佛珠/手串珠数控镂铣加工研究

■王为宣 江俊谙 刘 渝 Wang Weixuan & Jiang Junan & Liu Yu

(1.2.3.北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083）

佛珠/手串珠数控镂铣加工研究

■王为宣1江俊谙2刘 渝3Wang Weixuan1& Jiang Junan2& Liu Yu3

(1.2.3.北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083）

实木板材加工佛珠/手串珠都是手工操作，效率低，质量不稳定。本文通过对花梨木、酸枝木和檀木等实木板材数控镂铣加工珠球的试验，总结出了加工工艺。试验中采用了成型刀和通用平底尖刀两种镂铣加工方法，都获得了良好结果。对各种珠球加工方法的优缺点进行了对比分析，结果表明，数控镂铣是一种新的实用的珠球自动加工方法。

佛珠/手串；数控镂铣机；成型刀；平底尖刀

数千年来，佛珠一直是佛门的必备品，而今已不限佛门而延伸至普通人群，变成了一种常见的饰品[1,2]。根据资料，国内佛珠/手串的年产值已达十数亿元人民币[3]。佛珠/手串可以采用金属、石材、骨材、果核、竹材、木材等多种材料制作，其中木材以其优质树种多、纹理和色泽及气味丰富多样、量大而应用最多[4-6]。

实木手串珠的加工可以分为备料、珠球坯加工、打磨/抛光。总结现有的珠球坯加工方法，有手工制作、台钻加工、普通车床加工和数控车床加工[7,8]。这些方法中，除数控车床实现了自动加工外，都是人工操作加工。而人工操作存在产量/效率低、质量不稳定、加工成本高等问题。本文在研究试验的基础上提出采用数控镂铣机自动加工实木珠球坯的新方法。

1 试验方案

本试验利用数控镂铣方式加工，与台钻加工方法相似：先将板材工件一面加工出半球，然后将工件翻面，再加工另一半球，获得珠球坯。创新点是：用数控镂铣方法实现珠球自动加工。

根据镂铣特点设计了两种加工方式：成型刀加工，通用平底尖刀加工[9]。

加工工序分为：备料、设计、加工。

备料：工件为实木板材，树种选择密度大于0.8g/cm3的花梨木、红酸枝和檀木等。工件厚度要比珠球直径大0.5mm，以留出打磨余量。工件可以是“顺纹理”或“垂直纹理”、矩形或不规则的板料。本试验采用矩形板料。

设计：采用CAM软件ARTCAM来设计和生成数控G代码。该软件功能强大，可以设计各种浮雕和矢量图形，并可产生多种刀具路径的二维/三维数控G代码[10]。

加工：使用北京某公司出品的JD6090型雕刻机。加工时，将G代码输入雕刻机，紧固工件，对刀，进行加工。珠球镂铣是将两次半球加工合成，还需要换刀，因此对刀、定位要精准，误差要小于±0.2mm，否则两半球就会错位过大，影响加工质量。

2 成型刀试验

加工球形珠的型刀有半圆弧状的刀刃，可根据需要安装中心钻头。该型刀下切一次可加工出半球，并可以同时打孔，效率较高。以加工15mm直径珠球为例：准备厚度15.5mm的板料试材；采用15mm直径的成型刀，其加工半球直径为15.5mm，外径为17mm。加工流程为：

规划 → 设计 → 加工

规划：根据板料尺寸安排出珠数量，使原料出珠最多。经试验，刀具最小间隔可为1mm。

设计：由工件尺寸规划出珠数，先用ARTCAM“助手”的“矢量工具”功能产生矢量圆，再产生圆阵列，最后在刀具路径栏中选择“钻孔”功能，设置合适参数后产生加工G代码。需要产生2个数控G代码文件：

1、带钻头型刀代码（加工深度16mm，其中半球为7.75mm，钻深为16mm。)

2、无钻头型刀代码（加工深度为7.75mm）

需要说明的是：工件厚度存在偏差，数控编程的加工深度应以实际板厚为准作微调，以保证珠球直径为15.5mm。例如，工件实际厚度为15.7mm时，两半球的加工深度要分别设定为7.85mm+7.85mm=15.7mm或7.75mm+7.95mm=15.7mm。

加工：紧固工件、对刀，先用带钻头型刀在工件一面加工半球；然后将工件翻面、紧固、定位、换用无钻头型刀、对刀，在工件另一面加工出另外半球。

工件可以用平口钳或压板紧固。在用压板紧固且工件无装卡余量时，可以先紧固工件一半，加工另一半；再紧固已加工一半，加工剩余一半。

翻面后换用无钻头型刀加工的原因是：无钻头型刀没有中心钻，不会将脱落的珠球串在刀具上带出，可以顺利地连续自动加工。

对不同硬度木材应采用不同的加工速度：硬度大时，采用较低速度；硬度较小时，采用高速。

成型刀设计、加工过程如图1示意。

3 通用刀试验

选用直径3mm，刀尖角为20°，平底刃宽为0.5mm的通用平底尖刀，以加工20mm直径珠球为例。试材为厚度20.5mm的实木板料。加工流程为：

规划 → 设计 → 加工

规划：根据板料尺寸安排出珠数量，使原料出珠最多。经分析和试验，珠球最小间隔可为1mm。

设计：根据原料尺寸，先用“助手”中的“矢量工具”产生矢量圆，再产生圆阵列，最后用“形状编辑”产生半径为10.25mm的半球浮雕。完成浮雕后，选择“加工浮雕”、“自动边界”、选用平底尖刀，生成G代码。需要产生3个数控G代码文件：

1、加工半球代码（加工深度9.25mm）

2、钻孔代码（加工深度21.0mm)

3、切割代码(加工深度11.25mm，设置“桥”功能：桥长1.5mm，桥厚2mm。）

正反面半球加工后，珠球坯与工件还有2mm厚度相连，代码3就是用来进一步切掉相连的部分。而用“桥”功能是让珠球坯与工件未被完全切断，有几处残留，加工后不会掉落；如果珠球被切落成自由状态，运动的刀具就会损坏其表面，造成废品。

加工：紧固工件，对刀，先在工件一面加工出半球；换钻头打孔；然后将工件翻面，紧固、定位、换平底尖刀、对刀，再加工另一面的半球；最后用“切割代码”加工。

通用刀加工是微量切削，可以采用高速，以提高效率。工件的紧固方式和加工深度的调整与成型刀相似。

通用刀设计、加工过程如图2示意。

4 分析与结论

图3是数控镂铣加工的珠球坯经打磨/抛光后的样品。

成型刀和通用刀数控镂铣都可以完成珠球加工，为了更清楚地了解其优缺点，下表列出各种珠球加工方法优缺点的对比。

表1：各种珠球加工方法对比

从加工质量看，各种方法加工出的表面粗造度相仿，而圆度相差较大。车床加工因为是一次完成球体加工，在工件稳定旋转的条件下，加工出的珠球圆度最优；镂铣和台钻加工需要翻面加工，圆度取决于定位精度，在定位偏差±0.2mm内，圆度较好；手工制作对技能和经验依赖大，总体看圆度较差。采用通用刀数控镂铣有一个优点：用尖刀进行微量切削，加工时刀具不会撕裂木材而造成废品，非常适用于内应力大的木材。相比之下，用成型刀加工某些树种（例如大叶黄花梨）工件时，因切削冲击过大容易撕裂木材，产生废品。

从产能看，数控车床最高，数控成/型刀镂铣次之，而数控通用刀镂铣最低。考虑到数控是自动加工，在加工中操作工可以做其他事情，或一个操作工可以照看数台设备，则数控通用刀镂铣的效能就提高了。

数控通用刀镂铣因为用直径3mm的平底尖刀，最省原料；对直径8mm至25mm的珠球，其间距最小可为1mm，而其他方法珠球间距都必须更大。例如，对直径15mm的珠球，成型刀外径为17mm，刀具间隔最少需要1mm，则珠球间距最少要3mm；对直径20mm的珠球，成型刀外径为25mm，刀具间隔最少需要1mm，则珠球间距最少要6mm。珍贵木材往往直径小、弯曲、截面形状不规则，而镂铣使用板材原料，可以将原木横向锯解成圆盘进行珠球镂铣加工，可以有效地利用原料。车床加工因为要将木材预先加工成通直的棒材（方形或圆形截面），不能有弯曲、开裂等缺陷，因此费料且对原料质量要求高。

从设备投资看，数控加工最大，需要购置机床和刀具、夹具等必要附件，而手工和台钻加工投资最小，只需要台钻、手电钻和刀具即可。

数控方法加工的珠球尺寸精度高，粗造度小，质量稳定，而手工或台钻加工因为是人工操作，技能、经验等因素可能导致质量不稳定。

需要提及的是，使用不同形状的型刀或设计相应的浮雕，数控镂铣方法可以加工出其他形状的珠球或佛塔。

实验证明，采用数控镂铣能够加工出质量良好的珠球坯，为珠球加工提供了新方法。业产业,2014,(8):74-75.

[3]刘笑非.小佛珠转动大商机[N].海南日报,2014-11-2(A03).

[4]陈勇,孙德林.重组竹设计表现力浅析[J].家具与室内装饰,2014,(10):66-67.

[5]顾慧康.手串玩物推陈出新[N].上海金融报,2014-11-28(B11).

[6]徐杨,杜祥哲,齐英杰等.浅析木材加工剩余物的利用途径[J].林产工业,2015,42(5):40-44.

[7]曾靖然.木质饰品设计研究[D].湖南:中南林业科技大学,2009.

[8]曾靖然,刘文金.木饰品制造过程中不同树种材料属性与装饰技法的关系[J].家具与室内装饰,2009,(1):102-103.

[9]GB/T 14897-1994.木工刀具术语[S].北京:国家技术监督局,1994.

[10]江俊谙,韩扬,覃琬云等.利用数控加工凸显实木特征的实践[J].家具与室内装饰,2014,(11):18-19.

[1]觉真.佛珠漫谈[J].法音,2 0 0 5,2 53 (9):26-34.

[2]青丝.手串——玩转腕间之物[J].中国林

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

国家林业公益性行业科研专项经费项目（编号：201204702）

王为宣,江俊谙,刘渝.佛珠/手串珠数控镂铣加工研究[J].家具与室内装饰,2015,(08):30-32.

贺 辉）