玉石質(zhì)材料的柔性拋光的機(jī)械研究

關(guān)于玉石質(zhì)材料的柔性拋光的機(jī)械研究第1章緒論1.1研究背景及意義在中華五千年的歷史長(zhǎng)河中，玉石文化[1]與中國(guó)文化有著深厚的淵源，是一種具有特殊代表性的文化。玉石在中國(guó)人的心目中有著非常重要的地位，日常佩戴、婚嫁喪娶等諸多方面都有著緊密的關(guān)系，在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史內(nèi)，都是中華文化中的具有精神寄托的一種存在。玉石作為高貴、典雅、忠貞的象征，歷來為中華民族所喜愛；玉器作為傳統(tǒng)加工的代表，歷來為各界人士喜愛和珍藏。伴隨著歷史的發(fā)展，玉器的加工技術(shù)也在不斷的進(jìn)步，逐漸形成了十分精湛的加工手工藝。玉石的加工一般可分為以下幾個(gè)步驟：選料—畫樣—鋸塊—定型—雕琢—拋光。玉石在雕刻后，其表面依舊非常粗糙，很難顯示出常見的晶瑩通透的美，只有經(jīng)歷至關(guān)重要的工序——拋光，才能成為通透圓潤(rùn)、溫潤(rùn)光潔的藝術(shù)品，徹底的展現(xiàn)出玉器的價(jià)值，所以拋光對(duì)于玉石有著十分重要的作用。因此研究玉石的拋光，也就有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-4]。在古代，拋光是一門技術(shù)性很強(qiáng)的工序，需由專業(yè)的人士進(jìn)行操作，而拋光工具又比較的簡(jiǎn)單，如毛氈、皮革（牛皮等）、形狀如盤式、輪式的木砣輪、皮砣輪等，在玉器表面做慢速的摩擦、轉(zhuǎn)動(dòng)，完全憑借著工人師傅的經(jīng)驗(yàn)和手感進(jìn)行拋光加工。故一塊精美的玉雕件能不能成為一件精美絕倫的藝術(shù)品，取決于拋光師傅的手藝和技術(shù)。與此同時(shí)，手工拋光的玉石件的質(zhì)量在不同的師傅們的手上有著不同的區(qū)別，在時(shí)間上，也普遍的耗時(shí)耗力。.............................1.2玉石拋光的研究現(xiàn)狀隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平也在不斷提高，近些年我國(guó)的玉石行業(yè)的發(fā)展規(guī)模也呈現(xiàn)一定的增長(zhǎng)狀態(tài)。玉石作為高貴純潔的象征，其色澤溫潤(rùn)，極具觀賞性和收藏性，需求量也在大大增加。俗話說“有錢難買金鑲玉”，也是對(duì)現(xiàn)在玉石需求火爆行情的一種表述。目前許多國(guó)家和地區(qū)的玉器加工廠對(duì)玉石拋光技術(shù)進(jìn)行了研究和深化改良，提出許多新技術(shù)，主要分為以下幾類[6]：機(jī)械拋光、超聲振動(dòng)拋光、化學(xué)拋光、機(jī)械化學(xué)拋光。不同的拋光方法，其拋光機(jī)理和過程有著很大的差異。目前市場(chǎng)主流的拋光辦法是使用機(jī)械拋光，其拋光機(jī)理是由附著在拋光輪上的磨料顆粒或其他的拋光介質(zhì)，在拋光輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與玉器表面產(chǎn)生摩擦對(duì)其表面進(jìn)行擠壓和微量切削，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)玉飾品的拋光。其中機(jī)械拋光又分為兩大類：一種是傳統(tǒng)的手工拋光，另一種是機(jī)器拋光。如上文中所說，手工拋光的效率低，對(duì)加工者的技術(shù)要求高，且對(duì)人體有損傷，目前絕大部分的玉飾品已改由機(jī)器拋光。機(jī)器拋光對(duì)拋光盤的選擇、轉(zhuǎn)速、磨料的選取等有一定的要求，而且由于磨料的硬度一般比玉石的硬度高，玉石輪廓容易產(chǎn)生劃痕和損傷，降低了玉飾品的價(jià)值。雖然目前有拋光膏、拋光劑等較軟的拋光介質(zhì)，但使用拋光膏和拋光劑等只是使玉飾品表面看起來非常的光滑、剔透，實(shí)際上損傷依舊是存在的。此外，即便是機(jī)器拋光，依舊存在著無法保留玉石雕刻細(xì)節(jié)、拋光作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、效率低、造價(jià)高等缺點(diǎn)。化學(xué)拋光俗稱酸拋光，是利用酸液的化學(xué)腐蝕作用去除表面材料，從而使玉石獲得光滑表面，達(dá)到拋光的目的[9]。其拋光效果好，但主要適用于組成成分單一的材料，如碳酸鹽質(zhì)的玉石，對(duì)其他的玉石則不太適用，而且浸蝕的時(shí)間長(zhǎng)短、酸液濃度等對(duì)結(jié)果的影響比較大。機(jī)械化學(xué)拋光是指在機(jī)械拋光的同時(shí)添加一定量的化學(xué)試劑，在拋光過程中不僅有機(jī)械拋光，還有著化學(xué)試劑與玉石材料相互反應(yīng)，達(dá)到拋光的目的[2]。該方案不僅能對(duì)玉石表面進(jìn)行研磨拋光，還能消除劃痕，使玉石看起來光潔明亮，比單一的機(jī)械拋光和化學(xué)拋光效果好，但操作過程不易控制，對(duì)化學(xué)試劑的添加量和機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)速等要求比較嚴(yán)格。超聲振動(dòng)拋光又分為平行式振動(dòng)拋光和垂直式振動(dòng)拋光兩種[10]，二者的區(qū)別是振動(dòng)方向和拋光表面角度的不同，但原理一樣，都是利用通過能量轉(zhuǎn)換器將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波振動(dòng)傳遞給設(shè)備中的變幅桿，變幅桿再將放大振幅后的振動(dòng)傳遞給磨料懸浮液，使懸浮液中的磨料對(duì)玉石表面產(chǎn)生沖擊、碰撞從而達(dá)到拋光玉石的目的[11]。其操控方式簡(jiǎn)單，加工效率高，易實(shí)現(xiàn)精密拋光，非常適合平面比如玉器背部的平整面的拋光，但不適合復(fù)雜曲面的玉石正面的拋光。...............................第2章磁流變拋光液組分的確定及其配制2.1引言磁流變拋光液是組成磁流變拋光中的一個(gè)重要部分，其性能決定了拋光的質(zhì)量和效率。目前行業(yè)中主要的研究目標(biāo)是配置出一種穩(wěn)定性好、抗沉降效果和抗團(tuán)聚效果好、零場(chǎng)粘度低、磁化特性好、流動(dòng)性好、材料去除率高，同時(shí)兼顧環(huán)保、價(jià)低質(zhì)廉等諸多優(yōu)點(diǎn)的磁流變拋光液。但國(guó)外機(jī)構(gòu)和公司對(duì)磁流變液的成份配比、研制方式等關(guān)鍵技術(shù)都是嚴(yán)格保密且價(jià)格高昂，例如Lord公司生產(chǎn)的MRF-122EG型磁流變液每桶（約2.38kg）的價(jià)格大約是8000人民幣左右，且具體成份和組成成分細(xì)節(jié)對(duì)外保密。而國(guó)內(nèi)對(duì)磁流變液的各成分的選取的研究也不夠深入，嚴(yán)重制約了我國(guó)磁流變液及拋光液在工程上的應(yīng)用。因此，對(duì)磁流變拋光液的研究不僅十分的重要，還有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用意義。.............................2.2磁流變拋光液的組成及選取2.2.1磁流變拋光液的組成磁流變拋光液主要有四個(gè)部分組成：1.基載液，分散磁性顆粒和拋光顆粒；2.磁性顆粒，作為主要懸浮相，是磁流變拋光液的最重要的成份；3.添加劑，為了改善磁流變拋光液的性質(zhì)而添加的輔助性試劑，包括表面活性劑、偶聯(lián)劑、觸變劑等試劑；4.拋光顆粒，作為拋光液中的“刀具”，要求其要具有硬度高、不易磨損等特點(diǎn)。磁流變拋光液的成分示意圖如下所示：............................第3章磁場(chǎng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建............................333.1引言...................................333.2拋光裝置的主要結(jié)構(gòu)尺寸.........................33第4章實(shí)驗(yàn)平臺(tái)磁場(chǎng)仿真及拋光實(shí)驗(yàn)...........................494.1拋光平臺(tái)磁場(chǎng)仿真分析....................................494.2拋光實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析...........................53第5章總結(jié)與展望.................................695.1總結(jié).....................................695.2展望......................................70第4章實(shí)驗(yàn)平臺(tái)磁場(chǎng)仿真及拋光實(shí)驗(yàn)4.1拋光平臺(tái)磁場(chǎng)仿真分析根據(jù)磁路計(jì)算數(shù)據(jù)和拋光原理，將第三章中所得的尺寸數(shù)據(jù)參數(shù)等導(dǎo)入Maxwell軟件中，建立幾何模型進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真。首先建立其二維靜態(tài)半剖視圖模型，如圖4.1所示。接下來編輯各部分材料屬性：為方便求解，將緊密纏繞的銅線圈等效為實(shí)體銅環(huán)，材料為銅Copper；容器是不銹鋼材質(zhì)，設(shè)置為不銹鋼Steel_Stainless；上、中、底導(dǎo)磁板、鐵芯、鐵芯頂板材料均為DT4電工鋼，其B-H數(shù)據(jù)曲線如圖3.9，并將該材料的B-H數(shù)值導(dǎo)入Maxwell軟件中進(jìn)行調(diào)用；邊界條件選擇用來限定磁場(chǎng)周邊求解區(qū)域的Balloon氣球邊界條件；輸入激勵(lì)，在等效實(shí)體的銅環(huán)截面處，添加激勵(lì)大小為NI=3353.37（安匝）的激勵(lì)；采用默認(rèn)的解析方案，運(yùn)行“AnalysisAll”可得出仿真結(jié)果。...................................第5章總結(jié)與展望5.1總結(jié)磁流變液是一種新型的智能材料，其應(yīng)用廣泛，精密拋光是其眾多應(yīng)用之一。本文基于磁流變效應(yīng)，分析了影響磁流變液穩(wěn)定性、沉降性、材料去除能力的各個(gè)因素。同時(shí)課題組設(shè)計(jì)、優(yōu)化了配套的磁流變拋光裝置，并使用AnsoftMaxwell軟件對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，根據(jù)配制的磁流變液對(duì)目標(biāo)工件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)加工，得出以下結(jié)果：（1）磁性顆粒是磁流變液最重要的成份，其顆粒大小、濃度含量、磁飽和強(qiáng)度等性能影響磁流變液的性能。添加劑是維持磁性顆粒在基載液中穩(wěn)定分布的重要因素，混合使用不同種類的添加劑效果比使用單一添加劑的效果更佳。磨料粒徑大小、含量對(duì)磁流變液的穩(wěn)定性和拋光效果有著一定的影響。課題組基于實(shí)驗(yàn)條件，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁性顆粒含量在73%、KH-550含量在2%，油酸含量在1%、磨料含量在4%的情況下，磁流變液的加工效果和抗沉降性效果較好。（2）磁路中空氣間隙的大小對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁流變液的磁流變效應(yīng)影響很大。在對(duì)玉片的加工過程中發(fā)現(xiàn)，時(shí)間對(duì)加工效果影響較大。時(shí)間越長(zhǎng)，拋光的效果越好，但當(dāng)時(shí)間增加到一定程度后，拋光效果趨于穩(wěn)定；電流越大則磁場(chǎng)越大，