小徑柚木數(shù)控雕刻加工性能及影響因素研究*

張宏玉 黃瓊濤 鐘世祿

（1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037； 2.宜華生活科技股份有限公司，汕頭 515834)

柚木（Tectona grandis L. F.）材質(zhì)硬度適中，色澤紋理美觀，耐磨損，耐腐蝕，主要用于高級鋼琴風(fēng)琴外殼、工藝美術(shù)雕刻和高檔家具制造等，因其具有抗化學(xué)試劑特性，也被用于制作化學(xué)工業(yè)用箱桶等，其素有“木材之王”的美譽(yù)，備受人們青睞[1-4]。我國無天然柚木林，且柚木人工林資源稀少，在東南亞國家禁止珍貴木材出口后，柚木資源短缺問題日益突顯。小徑柚木（小徑級速生人工林柚木）培育周期短，出材快，與天然柚木林的材性相近，很可能成為未來柚木商品材的主力軍[5-6]。

目前國內(nèi)家具市場上，柚木主要用于制作明清古典家具和新中式家具。其中明清古典家具以雕刻為主要裝飾手法，同時(shí)通過雕刻吉祥紋樣點(diǎn)綴裝飾，表達(dá)人們美好的祝愿。此外，雕刻也是攢門、鑲嵌等裝飾工藝的前期處理方式[7-14]，因此小徑柚木數(shù)控雕刻性能研究至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外對影響數(shù)控雕刻加工性能的研究主要包括刀具、起刀點(diǎn)的選擇調(diào)整及刀位優(yōu)化[15-19]、加工軌跡及加工方式精細(xì)方案的整合[20]、規(guī)劃并優(yōu)化加工路徑[21-25]等。由于木材的主要成分是纖維素、木質(zhì)素和半纖維素，具有各向異性和干縮濕脹特性[26]，因此研究其數(shù)控雕刻加工性能還應(yīng)考慮木材自身的材質(zhì)特性。

選取市場上明清古典家具常用紋樣為變量，采用單因素試驗(yàn)法從以下兩個(gè)方面探究小徑柚木數(shù)控雕刻加工性能的影響因素，以期為雕刻過程中木材起毛問題提供理論支撐：

1）結(jié)合“上坡起毛”規(guī)律，采用小線段擬合曲線的方法，將曲線紋樣分解為若干直線線條，分析紋樣線條與木材紋理方向所成角度對數(shù)控雕刻加工性能的影響。

2）結(jié)合“切削起毛”規(guī)律，研究刀具主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和木材有效切削作用力的相互關(guān)系，以刀具主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度的參數(shù)配比為變量，探究其對數(shù)控雕刻加工性能的影響，以期找到提高雕刻性能的突破口，全面推進(jìn)小徑柚木家具制造集成技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料

小徑柚木：產(chǎn)于云南省西雙版納，樹齡15～20 年，平均直徑143 mm。試驗(yàn)板件尺寸為300 mm×200 mm× 15 mm（電視柜門芯板尺寸）實(shí)木拼板（實(shí)際生產(chǎn)中一般實(shí)木板料為拼接制得），氣干密度為0.54 g/cm3，含水率為15%左右（廣東地區(qū)木材平衡含水率，誤差控制在±1%）。

1.2 設(shè)備

精雕機(jī)為杰臣1318，精雕控制系統(tǒng)為維宏NC Studio，精雕刀具為廣州樺銳刀具有限公司生產(chǎn)的錐度平底刀（JD-30-0.3，錐度30°，底直徑0.3 mm)，制圖軟件為北京精雕JDPaint5.21，刀具路徑轉(zhuǎn)NC加工代碼軟件為諾誠NC轉(zhuǎn)換器NC Converter。

1.3 質(zhì)量評價(jià)

1）手觸摸及氣槍吹不掉的木材毛屑被認(rèn)為起毛。

2）根據(jù)對后續(xù)手工磨砂的難易程度及消耗時(shí)長進(jìn)行質(zhì)量等級評定，分別為1 級、2 級、3 級、4 級、5級，質(zhì)量等級逐級遞增[21]。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 數(shù)控雕刻加工性能探究試驗(yàn)（試驗(yàn)1）

雕刻紋樣：選用市場上明清古典家具常用雕刻紋樣，包括四君子（梅、蘭、竹、菊）、荷花、牡丹、山水人物、如意龍紋、云鳳紋及幾何紋，共10 種雕刻紋樣，每種紋樣試驗(yàn)雕刻樣本為5 個(gè)。

試驗(yàn)條件：1）為避免刀具對試驗(yàn)結(jié)果造成影響，試驗(yàn)用刀具為新刀，保證鋒利程度；2）刀具運(yùn)動方向與木材紋理方向成90°角，此時(shí)雕刻質(zhì)量最好[27]；3）每種雕刻試驗(yàn)紋樣的刀具路徑制作參數(shù)一致；4）刀具主軸行進(jìn)速度6 000 mm/min，刀具主軸轉(zhuǎn)速24 000 r/min。

試驗(yàn)方案參數(shù)：1）采用曲面精加工方法，平行截線（精）的走刀方式；2）刀具的路徑間距為0.11 mm；3）加工進(jìn)給倍率為70%[28]。

1.4.2 紋樣線條與木材紋理方向成角試驗(yàn)（試驗(yàn)2）

雕刻紋樣： 30 mm（長）×6 mm（寬）×3 mm（深）的半圓直線段，以3°為間隔，圓形陣列（如圖1 所示），圖形總尺寸為250 mm×250 mm，每個(gè)試驗(yàn)樣本數(shù)為5 個(gè)。

圖1 紋樣線條與木材紋理方向所成角度雕刻紋樣Fig.1 The angles between the lines and wood grain of carving patterns

試驗(yàn)條件：1）為避免刀具對試驗(yàn)結(jié)果造成影響，試驗(yàn)用刀具為新刀，以保證鋒利程度；2）兩種加工方式：刀具運(yùn)動方向與木材紋理方向平行和垂直；3）刀具主軸行進(jìn)速度6 000 mm/min，刀具主軸轉(zhuǎn)速24 000 r/min。

試驗(yàn)方案參數(shù)：1）采用曲面精加工方法，平行截線（精）的走刀方式；2）刀具路徑間距為0.11 mm；3）加工進(jìn)給倍率為70%[28]。

1.4.3 刀具主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度參數(shù)試驗(yàn)（試驗(yàn)3）

雕刻紋樣：為縮短試驗(yàn)時(shí)間，將圖1 紋樣的圖案縮小至初始圖案的一半，仍為半圓直線段，以3°為間隔，圓形陣列，圖形總尺寸為125 mm×125 mm，每個(gè)試驗(yàn)樣本數(shù)為5 個(gè)。

試驗(yàn)條件同試驗(yàn)2。

試驗(yàn)方案參數(shù)：1）曲面精加工，平行截線（精）的走刀方式；2）刀具路徑間距為0.11 mm；3）加工進(jìn)給倍率為10%。

2 結(jié)果與分析

2.1 加工性能分析

2.1.1 雕刻紋樣對加工質(zhì)量的影響

雕刻試驗(yàn)效果如圖2 所示，經(jīng)評分定級，質(zhì)量等級結(jié)果如表1 所示。結(jié)合圖表分析可知，10 種雕刻紋樣的雕刻樣本得分一致，平均為3，這說明：1）小徑柚木數(shù)控雕刻性能為3 級，處于中等水平；2）不同種雕刻紋樣對雕刻質(zhì)量無明顯影響，小徑柚木數(shù)控雕刻質(zhì)量與雕刻紋樣種類無關(guān)，與自身材性有關(guān)。

圖2 10 種雕刻紋樣雕刻效果Fig.2 Ten kinds of carving patterns

表1 雕刻質(zhì)量評級結(jié)果Tab.1 Carving quality rating results

2.1.2 數(shù)控雕刻加工質(zhì)量

小徑級速生柚木心材和邊材區(qū)分明顯，心材顏色深呈黃褐色，邊材顏色淺呈淡黃色至白色。由于其導(dǎo)管粗且邊材質(zhì)地較心材疏松，加工過程中易出現(xiàn)毛刺（圖3所示），但因小徑柚木木材相對質(zhì)硬，這種平面毛刺的磨砂工作相對容易，而紋樣線條上產(chǎn)生的毛刺細(xì)小，且需注意保護(hù)紋樣的美感與尺度，操作更繁雜，后續(xù)人工磨砂工作量較大。

圖3 平面部位雕刻加工起毛Fig.3 Plane parts carving processing fuzzy

2.1.3 數(shù)控雕刻加工規(guī)律

1）“上坡起毛”規(guī)律：10種雕刻紋樣，30個(gè)雕刻樣本的雕刻均出現(xiàn)相同的起毛現(xiàn)象，即以NC加工代碼y軸正軸方向?yàn)橐暰€基準(zhǔn)方向，紋樣線條左側(cè)從最低點(diǎn)到最高點(diǎn)的上坡階段出現(xiàn)起毛現(xiàn)象，紋樣線條右側(cè)從最高點(diǎn)到最低點(diǎn)的下坡階段相對光滑，且紋樣不同部位起毛程度不均，如圖4為“上坡起毛”現(xiàn)象的局部示意圖。

2）“切削起毛”規(guī)律：10 種雕刻紋樣，30 個(gè)雕刻樣本的雕刻過程中，均出現(xiàn)相同的刀具切削現(xiàn)象，即從NC加工代碼x軸坐標(biāo)值從0 →最大值時(shí)（從左→右加工時(shí)），雕刻部位出現(xiàn)毛刺立在雕刻基面上，從NC加工代碼x軸坐標(biāo)值從最大值→0 時(shí)（從右→左加工時(shí)），雕刻部位無毛刺立于雕刻基面，如圖5 所示。

圖5 切削起毛規(guī)律Fig.5 Cutting fuzz regularity

2.2 影響因素分析

2.2.1 紋樣線條與木材紋理方向所成角度對雕刻性能的影響

圖6 刀具運(yùn)動方向與木材紋理方向垂直（試驗(yàn)2）Fig.6 The direction of tool motion is perpendicular to the grain

圖7 刀具運(yùn)動方向與木材紋理方向平行（試驗(yàn)2）Fig.7 The direction of tool motion is parallel to the grain

雕刻試驗(yàn)結(jié)果如圖6、7 所示。結(jié)果表明：1）刀具運(yùn)動方向與木材紋理方向垂直，紋樣線條與木材紋理方向所成角度為60°～120°時(shí)雕刻面相對光滑，0°～60°時(shí)上坡起毛程度逐漸減弱，120°～180°時(shí)上坡起毛程度逐漸增強(qiáng)；2）刀具運(yùn)動方向與木材紋理方向平行，紋樣線條與木材紋理方向所成角度為135°～180°時(shí)雕刻面相對光滑，0°～135°時(shí)上坡起毛程度逐漸減弱。這說明加工方式不同，紋樣線條與木材紋理方向所成角度不同，雕刻質(zhì)量也不同，同時(shí)也是“上坡起毛”規(guī)律中紋樣不同部位起毛程度不均的根本原因。

2.2.2 刀具主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度參數(shù)配比對雕刻性能的影響

雕刻試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的“切削起毛”規(guī)律與刀具在單位距離上切削木材的次數(shù)有關(guān)。小徑柚木是闊葉材，木纖維占比為50%，直徑范圍為0.01～0.05 mm[26]，則：

1）刀具運(yùn)動方向與木材紋理方向垂直，從左→右加工時(shí)，刀具主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為24 000 r/min （400 r/s），進(jìn)給倍率70%（6 000 mm/min×0.7=70 mm/s），即每0.175 mm的行進(jìn)距離上，刀刃會切削木材1 次，而理論上每0.175 mm的距離上有1.75～8.75 根木纖維需被切割斷，說明此時(shí)會有部分木纖維未被完全有效切割，這些未被有效切割的木纖維被刀具拖走拉斷并產(chǎn)生毛刺。從右→左加工時(shí)，未被有效切割的木纖維被刀具強(qiáng)制折斷產(chǎn)生毛刺，進(jìn)而形成起毛現(xiàn)象。雖然右→左加工比左→右加工看起來較光滑，且無毛刺立在雕刻基面上，但實(shí)際上兩種方式均會起毛，只是左→右加工木纖維是被拉斷，而右→左加工木纖維是被折斷。同理，刀具主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為24 000 r/min （400 r/s），進(jìn)給倍率10%（6 000 mm/min×0.1=10 mm/s），即刀具每0.025 mm的行進(jìn)距離上切削木材一次，此段距離上有0.25～1.25 根木纖維，此時(shí)木纖維可被完全切割斷（如圖8 所示），拋開木材自身導(dǎo)管因素，可認(rèn)為幾乎沒有起毛現(xiàn)象。這說明，刀具運(yùn)動方向與木材紋理方向垂直時(shí)，若選擇合適的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度參數(shù)，刀具能將木纖維完全切割斷，可避免起毛現(xiàn)象發(fā)生。

圖8 刀具運(yùn)動方向與木材紋理方向垂直（試驗(yàn)3）Fig.8 The direction of tool motion is perpendicular to the grain

2）刀具運(yùn)動方向與木材紋理方向平行，從左→右加工時(shí)，切削掉的木材呈刨花狀；從右→左加工時(shí)，切削掉的木材呈木屑狀。進(jìn)給倍率為70%時(shí)（如圖7 所示），紋樣雕刻處因木纖維未被完全切割而被拉斷，出現(xiàn)大量木毛，還有部分刨花未被完全切割掉仍掛在木材上，且加工過程中產(chǎn)生的刨花容易纏繞刀具，使刀具斷蹦；進(jìn)給倍率為10%時(shí)，紋樣雕刻處相同的行進(jìn)距離切削次數(shù)增多，但因其類似刨切切削，仍有部分木纖維未被完全切割而被拉斷，產(chǎn)生木毛（如圖9 所示），但較圖7 有改善。這說明，刀具運(yùn)動方向與木材紋理方向平行時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度參數(shù)搭配合適能降低木材起毛程度，但無法避免。

圖9 刀具運(yùn)動方向與木材紋理方向平行（試驗(yàn)3）Fig.9 The direction of tool motion is parallel to the grain

3 結(jié)論

1）小徑柚木大部分力學(xué)性能處于中等水平[5]，可用于制作明清古典家具雕刻部件，但其自身導(dǎo)管粗糙與邊材質(zhì)地疏松導(dǎo)致加工過程易出現(xiàn)毛刺，雕刻質(zhì)量略差，后續(xù)人工磨砂工作量大，機(jī)雕性能水平中等。

2）加工方式的選擇很重要，無特殊情況下，刀具運(yùn)動方向應(yīng)與木材紋理方向垂直，此時(shí)加工質(zhì)量良好且安全。

3）“上坡起毛”是小徑柚木在CNC雕刻過程中的主要起毛規(guī)律。若生產(chǎn)中不具備將主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度參數(shù)搭配調(diào)整到合適的條件，則精雕作圖時(shí)應(yīng)盡量避免起毛嚴(yán)重的線條角度，后續(xù)磨砂時(shí)也應(yīng)根據(jù)“上坡起毛”規(guī)律，注意側(cè)重對紋樣線條左側(cè)磨砂修整。

4）“切削起毛”是小徑柚木在雕刻過程中出現(xiàn)起毛現(xiàn)象的根本原因，主要影響因素是主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度配比參數(shù)。鑒于實(shí)際生產(chǎn)加工過程中進(jìn)給速度過低會嚴(yán)重影響產(chǎn)量，拉低經(jīng)濟(jì)效益，因此建議在安全合理的范圍內(nèi)將主軸轉(zhuǎn)速適當(dāng)提高，同時(shí)適當(dāng)降低進(jìn)給速度。按上述方法計(jì)算，木纖維可被有效切割時(shí)，即得到合適的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度搭配參數(shù)。