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基于玉石质材料的柔性抛光的机械研讨
来源：985论文网 添加时间：2019-12-29 11:06
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
在中华五千年的历史长河中，玉石文化[1]与中国文化有着深厚的渊源，是一种具有特殊代表性的文化。玉石在中国人的心目中有着非常重要的地位，日常佩戴、婚嫁丧娶等诸多方面都有着紧密的关系，在相当长的历史内，都是中华文化中的具有精神寄托的一种存在。玉石作为高贵、典雅、忠贞的象征，历来为中华民族所喜爱；玉器作为传统加工的代表，历来为各界人士喜爱和珍藏。伴随着历史的发展，玉器的加工技术也在不断的进步，逐渐形成了十分精湛的加工手工艺。玉石的加工一般可分为以下几个步骤：选料—画样—锯块—定型—雕琢—抛光。玉石在雕刻后，其表面依旧非常粗糙，很难显示出常见的晶莹通透的美，只有经历至关重要的工序——抛光，才能成为通透圆润、温润光洁的艺术品，彻底的展现出玉器的价值，所以抛光对于玉石有着十分重要的作用。因此研究玉石的抛光，也就有十分重要的现实意义[2-4]。
1.1 研究背景及意义
在中华五千年的历史长河中，玉石文化[1]与中国文化有着深厚的渊源，是一种具有特殊代表性的文化。玉石在中国人的心目中有着非常重要的地位，日常佩戴、婚嫁丧娶等诸多方面都有着紧密的关系，在相当长的历史内，都是中华文化中的具有精神寄托的一种存在。玉石作为高贵、典雅、忠贞的象征，历来为中华民族所喜爱；玉器作为传统加工的代表，历来为各界人士喜爱和珍藏。伴随着历史的发展，玉器的加工技术也在不断的进步，逐渐形成了十分精湛的加工手工艺。玉石的加工一般可分为以下几个步骤：选料—画样—锯块—定型—雕琢—抛光。玉石在雕刻后，其表面依旧非常粗糙，很难显示出常见的晶莹通透的美，只有经历至关重要的工序——抛光，才能成为通透圆润、温润光洁的艺术品，彻底的展现出玉器的价值，所以抛光对于玉石有着十分重要的作用。因此研究玉石的抛光，也就有十分重要的现实意义[2-4]。
在古代，抛光是一门技术性很强的工序，需由专业的人士进行操作，而抛光工具又比较的简单，如毛毡、皮革（牛皮等）、形状如盘式、轮式的木砣轮、皮砣轮等，在玉器表面做慢速的摩擦、转动，完全凭借着工人师傅的经验和手感进行抛光加工。故一块精美的玉雕件能不能成为一件精美绝伦的艺术品，取决于抛光师傅的手艺和技术。与此同时，手工抛光的玉石件的质量在不同的师傅们的手上有着不同的区别，在时间上，也普遍的耗时耗力。
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3.1 引言 ................................... 33.............................
1.2 玉石抛光的研究现状
随着我国经济的快速发展，人们的生活水平也在不断提高，近些年我国的玉石行业的发展规模也呈现一定的增长状态。玉石作为高贵纯洁的象征，其色泽温润，极具观赏性和收藏性，需求量也在大大增加。俗话说“有钱难买金镶玉”，也是对现在玉石需求火爆行情的一种表述。目前许多国家和地区的玉器加工厂对玉石抛光技术进行了研究和深化改良，提出许多新技术，主要分为以下几类[6]：机械抛光、超声振动抛光、化学抛光、机械化学抛光。不同的抛光方法，其抛光机理和过程有着很大的差异。目前市场主流的抛光办法是使用机械抛光，其抛光机理是由附着在抛光轮上的磨料颗粒或其他的抛光介质，在抛光轮快速转动时，与玉器表面产生摩擦对其表面进行挤压和微量切削，从而实现对玉饰品的抛光。其中机械抛光又分为两大类：一种是传统的手工抛光，另一种是机器抛光。如上文中所说，手工抛光的效率低，对加工者的技术要求高，且对人体有损伤，目前绝大部分的玉饰品已改由机器抛光。机器抛光对抛光盘的选择、转速、磨料的选取等有一定的要求，而且由于磨料的硬度一般比玉石的硬度高，玉石轮廓容易产生划痕和损伤，降低了玉饰品的价值。虽然目前有抛光膏、抛光剂等较软的抛光介质，但使用抛光膏和抛光剂等只是使玉饰品表面看起来非常的光滑、剔透，实际上损伤依旧是存在的。此外，即便是机器抛光，依旧存在着无法保留玉石雕刻细节、抛光作业时间长、效率低、造价高等缺点。化学抛光俗称酸抛光，是利用酸液的化学腐蚀作用去除表面材料，从而使玉石获得光滑表面，达到抛光的目的[9]。其抛光效果好，但主要适用于组成成分单一的材料，如碳酸盐质的玉石，对其他的玉石则不太适用，而且浸蚀的时间长短、酸液浓度等对结果的影响比较大。机械化学抛光是指在机械抛光的同时添加一定量的化学试剂，在抛光过程中不仅有机械抛光，还有着化学试剂与玉石材料相互反应，达到抛光的目的[2]。该方案不仅能对玉石表面进行研磨抛光，还能消除划痕，使玉石看起来光洁明亮，比单一的机械抛光和化学抛光效果好，但操作过程不易控制，对化学试剂的添加量和机械设备的转速等要求比较严格。超声振动抛光又分为平行式振动抛光和垂直式振动抛光两种[10]，二者的区别是振动方向和抛光表面角度的不同，但原理一样，都是利用通过能量转换器将超声波发生器产生的超声波振动传递给设备中的变幅杆，变幅杆再将放大振幅后的振动传递给磨料悬浮液，使悬浮液中的磨料对玉石表面产生冲击、碰撞从而达到抛光玉石的目的[11]。其操控方式简单，加工效率高，易实现精密抛光，非常适合平面比如玉器背部的平整面的抛光，但不适合复杂曲面的玉石正面的抛光。
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第 2 章 磁流变抛光液组分的确定及其配制
2.1 引言
磁流变抛光液是组成磁流变抛光中的一个重要部分，其性能决定了抛光的质量和效率。目前行业中主要的研究目标是配置出一种稳定性好、抗沉降效果和抗团聚效果好、零场粘度低、磁化特性好、流动性好、材料去除率高，同时兼顾环保、价低质廉等诸多优点的磁流变抛光液。但国外机构和公司对磁流变液的成份配比、研制方式等关键技术都是严格保密且价格高昂，例如 Lord 公司生产的MRF-122EG 型磁流变液每桶（约 2.38kg）的价格大约是 8000 人民币左右，且具体成份和组成成分细节对外保密。而国内对磁流变液的各成分的选取的研究也不够深入，严重制约了我国磁流变液及抛光液在工程上的应用。因此，对磁流变抛光液的研究不仅十分的重要，还有现实的应用意义。
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2.2 磁流变抛光液的组成及选取
2.2.1 磁流变抛光液的组成
磁流变抛光液主要有四个部分组成：1.基载液，分散磁性颗粒和抛光颗粒；2.磁性颗粒，作为主要悬浮相，是磁流变抛光液的最重要的成份；3.添加剂，为了改善磁流变抛光液的性质而添加的辅助性试剂，包括表面活性剂、偶联剂、触变剂等试剂；4.抛光颗粒，作为抛光液中的“刀具”，要求其要具有硬度高、不易磨损等特点。
磁流变抛光液的成分示意图如下所示：
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第 3 章 磁场设计及实验平台搭建 ............................ 33
随着我国经济的快速发展，人们的生活水平也在不断提高，近些年我国的玉石行业的发展规模也呈现一定的增长状态。玉石作为高贵纯洁的象征，其色泽温润，极具观赏性和收藏性，需求量也在大大增加。俗话说“有钱难买金镶玉”，也是对现在玉石需求火爆行情的一种表述。目前许多国家和地区的玉器加工厂对玉石抛光技术进行了研究和深化改良，提出许多新技术，主要分为以下几类[6]：机械抛光、超声振动抛光、化学抛光、机械化学抛光。不同的抛光方法，其抛光机理和过程有着很大的差异。目前市场主流的抛光办法是使用机械抛光，其抛光机理是由附着在抛光轮上的磨料颗粒或其他的抛光介质，在抛光轮快速转动时，与玉器表面产生摩擦对其表面进行挤压和微量切削，从而实现对玉饰品的抛光。其中机械抛光又分为两大类：一种是传统的手工抛光，另一种是机器抛光。如上文中所说，手工抛光的效率低，对加工者的技术要求高，且对人体有损伤，目前绝大部分的玉饰品已改由机器抛光。机器抛光对抛光盘的选择、转速、磨料的选取等有一定的要求，而且由于磨料的硬度一般比玉石的硬度高，玉石轮廓容易产生划痕和损伤，降低了玉饰品的价值。虽然目前有抛光膏、抛光剂等较软的抛光介质，但使用抛光膏和抛光剂等只是使玉饰品表面看起来非常的光滑、剔透，实际上损伤依旧是存在的。此外，即便是机器抛光，依旧存在着无法保留玉石雕刻细节、抛光作业时间长、效率低、造价高等缺点。化学抛光俗称酸抛光，是利用酸液的化学腐蚀作用去除表面材料，从而使玉石获得光滑表面，达到抛光的目的[9]。其抛光效果好，但主要适用于组成成分单一的材料，如碳酸盐质的玉石，对其他的玉石则不太适用，而且浸蚀的时间长短、酸液浓度等对结果的影响比较大。机械化学抛光是指在机械抛光的同时添加一定量的化学试剂，在抛光过程中不仅有机械抛光，还有着化学试剂与玉石材料相互反应，达到抛光的目的[2]。该方案不仅能对玉石表面进行研磨抛光，还能消除划痕，使玉石看起来光洁明亮，比单一的机械抛光和化学抛光效果好，但操作过程不易控制，对化学试剂的添加量和机械设备的转速等要求比较严格。超声振动抛光又分为平行式振动抛光和垂直式振动抛光两种[10]，二者的区别是振动方向和抛光表面角度的不同，但原理一样，都是利用通过能量转换器将超声波发生器产生的超声波振动传递给设备中的变幅杆，变幅杆再将放大振幅后的振动传递给磨料悬浮液，使悬浮液中的磨料对玉石表面产生冲击、碰撞从而达到抛光玉石的目的[11]。其操控方式简单，加工效率高，易实现精密抛光，非常适合平面比如玉器背部的平整面的抛光，但不适合复杂曲面的玉石正面的抛光。
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第 2 章 磁流变抛光液组分的确定及其配制
2.1 引言
磁流变抛光液是组成磁流变抛光中的一个重要部分，其性能决定了抛光的质量和效率。目前行业中主要的研究目标是配置出一种稳定性好、抗沉降效果和抗团聚效果好、零场粘度低、磁化特性好、流动性好、材料去除率高，同时兼顾环保、价低质廉等诸多优点的磁流变抛光液。但国外机构和公司对磁流变液的成份配比、研制方式等关键技术都是严格保密且价格高昂，例如 Lord 公司生产的MRF-122EG 型磁流变液每桶（约 2.38kg）的价格大约是 8000 人民币左右，且具体成份和组成成分细节对外保密。而国内对磁流变液的各成分的选取的研究也不够深入，严重制约了我国磁流变液及抛光液在工程上的应用。因此，对磁流变抛光液的研究不仅十分的重要，还有现实的应用意义。
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2.2 磁流变抛光液的组成及选取
2.2.1 磁流变抛光液的组成
磁流变抛光液主要有四个部分组成：1.基载液，分散磁性颗粒和抛光颗粒；2.磁性颗粒，作为主要悬浮相，是磁流变抛光液的最重要的成份；3.添加剂，为了改善磁流变抛光液的性质而添加的辅助性试剂，包括表面活性剂、偶联剂、触变剂等试剂；4.抛光颗粒，作为抛光液中的“刀具”，要求其要具有硬度高、不易磨损等特点。
磁流变抛光液的成分示意图如下所示：
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第 3 章 磁场设计及实验平台搭建 ............................ 33
3.2 抛光装置的主要结构尺寸 ......................... 33
第 4 章 实验平台磁场仿真及抛光实验 ........................... 49
4.1 抛光平台磁场仿真分析 .................................... 49
4.2 抛光实验及结果分析........................... 53
第 5 章 总结与展望 ................................. 69
5.1 总结 ..................................... 69
5.2 展望 ......................................70
第 4 章 实验平台磁场仿真及抛光实验
4.1 抛光平台磁场仿真分析
根据磁路计算数据和抛光原理，将第三章中所得的尺寸数据参数等导入Maxwell 软件中，建立几何模型进行电磁场仿真。首先建立其二维静态半剖视图模型，如图 4.1 所示。
接下来编辑各部分材料属性：为方便求解，将紧密缠绕的铜线圈等效为实体铜环，材料为铜 Copper；容器是不锈钢材质，设置为不锈钢 Steel_Stainless；上、中、底导磁板、铁芯、铁芯顶板材料均为 DT4 电工钢，其 B-H 数据曲线如图 3.9，并将该材料的 B-H 数值导入 Maxwell 软件中进行调用；边界条件选择用来限定磁场周边求解区域的 Balloon 气球边界条件；输入激励，在等效实体的铜环截面处，添加激励大小为 NI=3353.37（安匝）的激励；采用默认的解析方案，运行“Analysis All”可得出仿真结果。
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第 5 章 总结与展望
5.1 总结
磁流变液是一种新型的智能材料，其应用广泛，精密抛光是其众多应用之一。本文基于磁流变效应，分析了影响磁流变液稳定性、沉降性、材料去除能力的各个因素。同时课题组设计、优化了配套的磁流变抛光装置，并使用 Ansoft Maxwell软件对磁场进行了仿真分析，根据配制的磁流变液对目标工件进行了实验加工，得出以下结果：
5.1 总结
磁流变液是一种新型的智能材料，其应用广泛，精密抛光是其众多应用之一。本文基于磁流变效应，分析了影响磁流变液稳定性、沉降性、材料去除能力的各个因素。同时课题组设计、优化了配套的磁流变抛光装置，并使用 Ansoft Maxwell软件对磁场进行了仿真分析，根据配制的磁流变液对目标工件进行了实验加工，得出以下结果：
（1）磁性颗粒是磁流变液最重要的成份，其颗粒大小、浓度含量、磁饱和强度等性能影响磁流变液的性能。添加剂是维持磁性颗粒在基载液中稳定分布的重要因素，混合使用不同种类的添加剂效果比使用单一添加剂的效果更佳。磨料粒径大小、含量对磁流变液的稳定性和抛光效果有着一定的影响。课题组基于实验条件，发现当磁性颗粒含量在 73%、KH-550 含量在 2%，油酸含量在 1%、磨料含量在 4%的情况下，磁流变液的加工效果和抗沉降性效果较好。
（2）磁路中空气间隙的大小对磁场强度、磁流变液的磁流变效应影响很大。在对玉片的加工过程中发现，时间对加工效果影响较大。时间越长，抛光的效果越好，但当时间增加到一定程度后，抛光效果趋于稳定；电流越大则磁场越大，磁流变液的磁流变效应更显著，切削力变得更大，但切削力太大则有违磁流变液的“柔性抛光”的优点，易磨损玉石器件的细节，同时电流增大则功耗更高，对设备的要求也更高，因此电流的选择不应该过大。转速对抛光效果的影响也十分明显，转速大，切削力大，但转速过快会导致发热严重，不利于磁流变液的稳定性，而且会使磁流变液内产生一定的空隙，弱化了磁流变效应。因此，抛光转速和电流都需经过实验探索出合理的数据。
（2）磁路中空气间隙的大小对磁场强度、磁流变液的磁流变效应影响很大。在对玉片的加工过程中发现，时间对加工效果影响较大。时间越长，抛光的效果越好，但当时间增加到一定程度后，抛光效果趋于稳定；电流越大则磁场越大，磁流变液的磁流变效应更显著，切削力变得更大，但切削力太大则有违磁流变液的“柔性抛光”的优点，易磨损玉石器件的细节，同时电流增大则功耗更高，对设备的要求也更高，因此电流的选择不应该过大。转速对抛光效果的影响也十分明显，转速大，切削力大，但转速过快会导致发热严重，不利于磁流变液的稳定性，而且会使磁流变液内产生一定的空隙，弱化了磁流变效应。因此，抛光转速和电流都需经过实验探索出合理的数据。
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