■王為宣 江俊諳 劉 渝 Wang Weixuan & Jiang Junan & Liu Yu

(1.2.3.北京林業(yè)大學材料科學與技術學院，北京 100083）

佛珠/手串珠數(shù)控鏤銑加工研究

■王為宣1江俊諳2劉 渝3Wang Weixuan1& Jiang Junan2& Liu Yu3

(1.2.3.北京林業(yè)大學材料科學與技術學院，北京 100083）

實木板材加工佛珠/手串珠都是手工操作，效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定。本文通過對花梨木、酸枝木和檀木等實木板材數(shù)控鏤銑加工珠球的試驗，總結出了加工工藝。試驗中采用了成型刀和通用平底尖刀兩種鏤銑加工方法，都獲得了良好結果。對各種珠球加工方法的優(yōu)缺點進行了對比分析，結果表明，數(shù)控鏤銑是一種新的實用的珠球自動加工方法。

佛珠/手串；數(shù)控鏤銑機；成型刀；平底尖刀

數(shù)千年來，佛珠一直是佛門的必備品，而今已不限佛門而延伸至普通人群，變成了一種常見的飾品[1,2]。根據(jù)資料，國內(nèi)佛珠/手串的年產(chǎn)值已達十數(shù)億元人民幣[3]。佛珠/手串可以采用金屬、石材、骨材、果核、竹材、木材等多種材料制作，其中木材以其優(yōu)質(zhì)樹種多、紋理和色澤及氣味豐富多樣、量大而應用最多[4-6]。

實木手串珠的加工可以分為備料、珠球坯加工、打磨/拋光?？偨Y現(xiàn)有的珠球坯加工方法，有手工制作、臺鉆加工、普通車床加工和數(shù)控車床加工[7,8]。這些方法中，除數(shù)控車床實現(xiàn)了自動加工外，都是人工操作加工。而人工操作存在產(chǎn)量/效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、加工成本高等問題。本文在研究試驗的基礎上提出采用數(shù)控鏤銑機自動加工實木珠球坯的新方法。

1 試驗方案

本試驗利用數(shù)控鏤銑方式加工，與臺鉆加工方法相似：先將板材工件一面加工出半球，然后將工件翻面，再加工另一半球，獲得珠球坯。創(chuàng)新點是：用數(shù)控鏤銑方法實現(xiàn)珠球自動加工。

根據(jù)鏤銑特點設計了兩種加工方式：成型刀加工，通用平底尖刀加工[9]。

加工工序分為：備料、設計、加工。

備料：工件為實木板材，樹種選擇密度大于0.8g/cm3的花梨木、紅酸枝和檀木等。工件厚度要比珠球直徑大0.5mm，以留出打磨余量。工件可以是“順紋理”或“垂直紋理”、矩形或不規(guī)則的板料。本試驗采用矩形板料。

設計：采用CAM軟件ARTCAM來設計和生成數(shù)控G代碼。該軟件功能強大，可以設計各種浮雕和矢量圖形，并可產(chǎn)生多種刀具路徑的二維/三維數(shù)控G代碼[10]。

加工：使用北京某公司出品的JD6090型雕刻機。加工時，將G代碼輸入雕刻機，緊固工件，對刀，進行加工。珠球鏤銑是將兩次半球加工合成，還需要換刀，因此對刀、定位要精準，誤差要小于±0.2mm，否則兩半球就會錯位過大，影響加工質(zhì)量。

2 成型刀試驗

加工球形珠的型刀有半圓弧狀的刀刃，可根據(jù)需要安裝中心鉆頭。該型刀下切一次可加工出半球，并可以同時打孔，效率較高。以加工15mm直徑珠球為例：準備厚度15.5mm的板料試材；采用15mm直徑的成型刀，其加工半球直徑為15.5mm，外徑為17mm。加工流程為：

規(guī)劃 → 設計 → 加工

規(guī)劃：根據(jù)板料尺寸安排出珠數(shù)量，使原料出珠最多。經(jīng)試驗，刀具最小間隔可為1mm。

設計：由工件尺寸規(guī)劃出珠數(shù)，先用ARTCAM“助手”的“矢量工具”功能產(chǎn)生矢量圓，再產(chǎn)生圓陣列，最后在刀具路徑欄中選擇“鉆孔”功能，設置合適參數(shù)后產(chǎn)生加工G代碼。需要產(chǎn)生2個數(shù)控G代碼文件：

1、帶鉆頭型刀代碼（加工深度16mm，其中半球為7.75mm，鉆深為16mm。)

2、無鉆頭型刀代碼（加工深度為7.75mm）

需要說明的是：工件厚度存在偏差，數(shù)控編程的加工深度應以實際板厚為準作微調(diào)，以保證珠球直徑為15.5mm。例如，工件實際厚度為15.7mm時，兩半球的加工深度要分別設定為7.85mm+7.85mm=15.7mm或7.75mm+7.95mm=15.7mm。

加工：緊固工件、對刀，先用帶鉆頭型刀在工件一面加工半球；然后將工件翻面、緊固、定位、換用無鉆頭型刀、對刀，在工件另一面加工出另外半球。

工件可以用平口鉗或壓板緊固。在用壓板緊固且工件無裝卡余量時，可以先緊固工件一半，加工另一半；再緊固已加工一半，加工剩余一半。

翻面后換用無鉆頭型刀加工的原因是：無鉆頭型刀沒有中心鉆，不會將脫落的珠球串在刀具上帶出，可以順利地連續(xù)自動加工。

對不同硬度木材應采用不同的加工速度：硬度大時，采用較低速度；硬度較小時，采用高速。

成型刀設計、加工過程如圖1示意。

3 通用刀試驗

選用直徑3mm，刀尖角為20°，平底刃寬為0.5mm的通用平底尖刀，以加工20mm直徑珠球為例。試材為厚度20.5mm的實木板料。加工流程為：

規(guī)劃 → 設計 → 加工

規(guī)劃：根據(jù)板料尺寸安排出珠數(shù)量，使原料出珠最多。經(jīng)分析和試驗，珠球最小間隔可為1mm。

設計：根據(jù)原料尺寸，先用“助手”中的“矢量工具”產(chǎn)生矢量圓，再產(chǎn)生圓陣列，最后用“形狀編輯”產(chǎn)生半徑為10.25mm的半球浮雕。完成浮雕后，選擇“加工浮雕”、“自動邊界”、選用平底尖刀，生成G代碼。需要產(chǎn)生3個數(shù)控G代碼文件：

1、加工半球代碼（加工深度9.25mm）

2、鉆孔代碼（加工深度21.0mm)

3、切割代碼(加工深度11.25mm，設置“橋”功能：橋長1.5mm，橋厚2mm。）

正反面半球加工后，珠球坯與工件還有2mm厚度相連，代碼3就是用來進一步切掉相連的部分。而用“橋”功能是讓珠球坯與工件未被完全切斷，有幾處殘留，加工后不會掉落；如果珠球被切落成自由狀態(tài)，運動的刀具就會損壞其表面，造成廢品。

加工：緊固工件，對刀，先在工件一面加工出半球；換鉆頭打孔；然后將工件翻面，緊固、定位、換平底尖刀、對刀，再加工另一面的半球；最后用“切割代碼”加工。

通用刀加工是微量切削，可以采用高速，以提高效率。工件的緊固方式和加工深度的調(diào)整與成型刀相似。

通用刀設計、加工過程如圖2示意。

4 分析與結論

圖3是數(shù)控鏤銑加工的珠球坯經(jīng)打磨/拋光后的樣品。

成型刀和通用刀數(shù)控鏤銑都可以完成珠球加工，為了更清楚地了解其優(yōu)缺點，下表列出各種珠球加工方法優(yōu)缺點的對比。

表1：各種珠球加工方法對比

從加工質(zhì)量看，各種方法加工出的表面粗造度相仿，而圓度相差較大。車床加工因為是一次完成球體加工，在工件穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的條件下，加工出的珠球圓度最優(yōu)；鏤銑和臺鉆加工需要翻面加工，圓度取決于定位精度，在定位偏差±0.2mm內(nèi)，圓度較好；手工制作對技能和經(jīng)驗依賴大，總體看圓度較差。采用通用刀數(shù)控鏤銑有一個優(yōu)點：用尖刀進行微量切削，加工時刀具不會撕裂木材而造成廢品，非常適用于內(nèi)應力大的木材。相比之下，用成型刀加工某些樹種（例如大葉黃花梨）工件時，因切削沖擊過大容易撕裂木材，產(chǎn)生廢品。

從產(chǎn)能看，數(shù)控車床最高，數(shù)控成/型刀鏤銑次之，而數(shù)控通用刀鏤銑最低。考慮到數(shù)控是自動加工，在加工中操作工可以做其他事情，或一個操作工可以照看數(shù)臺設備，則數(shù)控通用刀鏤銑的效能就提高了。

數(shù)控通用刀鏤銑因為用直徑3mm的平底尖刀，最省原料；對直徑8mm至25mm的珠球，其間距最小可為1mm，而其他方法珠球間距都必須更大。例如，對直徑15mm的珠球，成型刀外徑為17mm，刀具間隔最少需要1mm，則珠球間距最少要3mm；對直徑20mm的珠球，成型刀外徑為25mm，刀具間隔最少需要1mm，則珠球間距最少要6mm。珍貴木材往往直徑小、彎曲、截面形狀不規(guī)則，而鏤銑使用板材原料，可以將原木橫向鋸解成圓盤進行珠球鏤銑加工，可以有效地利用原料。車床加工因為要將木材預先加工成通直的棒材（方形或圓形截面），不能有彎曲、開裂等缺陷，因此費料且對原料質(zhì)量要求高。

從設備投資看，數(shù)控加工最大，需要購置機床和刀具、夾具等必要附件，而手工和臺鉆加工投資最小，只需要臺鉆、手電鉆和刀具即可。

數(shù)控方法加工的珠球尺寸精度高，粗造度小，質(zhì)量穩(wěn)定，而手工或臺鉆加工因為是人工操作，技能、經(jīng)驗等因素可能導致質(zhì)量不穩(wěn)定。

需要提及的是，使用不同形狀的型刀或設計相應的浮雕，數(shù)控鏤銑方法可以加工出其他形狀的珠球或佛塔。

實驗證明，采用數(shù)控鏤銑能夠加工出質(zhì)量良好的珠球坯，為珠球加工提供了新方法。業(yè)產(chǎn)業(yè),2014,(8):74-75.

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Research on Beads Process with CNC Router

The processing of beads with solid wood board is hand operation which ef f ciency is low, and the quality is not stable. In this paper, the technology has been summed up based on the CNC router tests of beads process w ith hardwood boards. The CNC router processing tests using shaping cutter and general conical f at cutter has obtained the good results. The advantages and disadvantages of various beads processing methods ware compared and analyzed. Results showed that CNC routing is a new practical automatic processing method for beads.

Beads/Bracelets; CNC Router; Shaping Cutter; Conical Flat Cutter

TS664.01；TS657

A

1006-8260(2015)08-0030-03

10.16771/j.cnki.cn43-1247/ts.2015.08.007

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（編號：201204702）

王為宣,江俊諳,劉渝.佛珠/手串珠數(shù)控鏤銑加工研究[J].家具與室內(nèi)裝飾,2015,(08):30-32.

賀 輝）