艺、数控切削加工工艺，数控磨削加工工艺、数控钻孔加工工艺，其中数控磨削加工工艺是数字化玉雕加工过程的主要工艺。

玉雕切削加工是指在数字化玉雕机上利用刀具与玉雕件之间的相对运动，从玉雕件上切除多余玉石层，使其尺寸、形状和相互位置精度以及表面质量达到设计要求的一种加工方法。本节主要阐述切削加工过程中的切削运动，刀具切削部分的几何角度，切削变形，切削力，切削热，刀具几何参数以及切削用量的合理选择等内容。掌握好这些基本理论可以解决生产中的许多实际问题，从而提高产品的质量，降低生产成本，提高生产效率。

一、数字化玉雕切削基本含义

使用玉雕切削刀具从玉雕件上切除多余（或预留）的玉石（使之成为切屑），从而获得形状、尺寸精度、位置精度及表面质量都符合玉雕设计要求的玉雕件的一种加工方法，称为玉雕切削加工。在切削加工过程中，刀具与玉雕件之间必须有相对运动，即切削运动。

二、数字化玉雕切削工艺原理

玉雕切削过程的实质是被切削玉雕层在刀具挤压作用下，产生塑性剪切滑移变形的过程。

玉雕切削加工时，玉雕材料抵抗刀具切削所产生的阻力称为切削力。切削力是切削过程中基本物理现象之一，是分析加工工艺、设计和使用数字化玉雕机床、刀具、夹具的重要参数。切削力的大小直接影响切削功率、切削热、刀具磨损及刀具寿命，且影响加工质量和生产率。

切削时作用在刀具上的力由两方面组成:一是来源于切削区产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力；二是来源于切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。

垂直作用在前刀面及后刀面上的弹性和塑性变形抗力的反作用力与作用在前刀面及后刀面上的摩擦力，这些力的合力称为总切削力，作用于刀具上，其反作用力作用于玉雕件。

为了实际应用，切削合力可分解为:主切削力或切向力；进给抗力、轴向力或走刀力；切深抗力、背向力、径向力、吃刀力。具体说明如下。

（1）主切削力或切向力。它切于过渡表面并与基面垂直，是总切削力在主运动方向上的分力。消耗的数字化玉雕机床功率最多，是计算数字化玉雕机床功率、刀具强度、设计数字化玉雕机床夹具、选择切削用量时不可少的参数。

（2）进给抗力、轴向力或走刀力。它们是处于基面内并与玉雕件轴线平行且与走刀方向相反的力，是总切削力在进给运动方向上的分力，消耗的数字化玉雕机床功率较少，是计算数字化玉雕机床进给功率、设计数字化玉雕机床进给机构、校验数字化玉雕机床进给机构强度时不可少的参数。单位切削力是指单位切削面积上的主切削力。

（3）切深抗力、背向力、径向力、吃刀力。它们是处于基面内并与玉雕件轴线垂直的力，与用来确定玉雕件加工精度有关。

在切削加工中刀具与玉雕件的相对运动，称为切削运动。按其功用分为主运动和进给运动，具体说明如下。

（1）主运动。由数字化玉雕机刀具和玉雕件之间产生相对运动，使刀具前刀面接近玉雕件，从玉雕件上直接切除多余的玉石层，这种具有切削速度最快与消耗功率最大的特点的运动称为主运动。在一种切削加工方法中，主运动只有一个，由玉雕件或刀具来完成，如车削时玉雕件的旋转运动，刨削时玉雕件或刀具的往复运动，铣削时铣刀的旋转运动等。在切削中必须有一个主运动，且只能有一个主运动。

（2）进给运动。不断地将多余玉石层置入切削，它使刀具和玉雕件之间产生附加的相对运动，以保证连续切除玉雕件上多余玉石，以便形成所需的加工表面的运动称为进给运动。进给运动的速度较低，消耗功率较小。进给运动可以是一个或多个进给运动，也可以不存在进给运动。进给运动可以是玉雕件的运动，也可以是刀具的运动。

（3）合成切削运动。合成切削运动是主运动和进给运动的组合运动。刀具切削刃上选定点相对玉雕件的瞬时合成运动方向称为该点的合成切削运动方向，其速度称为合成切削速度。

三、影响数字化玉雕切削效率因素

切削力的影响因素很多，主要有玉石材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料、刀具磨损状态和切削液等。

（一）玉石材料

玉石材料的切削加工性是指在一定切削条件下，玉石材料切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，随着玉石材料的切削方式和具体加工条件等的不同而不同。

（1）硬度或强度提高，剪切屈服强度增大，切削力增大。

（2）塑性或韧性提高，切屑与前刀面摩擦增大，切削力增大。

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。

a.硬度。材料的硬度高，切削时切削力和切削热集中在刀刃附近，刀具易磨损，刀具耐用度低，所以加工性不好。硬质点多的材料，加工性较差。

b.强度。强度高的材料，切削时切削力大，切削温度高，刀具易磨损，加工性不好。

c.塑性。强度相近的同类材料，塑性越大，切削中塑性变形和摩擦越大，切削温度高，刀具容易磨损。塑性太小的材料，切削时切削力、切削热集中在刀刃附近，刀具易产生崩刃，加工性也较差。

d.热导率。热导率通过对切削温度的影响而影响材料的加工性。热导率大的材料，由切屑带走和玉雕件传散出的热量多，有利于降低切削温度，使刀具磨损速率减小，故加工性好。

（二）切削用量

切削用量不仅是数字化玉雕机床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，合理选择切削用量是切削加工的重要环节。

切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，应尽量增大切削用量。但在实际生产中，选用值的大小受到切削力、切削功率、加工表面粗糙度的要求及刀具耐用度诸因素的影响和限制。因此，合理的切削用量是指在保证加工玉雕件质量和刀具耐用度的前提下，充分发挥数字化玉雕机床、刀具的切削性能，提高生产率，降低加工成本的一种切削用量。

（1）粗加工切削用量的选择原则。粗加工以切除玉雕件余量为主，而对加工玉雕件质量要求不高。随着玉石切除率增大，刀具磨损加快。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，最后根据刀具耐用度合理选择切削速度。

（2）精加工（半精加工）切削用量的选择原则。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。在保证加工玉雕件质量和刀具耐用度的前提下，采用较小的背吃刀量和进给量，尽可能采用快的切削速度。

（三）刀具几何参数

（1）前角。前角增大，切削变形减少，切削力减小。

（2）主偏角。主偏角的改变使切削面积的形状和切削分力的作用方向变化，因而使切削力随之变化。主偏角在30°～60°范围内增大，切削厚度的影响起主要作用，使主切削力减小；主偏角在60°～90°范围内增大，刀尖处圆弧和副前角的影响更为突出，故主切削力增大。

（3）刃倾角。刃倾角对主切削力影响很小，但对进给力、背向力影响较为显著。(www.daowen.com)

（4）刀尖圆弧半径。刀尖圆弧半径增大，则切削刃圆弧部分的长度增长，切削变形增大、摩擦增大，切削力增大。此外，刀尖圆弧半径增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小，从而使背向力增大，进给力减小。

（5）刀具棱面。应选较小宽度，使切深抗力、背向力、径向力、吃刀力减小。

（四）刀具磨损状态

切削玉石时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损，属正常磨损；后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种，属非正常磨损。

刀具磨损后，使玉雕件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。

随着切削时间的延长，则刀具磨损增加。刀具磨损过程可分为三个阶段。

（1）初期磨损阶段。

（2）正常磨损阶段。

（3）急剧磨损阶段。

从对温度的依赖程度来看，刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。机械磨损是由玉雕件材料中硬质点的刻划作用引起的，热、化学磨损则是由黏结（刀具与玉雕件材料接触到原子间距离时产生的结合现象）、扩散（刀具与玉雕件两摩擦面的化学元素互相向对方扩散、腐蚀）等引起的。

刀具正常磨损的形式有以下几种。

（1）磨粒磨损。在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。磨粒磨损对玉石作用较明显。

（2）黏结磨损。刀具与玉雕件材料接触到原子间距离时产生的结合现象，称为黏结。黏结磨损就是由于接触面滑动在黏结处产生剪切破坏造成的。低、中速切削时，黏结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。

（3）扩散磨损。切削时在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被磨损。扩散磨损是一种化学性质的磨损。

（4）相变磨损。当刀具上最高温度超过材料相变温度时，刀具表面金相组织发生变化，使硬度下降，磨损加剧。因此，钢刀具在高温时均为此类磨损。

（5）氧化磨损。氧化磨损是一种化学性质的磨损。

刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面因素作用造成的。

（五）刀具材料

刀具材料对切削力的影响是由刀具材料与玉雕件材料之间的亲合力和摩擦系数等因素决定的，若两者之间的摩擦系数小，则切削力小。切削过程中采用切削液可以减小刀具、玉雕件与切屑接触面间的摩擦，有利于减小切削力。

一把新刀（或重新刃磨过的刀具）从开始切削至磨损量达到磨钝标准为止所经历的实际切削时间，称为刀具的耐用度，一般用分钟计算，又称为刀具寿命。

刀具材料的选择是影响刀具破损和刀具磨损的决定性因素。刀具在一定的切削条件下使用时，如果它经受不住强大的应力（切削力或热应力），就可能发生突然损坏，使刀具提前失去切削能力，这种情况就称为刀具损坏。刀具损坏又分为磨损、崩刀、碎断、剥落、裂纹破损。

（六）切削溶液

合理地选用切削液，可以带走大量的切削热，降低切削温度，改善切削时摩擦面间的摩擦状况，减少刀具磨损，降低动力消耗，提高已加工表面质量。因而合理选用切削液是提高切削效率既经济又简单的一种方法。

切削液有以下作用。

1.冷却作用

冷却作用是指切削液能从切削区带走切削热，降低切削温度的作用。切削液进入切削区后，由于一方面减小了刀具与玉雕件切削界面上的摩擦，减小了摩擦热的产生；另一方面通过传导、对流和汽化将切削区的热量带走，因而起到降低切削温度的作用。

切削热与切削温度是切削过程中产生的又一重要物理现象。切削时做的功，可转化为等量的热。切削热除少量散逸在周围介质中外，其余均传入刀具、切屑和玉雕件中，并使它们温度升高，引起玉雕件变形、加速刀具磨损。因此，研究切削热与切削温度具有重要的实用意义。

切削热是由切削功转变而来的。一是切削层发生的弹、塑性变形功；二是切屑与前刀面、玉雕件与刀面间消耗的摩擦功。切削塑性玉石时切削热主要由剪切区变形和前刀面摩擦形成，切削脆性玉石时则后刀面摩擦热占的比例较多。

切削热由切屑、刀具、玉雕件和周围介质传出。切削速度越高，切削厚度越大，则由切屑带走的热量越多。影响切削热传出的主要因素是玉雕件和刀具材料的热导率以及周围介质的状况。

影响切削温度的因素有很多，主要有以下几个方面。

（1）玉雕件材料的影响。玉雕件材料的强度、硬度高，切削时所需要的切削力大，产生的切削热也多，切削温度就高。玉雕件材料的塑性大，切削时切屑变形大，产生的切削热多，切削温度就高；玉雕件材料的热导率大，其本身吸热、散热快，温度不易积聚，切削温度就低。

（2）切削用量的影响。进给量切削速度增大，切削温度就增加。

（3）切削液的影响。冷却是切削液的一个重要功能。合理选用切削液，可以减少切削热的产生，降低切削温度，能提高玉雕件的加工质量、刀具寿命和生产率等。切削液的冷却作用取决于它对玉石表面的湿润性、热导率、比热容、汽化热及使用切削液的流量、流速等。三大类切削液中，水溶液的冷却性能最好，乳化液其次，切削油最差。

当刀具材料的耐热性较差、玉雕件材料的热导率较小、热膨胀系数较大时，玉雕件对切削液的冷却作用应有较高的要求。

2.润滑作用

切削液的润滑作用是通过切削液的渗透作用到达切削区后在刀具、玉雕件、切削界面上形成吸附膜实现的。切削液到达切削区后，其极性分子便吸附在玉石表面上，形成一层润滑膜，起到减小摩擦的作用。

3.清洗作用

在切削条件下，常会产生一些细末状的切屑。为防止这种切屑擦伤已加工表面和降低切削能力，切削液应具有良好的清洗作用。清洗作用的大小，主要取决于切削液的渗透性、流动性及使用压力等。

由以上分析可知，切削过程中产生的切削力的大小，是由许多因素综合影响的结果。因此，要减小切削力，应在分析各因素影响的基础上，找出主要因素，兼顾其他因素，再对各因素进行合理配合。下面就各类切削工艺逐一进行论述。