浅析CNC工艺对于首饰设计的影响

张 猛，周 怡

中国地质大学（北京）珠宝学院，北京 100083

前 言

CNC机床自上世纪50年代发明以来，加入了机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统等各种功能部件，是工业文明发展至今最为成熟的机械加工生产方式之一。其工作原理是将操作指令转译为控制G代码，通过机床CPU控制刀具在机床内部空间进行坐标、路径、指令的转换运作，进行耗材自动化加工。CNC实现了生产数据化，提高了生产效率以及产品的精准度，作为一种成熟的高精度自动化加工方式在医学、航天、精密仪器等众多领域中已得到了广泛的应用[1]。早在十多年前，首饰制造业即开始了对于这一技术应用在首饰制作中的探索。如今CNC技术作为一种首饰加工工艺，已经在珠宝钟表制作加工、情侣对戒加工、贵金属手镯加工中得到了广泛的应用。随着“工业4.0”浪潮的到来，这种自动化加工方式显示了在“智能化工厂”与“智能化生产”方向上所具备的潜在发展空间。面对这一成熟工艺的新兴发展趋势，当代珠宝首饰设计师需要从设计层面转变设计思路，在深入了解工艺的基础上创造出能充分体现工艺特质且具有时代创新性的设计产品。

1 CNC工艺在首饰加工中的应用

随着技术发展，首饰制造业传统的生产方式发生了变革，3D打印与CNC精雕逐渐取代了手工起版方式，极大地提高了工厂的生产效率与资源配比。其中3D打印技术具有强大的造型能力，适用于高级定制产品。但由于现阶段贵金属材料处理尚不成熟，成本价格昂贵，限制了3D打印技术的大规模普及，生产方式以喷蜡倒模为主，工序繁复[2]。相比之下，CNC精细雕刻一次成型，加工中免去倒模、执模等步骤，直接进入镶石、抛光、电镀等后处理环节，提升了首饰的生产效率，降低了生产成本，提高了行业对产品质量与审美的标准。CNC工艺适用于轻奢首饰制作，在首饰制造业中得到广泛应用。且CNC机床种类丰富，包括数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、车铣复合机床以及加工中心等机床种类，基本能够满足当下首饰制造业对于多种材质的加工需求[3]。

1.1 金属材质

CNC工艺是减材加工方式，通过G代码控制刀具行进方式对金属坯料进行车铣。在首饰制造业中，常用五轴精雕机、走心机、数控车床对贵金属材料进行加工处理，在保证精度质量的前提下充分发挥各机床优势，最大化提高生产效率。实际生产过程中，CNC以一体成型、拼接成型和铝模雕刻三种方式制作产品：一体成型方式针对于条形戒指、手镯等外部形态规则的款式，加工方式便捷，在同一机床内完成；拼接成型方式针对于大颗粒宝石镶嵌的款式，通过多台机床独立完成镶口、戒圈、花头等部分，点焊拼接成型；铝模雕刻方式针对于形态各异的款式，通过倒模的方式进行大批量生产。

在当下的首饰制造业中，CNC工艺发展成熟，在工厂内具备细致的分工（如图1）：

（1）车床部门：主要负责戒指、手镯等管状产品的毛坯切割，为铣床提供尺寸适合的原料；

（2）铣床部门（无车花）：对毛坯管材进行雕铣、刻画花纹；

（3）车花部门：应对表面需要特殊肌理效果的产品，同时也可以对毛坯进行雕铣、刻画花纹；

（4）车铣复合部门：同时进行管材加工与精细雕刻，处理单一款式产品的大批量订单；

（5）研发部门：跟进市场需求，进行适合的机床改造和刀具改制，研制新型产品。

图1 CNC工厂组织架构图Fig.1 The chart of CNC factory structure

1.2 宝玉石材质

在首饰制造业中，CNC不仅可以用于贵金属首饰的加工制作，还可对玉石、翡翠、玛瑙等多晶质矿物集合体进行切磨雕刻。玉石的结晶结构以纤维交织结构与显微隐晶质结构为主，具备硬度高、韧性强的宝石学特征，适合以机械半自动化的方式进行加工。

在实际生产中，根据所用玉石种类与所需款式选择CNC机床型号与雕刻方式。具体加工步骤包括排版、编写刀路、开模、开粗、精雕等五个步骤，在雕刻过程中需要进行刀具更换，提升效率与精度。目前市场上小型玉雕机绝大多数可进行平雕、浮雕、圆雕、根雕等雕刻工艺，雕刻产品主要包括牌子、挂件、砚台、小型摆件等，题材丰富，以佛像、人物为主。这类CNC玉雕机大多是四轴机或五轴机，没有雕刻死角，可支持造型繁复的艺术创作，是玉器加工厂在玉石加工中的得力助手。除此之外，数控车床、数控镗孔机床也是玉石加工中的常见设备：数控车床主要用于手镯、桶珠等规则形态的玉石切磨，效率高，造型规整，是中低端翡翠玉石的常见加工方式；数控镗孔机床用于玉石打孔处理，高效便捷的打孔过程满足了市场对于玉石串珠的巨大需求。

2 CNC首饰的特征与发展趋势

CNC首饰是指制造过程中运用到CNC机床进行贵金属部件加工的首饰。这类首饰具备高精细度、高对称性、强机械感的特征。

从款式上看，CNC首饰以规则的几何结构和经过抽象化变形的动植物为主，较少有翻转镂空等自然形态，以避免过度切削降低贵金属出成率。在纹饰方面，依据其形式特征主要可以分为三种类型：一是以点、线、面组合形成的几何图样；二是对于当下流行“IP”的复写刻画；三是结合传统文化，如儒家礼仪、佛教文化等，进行改款再创新。材质选择上，由于CNC工艺对于金属硬度的要求符合贵金属硬度的范围区间，除了对某些特殊的肌理表现需要以合金提高贵金属的硬度以达到预期效果的情况外，市场中黄金、铂金、18k金以及各类银制品都已有涉及。在CNC加工金属成型后，可通过后处理烤漆、电镀、烧珐琅等方式增加产品色彩的丰富度，以达到预期的感官效果。

值得一提的是，CNC工艺的运用为首饰功能结构上的设计提供了极大的发展空间，这对首饰设计在组合拼接、功能化处理方面提出了更高的要求。如今十分常见的“车花片”镶钻工艺，在提高美观性的同时起到了成倍放大钻石的视觉效果。这里的“车花片”是指“钻石式车花镶嵌”工艺。所谓“车花工艺”，简单来说就是以CNC技术切割出不同角度的金属平面，每个平面都以钻石的切割折射面角度来切割，打磨出钻石一样的镜面，呈现钻石一样的折射效果，最终起到放大钻石的目的。这种工艺的精准程度在手工制造时代是难以想象的，设计者正是利用CNC工艺的优势，从产品功能性入手实现了产品结构方面的创新。

伴随中国市场消费结构转型，轻奢首饰的消费群体规模巨大，CNC饰品精细高效，是制造轻奢首饰的最佳选择[2]。如今市场中由CNC工艺加工出的产品已经十分常见，其中，以卡地亚、梵克雅宝、宝格丽等国际大品牌推出的经典款式最具影响力。国内的首饰工厂以高仿产品为主，同时也在尝试对于CNC首饰的设计研发。首饰制造作为一个传统行业，其发展一直与工业进程的发展密不可分。在全球推动工业智能化转型的背景下，各首饰工厂都开始进行生产方式的更新换代。人工智能技术、自动化技术、3D打印技术被运用到生产线的组建当中[4]。CNC工艺与数字化设计模型相对接，成为自动化加工的核心组成。可以预见的是，在“工业4.0”浪潮的推动下，以CNC为代表的自动化生产将成为用以满足未来庞大轻奢首饰市场的最主要生产方式之一[5]。

3 CNC工艺对首饰设计的影响

“艺术”与“技术”相辅相成。科技为艺术提供创新的表达方式，拓展艺术的表现空间，同时技术也需要从艺术中获得启发和生命力。在人类科技逐步走向智能化的过程中，设计自出现以来经历了工艺美术运动、新艺术运动、装饰艺术运动的设计改革尝试之后，最终在包豪斯的发展中找到了新的方向，达到了新的突破，使点、线、面单元素之间的构成组合成为了包括首饰设计在内的许多设计领域的主流创意方法[6]。CNC工艺的成熟应用，适应于首饰设计风格发展的趋势。商业首饰从批量化走向个性化，在降低成本提高竞争力的过程中注重个性化设计体验。CNC工艺作为当下工业化进程中的尖端产物，满足了人们对首饰审美的需求，并且将科技感带入传统的首饰行业中，使其焕发了新的活力[7]。

一方面，CNC工艺使首饰与实用性的结合成为可能。设计的本质是建立人与物之间的某种关系，依层级满足人类对于物品功能、体验以及情感上的诉求。长期以来，首饰更多的是超越前两层级而直接服务于人类情感诉求的产品，而CNC是自动化生产机床，在生产效率上满足实用性工业产品的标准。这使得首饰可以走进人类的日常生活之中，与莫里斯主张的实用美学相契合，突破传统首饰仅满足人类精神世界需求的限制，将“实用”赋予首饰设计中[7]。基于CNC工艺适用于机械零件加工的特点，设计师有充分的空间使首饰产品与实用相结合，对首饰功能结构发掘更多的可能性。从市场的反应中我们也可以看出，例如跳动的“灵动钻石”以及“钻石式车花镶嵌”等款式的推出，都引起了消费者的一致认可[8]。这些以工艺结构为切入点的产品广受喜爱，证明了人们对于实用美学的认可已经不仅存在于建筑、家居、日用生活品等实用产品上，也涵盖了包括珠宝首饰在内的契合人们精神追求的奢侈品之上。这其中，科技珠宝还未展现出应有的市场活力，笔者认为这主要是由于将现实世界的琐碎功能与人们精神世界的自我满足捆绑在一起时，会引起人们的强烈不适，产生抵触的心理。因此科技珠宝的目的并非将科技产品加入珠宝以提升价值这么简单，而是需要找到合适的切入点，使其更好地满足人类对于精神世界的追求。可以预见的是，这一点在5G时代将会解决。同时，利用好CNC工艺的优势，在珠宝产品的外观设计上体现更多的现代感、科技感，让传统的珠宝行业找到符合当代大众审美的发展方向。

图2 “智未来”智能工厂及产品Fig.2 “Future Wisdom”factory and its products

另一方面，CNC工艺为智能化首饰设计系统的构建提供了技术支持。面对“工业4.0”的浪潮，个性化定制必将成为未来首饰行业的主流模式，产品的设计者必须对他所服务的消费者提供有针对性的定制服务。人们思想的解放，导致出现了审美标准的“百花齐放”，满足大众个性化设计已经成为了首饰设计行业的新思路[9]。面对市场数量庞大的个性化定制需求，利用人工智能与自动化设备所构建的首饰智能化定制系统是很好的一种解决方式。CNC作为自动化加工机床，是实现柔性化生产线的重要一环。而当前的实际状况，尚处在消费者开始萌生定制的思想又不具备完整的设计审美能力的阶段，所以不仅需要设计师在首饰可实现性上提供帮助，还要建立一套在一定限制范围内的大众定制体系。这种服务与“工业4.0”的实现紧密相连，这需要设计师、设计者充分了解CNC工艺的优点与缺点，在自动化的基础上满足消费者最大的设计自由；同时要进行以CNC工艺为加工方式的设计实验，考虑利用人眼的可视错觉实现雕刻花纹由平面到立体的转化，以及最大限度地实现首饰的拆合与变形等[10]。目前，国内有许多工厂也开始以CNC工艺为基础向着这一目标努力（如图2）。

4 结论

CNC已经成熟运用于首饰制造业中，形成了独有的工艺形式。作为工业时代机械化、信息化、数字化迭代的集中产物，具备构建智能化柔性生产线的可观潜力。因此，CNC工艺在首饰制造业中的成熟应用，将转变首饰设计的思路。一方面利用其自动化特点，高效率、低成本地将首饰与日常生活相结合，遵循实用美学思想，在满足情感诉求的同时关注功能性与体验感，抓住5G网络的变革，成为万物互联时代中的重要载体。另一方面，利用互联网建立工业云平台，提升数字化设计能力。设计师将首饰设计的主动权交于消费者手上，实现辅助定制服务，满足顾客个性化需求。

参考文献/REFERENCE

[1]Xiao Q B, Wan M, Liu Y, et al.Space corner smoothing of CNC machine tools through developing 3D general clothoid[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2020, 26(01): 20-26.

[2]杨沁钦.3D打印技术在现代首饰设计中的应用[J].艺术科技, 2019, 32(02): 98-99.

[3]赵伟博, 李琳杰.基于MES系统的智能制造切削加工系统架构设计[J].工业仪表与自动化装置, 2020, (01): 42-45.

[4]周翔.现代机械加工中数控技术的应用研究[J].南方农机, 2020, 51(03): 111-113.

[5]田友龙.大众崛起，开启轻奢时代[J].企业观察家, 2019, (04): 106-107.

[6]唐琪.珠宝首饰中的体验式设计探析[J].西部皮革, 2019, 41(23): 85-86.

[7]池益, 沈春.设计的根本是解决问题[J].现代装饰, 2019, (02): 164-165.

[8]翁清.浅谈珠宝首饰设计与珠宝首饰镶嵌工艺的联合[J].艺术科技, 2016, 29(05): 308-309.

[9]赵汐, 曾芷姗, 吴东玲, 等.跨界思维在现代首饰中的应用研究——以建筑结构运用为例[J].艺术科技, 2018, 31(09): 167-170.

[10]解真.减法理念下的首饰设计简约风格研究[J].艺术与设计(理论), 2017, 2(04): 125-127.