利用數(shù)控加工凸顯實(shí)木特征的實(shí)踐

■江俊諳 韓 揚(yáng) 覃琬云 劉 渝

(北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

利用數(shù)控加工凸顯實(shí)木特征的實(shí)踐

■江俊諳 韓 揚(yáng) 覃琬云 劉 渝

(北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

本文利用落葉松圓盤和速生楊木板進(jìn)行了特殊數(shù)控加工實(shí)踐。通過實(shí)木特征元素提取、創(chuàng)意主題開發(fā)、圖像處理、浮雕處理、數(shù)控定位和加工等步驟，獲得了“南國田韻”等具有藝術(shù)韻味的樣品。創(chuàng)意和所采用的方法步驟可以為家具和裝飾業(yè)有關(guān)紋樣和藝術(shù)加工參考。

實(shí)木特征；藝術(shù)元素；數(shù)控加工

1 前言

我國已逐步成為家具制造大國，規(guī)模大、品種多。但人們已不僅僅滿足于對(duì)家具的功能需求和一般的視覺美感，而是越來越多地將家具的美感上升為藝術(shù)的高度，并且追求個(gè)性，注重體驗(yàn)與眾不同的家具產(chǎn)品。家具表面裝飾的雕刻紋樣是表達(dá)設(shè)計(jì)者思想的一個(gè)重要途徑，是家具整體美感與質(zhì)感的重要因素。傳統(tǒng)的人工雕刻可以達(dá)到較高的藝術(shù)價(jià)值，但昂貴的用工成本和低效率的生產(chǎn)方式不能滿足龐大消費(fèi)群體的需求，且不利于生產(chǎn)管理與質(zhì)量的控制。利用數(shù)控雕刻機(jī)制作家具和裝飾品的浮雕紋樣，具有較高的速度和精度，是代替手工雕刻的最佳方式。目前使用數(shù)控雕刻機(jī)雕刻的某些家具作品，往往顯得外表生硬，與家具整體不甚協(xié)調(diào)，其藝術(shù)性大打折扣。究其原因，筆者認(rèn)為在圖案和紋樣的選擇與創(chuàng)作中，缺乏對(duì)木材本身的關(guān)注，將圖案與紋樣生硬的呈現(xiàn)于家具表面，不僅沒起到藝術(shù)升華的效果，反而破壞了木材原有的自然美感。

本文試圖從木材自身的美學(xué)元素找到突破口，嘗試?yán)媚静哪贻啞⒐?jié)子等外觀特征，加以藝術(shù)性創(chuàng)作，借助數(shù)控加工手段，使實(shí)木雕刻作品與自然或人文景觀產(chǎn)生某種聯(lián)系，且作品與所使用木材特征相融相通，達(dá)到提高其整體藝術(shù)性的目的。

2 實(shí)木數(shù)控加工簡(jiǎn)述

數(shù)控加工具有高精度、高速度、高質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在各行各業(yè)包括木材加工業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用，是家具制造向網(wǎng)絡(luò)化制造發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1]。數(shù)控雕刻（鏤銑）機(jī)是木材加工應(yīng)用最多的數(shù)控設(shè)備，也是本文所采用的設(shè)備。其構(gòu)造特點(diǎn)是有一個(gè)水平面工作臺(tái)（為x和y軸），至少有一個(gè)可以垂直運(yùn)動(dòng)的銑削刀頭（z軸），形成三軸數(shù)控聯(lián)動(dòng)，可以完成二維/三維數(shù)控加工。目前為配合數(shù)控雕刻加工出現(xiàn)了多種CAD/CAM軟件，如Artcam、MastercamARt、Casmate等。以Artcam軟件為例，可以完成數(shù)控建模、浮雕生成、數(shù)控代碼生成等功能。數(shù)控雕刻機(jī)采用小刀具高速雕刻技術(shù)，可以對(duì)木材進(jìn)行精雕細(xì)琢，雕刻表面粗糙度度小；數(shù)控雕刻機(jī)采用精密的高速主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有高精度、高速恒功率、低振動(dòng)等特點(diǎn)，從而保證刀具能保持在較高的旋轉(zhuǎn)精度，減少跳動(dòng)，進(jìn)一步保證成品的精度[2-3]。

數(shù)控雕刻加工可以同時(shí)進(jìn)行x、y、z三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控運(yùn)動(dòng)，對(duì)實(shí)木工件而言，就會(huì)產(chǎn)生順紋、橫紋和介于兩者之間的切削，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生順銑和逆銑切削[4]。然而實(shí)木有各向異性的特點(diǎn)，數(shù)控加工時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)措施以保證加工質(zhì)量。例如，對(duì)楊木之類密度較小的樹種，在順纖維逆銑時(shí)會(huì)因刀刃割不斷木纖維而發(fā)生“起毛”現(xiàn)象，造成廢品。因此，在數(shù)控加工時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)合理的刀具路徑代碼，避免刀具順纖維逆銑影響加工質(zhì)量。

3 基于數(shù)控技術(shù)的實(shí)木特征加工

木材自身的美學(xué)元素十分豐富，如色澤、節(jié)子、樹丫、年輪和樹瘤等，都具有自然的美感，如今針對(duì)這些元素進(jìn)行數(shù)控藝術(shù)創(chuàng)作還較少[5]。利用現(xiàn)有的數(shù)控雕刻技術(shù)，融合木材本身的一些外觀特征對(duì)木材進(jìn)行雕刻加工，可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的藝術(shù)效果。

3.1 實(shí)木年輪特征樣品加工

原木橫截面上，年輪是由一些近似同心的早晚材圓環(huán)組成，其顏色深淺交替變化給人以流暢、井然、輕松、自如的感覺[6]。在生理學(xué)上，木材年輪沿徑向的變化節(jié)律暗合人體生物鐘漲落節(jié)律。圖1是落葉松圓盤，是年輪早晚材區(qū)分清晰的樹種之一，因此選作試材。其早晚材組成的年輪代表了其生長過程，其中蘊(yùn)含了豐富的氣候、土壤等多種自然因素的作用，象征著時(shí)間、生命的歷程。年輪的節(jié)律特征使人浮想聯(lián)翩，產(chǎn)生了將之結(jié)合自然和人文景觀進(jìn)行創(chuàng)作的沖動(dòng)。

圖2是樣品之一，命名為《落葉圣壇》。

作品以黃河圣壇為設(shè)計(jì)原型：落葉松年輪依次層降，代表著歷史的廣遠(yuǎn)和凝重，圣壇的升起，代表著莊嚴(yán)和神圣。作品以小見大，詮釋了時(shí)間、空間和歷史、人與自然的相互依存。

■圖1 落葉松圓盤

■圖2 落葉圣壇

■圖3 南國田韻

■圖4 嫦娥奔月

圖3是樣品之二，命名為《南國田韻》。以南方丘陵或山區(qū)的梯田景觀作為創(chuàng)作原型：一個(gè)年輪模擬一層梯田，層層迭次，代表著人們一代又一代辛勞而智慧的耕耘，也代表著人類與自然的融合。該樣品借助信息處理和數(shù)控加工，凸顯出年輪特征，將景觀抽象地塑造出來，成為造型藝術(shù)的一種新嘗試。

加工步驟：①將落葉松圓盤橫截面用掃描儀掃描為數(shù)字圖像信息；②運(yùn)用ArtCAM軟件對(duì)圓盤圖像進(jìn)行處理，每個(gè)年輪獲得一個(gè)相吻合的矢量圓圈；③按設(shè)計(jì)將各個(gè)矢量圓圈設(shè)置為不同高度的矢量塊，形成浮雕；④將浮雕轉(zhuǎn)換為數(shù)控代碼；⑤將代碼輸入數(shù)控雕刻機(jī)進(jìn)行加工。加工時(shí)，由于浮雕與工件年輪必須精確吻合，因此刀具的定位十分重要。處理方法是：①在工件上做出標(biāo)記，大致確定位置；②挑選一個(gè)典型的年輪矢量形成數(shù)控代碼，使刀尖在工件表面按該年輪運(yùn)動(dòng)，同時(shí)調(diào)整工件位置，直至矢量代碼驅(qū)動(dòng)的刀刃運(yùn)動(dòng)與工件上該年輪完全吻合，完成定位。

3.2 實(shí)木節(jié)子與紋理特征樣品加工

節(jié)子是木材生長過程中產(chǎn)生的一種缺陷，但有時(shí)將這種缺陷巧妙利用并經(jīng)過一定的處理，也可以形成獨(dú)特的外觀，給人以耳目一新的感覺。我們采用速生楊木，將板材原有的節(jié)疤融合到數(shù)控雕刻機(jī)加工的作品中，起到“點(diǎn)石成金”的作用。

嫦娥奔月這一作品（如圖4），巧借速生楊木上的節(jié)子代表“月亮”這一元素。“節(jié)子”這一自然元素，為浮雕增添了生動(dòng)的氣息，仿佛作品“因木而生”。同時(shí)，利用天然木紋作為背景，產(chǎn)生猶如仙氣繚繞的升天場(chǎng)景，將回首嫦娥刻畫得栩栩如生。

加工步驟：①用繪圖軟件設(shè)計(jì)出奔月圖，不同部分填充以不同顏色，以便于產(chǎn)生浮雕；②利用ArtCAM軟件功能產(chǎn)生浮雕；③將浮雕轉(zhuǎn)換為數(shù)控代碼；④將代碼導(dǎo)入數(shù)控雕刻機(jī)完成加工。加工時(shí)按尺寸比例使工件上表示月亮的節(jié)子與浮雕正確定位，實(shí)現(xiàn)整體構(gòu)圖。由于速生楊木密度低，采用普通順紋加工會(huì)因刀刃在逆銑時(shí)割不斷木纖維出現(xiàn)“拉毛”現(xiàn)象，嚴(yán)重影響浮雕質(zhì)量。本例加工中采用了螺旋加工路徑，即刀具在x、y平面的運(yùn)動(dòng)近似為同心圓（阿基米德螺旋線），避免了順紋逆銑，有效地防止了“拉毛”，保證了加工質(zhì)量。

4 結(jié)語

木材自身的美學(xué)元素是大自然的藝術(shù)結(jié)晶，試驗(yàn)證明，將實(shí)木紋理、節(jié)子等特征作為素材，融合到雕刻創(chuàng)作中，可以提升作品藝術(shù)氣息，為家具與裝飾品進(jìn)行數(shù)控雕刻創(chuàng)作提供了新的思路和方法。自然元素經(jīng)過圖像信息化以后，由數(shù)控軟件和數(shù)控加工進(jìn)行進(jìn)一步的凸顯、塑造，被賦予了新的藝術(shù)含義，自然與科技的結(jié)合使實(shí)木特征綻放出了獨(dú)特的魅力。

（責(zé)任編輯：賀 輝）

[1]毛慧.數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化[J].家具與室內(nèi)裝飾,2005,(04):90-92.

[2]陳珊.家具雕刻零件的結(jié)構(gòu)特征分析與數(shù)控加工工藝研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2007:5.

[3]劉培義.數(shù)控雕刻技術(shù)在家具生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].林產(chǎn)工業(yè),2012,39,(01):48-50.

[4]李黎,楊永福等.家具及木工機(jī)械[M].北京:中國林業(yè)出版社,2002.

[5]劉齊梅,羅建舉.木材美學(xué)在家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].家具與室內(nèi)裝飾,2012,(02).

[6]吳祥定等.樹木年輪與氣候變化[M].北京:氣象出版社,1990.

Practice of Using CNC Machining to Highlights Wood Characteristics

Jiang Junan & Han Yang & Yan Wanyun & Liu Yu

This essay explained the special processing of solid wood using CNC machine in order to emphasize characteristics of original wood. The specimen including are Larch and Cottonwood. Through extracting wood elements, developing creative theme, image processing, relief processing, CNC positioning and other steps of processing, the works named “The charm of paddy fi eld in the south " and some others were obtained fi nally with artistic charm. It is suggested that this idea and method can be used in furniture and decoration industry as reference for patterns and artistic processing.

Wood Characteristics; Artistic Elements; CNC Machining

TS664.0

A

1006-8260(2014)11-0018-02

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（編號(hào)：201204702）