申云, 陸靜, 劉瑞亮

(1.華僑大學(xué) 制造工程研究院， 福建 廈門 361021; 2. 廈門大學(xué) 機電工程系， 福建 廈門 361101)

在工件加工過程中，拋光作為最后一道工序，可以使加工表面粗糙度降低，得到光滑表面或者達(dá)到鏡面效果.隨著石材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對拋光技術(shù)的需求也越來越大.在中國傳統(tǒng)石文化中，印章石有著極為重要的地位,中國也是世界上最早和廣泛使用印章石的國家[1-2].壽山石、青田石、昌化石在歷史上便是名貴的印章石，而巴林石屬后起之秀，近10年內(nèi)價格飛漲[3-5].隨著近代市場對壽山石等名貴印章石材需求的加大，以及石材的過度開采帶來的資源日趨匱乏，印章石的精細(xì)加工顯得尤為重要.

傳統(tǒng)印章石加工多采用手持石材在砂紙上粗磨，得到較好的表面平整度，然后，在軟質(zhì)布料上進(jìn)行拋光.因個人手藝的不同、檢測設(shè)備的缺失，導(dǎo)致印章各表面的平整度和光澤度無法保證，個體質(zhì)量差異較大，石材原料浪費嚴(yán)重，拋光效率低下.同時，維持高光澤度通常需要打蠟、油養(yǎng)，保持時間短，過程反復(fù)[6-7].原始石材由于幾何形狀差異大、材質(zhì)不均勻，在非專業(yè)研磨拋光機床加工時，不易進(jìn)行裝夾和壓力控制，石材損毀浪費嚴(yán)重[8-11].以葉蠟石型壽山石為例，其主要礦物成分是葉蠟石，含少量石英、絹云母、水鋁石、黃鐵礦等，相較石英、絹云母等礦物，葉蠟石的硬度較低[12-14].當(dāng)磨拋壓力增大時，磨料磨粒首先刻蝕掉硬度較低葉蠟石，所留下的石英等硬質(zhì)砂礫物質(zhì)脫落，在宏觀上表現(xiàn)為“起砂”現(xiàn)象.“起砂”會嚴(yán)重降低印章表面的光澤度，使表面變得粗糙.因此，本文改進(jìn)現(xiàn)有印章石加工設(shè)備，研究印章石加工工藝以獲得較好的加工表面質(zhì)量.

1 實驗條件與過程

1.1 加工件

為了增加結(jié)果的可靠性，實驗采用巴林石、高山石、芙蓉石3種印章石.其中，巴林石是4大印章石中唯一產(chǎn)于北方疆域，而且是在少數(shù)民族地區(qū)；高山石和芙蓉石則屬于4大印章石中的壽山石.石樣品及鋸切后的原始形貌，如圖1所示.

由圖1(a)可知：巴林石樣本材質(zhì)并不均勻，分為明顯的深黃色和墨黑色兩相.初步測定，黑色相部分硬度略高于黃色相，莫氏硬度約為3.初始面劃痕呈單向且粗糙度值達(dá)到了2.694 μm.由圖1(b)可知：高山石所含雜質(zhì)很多.高山石硬度相對較大，莫氏硬度約為4，初始面的劃痕與所選巴林石樣本相比較淺，粗糙度為1.274 μm.由圖1(c)可知：樣品分為明顯的紅白兩相.壽山芙蓉石為葉蠟石類，其莫氏硬度約為3[15]，初始面有數(shù)條粗大劃痕，粗糙度為1.498 μm.

(a) 巴林石 (b) 高山石 (c) 芙蓉石 圖1 石樣品及鋸切后的原始形貌Fig.1 Stone samples and original topography after sawing

圖2 UNIPOL 1260型研磨拋光機及夾具Fig.2 UNIPOL 1260 style grinding polishing machine and fixture

1.2 加工平臺

在UNIPOL 1260型研磨拋光機上進(jìn)行軟質(zhì)印章石的研磨拋光加工，UNIPOL 1260型研磨拋光機及夾具，如圖2所示.加工中，印章石材被夾持在設(shè)計的夾具上，機床機頭提供下壓力并帶動工件轉(zhuǎn)動，拋光盤獨立轉(zhuǎn)動，通過工件和研磨盤的摩擦運動達(dá)到加工印章的目的.

原始機床的壓力系統(tǒng)采用開環(huán)控制，在大壓力如40 MPa以上時，可以實現(xiàn)較精準(zhǔn)的壓力控制.然而，軟質(zhì)印章石加工所需的壓力為20 MPa或更小，由于氣缸壓力和阻尼的影響，小壓力難以控制其工作的穩(wěn)定性.

對原始的UNIPOL 1260型研磨拋光機進(jìn)行改造，增加可編輯程邏輯控制器(PLC)壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)壓力精準(zhǔn)控制.空壓機通過比例閥向機床的上、下兩腔充填氣體，連接上、下兩腔的通氣管上接有壓力傳感器，壓力傳感器檢測上、下兩腔壓力并傳回PLC控制器.控制器將兩腔壓力差與用戶設(shè)定值比較，不斷控制比例閥，向兩腔內(nèi)充填氣體，達(dá)到壓力精準(zhǔn)控制的目的.

1.3 加工實驗

對軟質(zhì)印章石進(jìn)行研磨拋光時，制定的工藝參數(shù)包括機床研磨盤和載物盤轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)速，加工壓力、加工時間.為了確定出加工軟質(zhì)印章石的最佳加工參數(shù)和工藝路線，實驗中將研究不同的研拋工具和加工參數(shù)對加工軟質(zhì)印章石加工質(zhì)量的影響.采用單一變量原則，在改變一個參數(shù)時，其他參數(shù)固定.

1) 研磨盤和載物盤轉(zhuǎn)速的確定.軟質(zhì)印章石研磨拋光屬于去除量較小的精加工，使用研磨拋光工具均為固結(jié)或半固結(jié)磨料拋光工具，隨著研磨拋光轉(zhuǎn)速的增加，印章石表面碰撞的磨料磨粒數(shù)增加，每次碰撞的作用力也增大，對印章石表面的凸峰處碰撞效果更明顯[16-17].所以在拋光加工中，盡可能使用機床額定轉(zhuǎn)速下的最高轉(zhuǎn)速.

2) 研磨盤和載物盤轉(zhuǎn)動方向的確定.工件裝在載物盤上，研磨盤在機床最高轉(zhuǎn)速300 r·min-1轉(zhuǎn)動的前提下，分別采用順磨(載物盤和研磨盤轉(zhuǎn)向相同)、逆磨(研磨盤和載物盤轉(zhuǎn)向相反)和靜止3種工件加工方式.

在實際的加工實驗中，分別使工件與研磨盤轉(zhuǎn)動方向相反、工件與研磨盤轉(zhuǎn)動方向相同，以及工件與研磨盤保持靜止，觀察砂紙或SG拋光膜磨損情況、工件加工后表面的劃痕規(guī)律，從而確定研磨盤和載物盤加工時的轉(zhuǎn)動方向.

3) 加工壓力的確定.加工壓力是保證加工效率的關(guān)鍵.隨著壓力的增加，磨粒越來越多地參與到材料的去除加工中，所以材料的去除率隨著加工壓力的增加而增大[18-20].控制研磨盤轉(zhuǎn)速為300 r·min-1，載物盤轉(zhuǎn)速為120 r·min-1，在400#砂紙加工5 min.采用的加工壓力分別為7.5，15.0，30.0 MPa.加工后觀察砂紙或SG拋光膜表面磨損情況，以及印章石表面加工質(zhì)量.

4) 加工工序的確定.傳統(tǒng)的手工加工印章石經(jīng)過300#～500#砂紙，去除了初始的表面劃痕，經(jīng)過1 000#～1 500#砂紙，去除上一道加工劃痕，經(jīng)過2 000#～4 000#砂紙進(jìn)行精磨，最后，上蠟達(dá)到較高光澤度表面.根據(jù)傳統(tǒng)手工加工印章石經(jīng)驗，控制研磨盤轉(zhuǎn)速為300 r·min-1，載物盤轉(zhuǎn)速120 r·min-1，研磨盤壓力為15 MPa.在每一道工序中,選一種型號砂紙進(jìn)行研磨，如果能把上一道劃痕去除,則可行，最后，用SG拋光膜對表面進(jìn)行拋光處理.

5) 加工時間的確定.在前面各道工序確定之后，采用合理的加工壓力，研磨盤和載物盤轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)速，以1 min為單位加工，并跟蹤監(jiān)測表面質(zhì)量，當(dāng)加工達(dá)到較優(yōu)表面質(zhì)量時，即確定為本道加工工序所需加工時間.

6) 加工后表面質(zhì)量測量.用Hirox KH-8700型三維視頻顯微鏡追蹤檢測原始狀態(tài)及其每道工序加工后的軟質(zhì)印章石固定點位的二維形貌；每道工序加工后的表面光澤度及原始光澤度用WGG60-S(C)Ⅱ12型光澤度儀測量；每道工序表面粗糙度及原始粗糙度用Mahr XR20型粗糙度儀檢測.

表1 實驗加工工藝參數(shù)Tab.1 Experimental study on processing parameters

實驗加工工藝參數(shù)，如表1所示.表1中：vG為研磨盤逆時針轉(zhuǎn)速；vL為載物盤轉(zhuǎn)速；p為加工壓力；t為加工時間.

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

1) 改進(jìn)后的UNIPOL 1260型研磨拋光機使用額定轉(zhuǎn)速下的最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行拋光，即采用研磨盤轉(zhuǎn)速為300 r·min-1，載物盤 為120 r·min-1.

2) 當(dāng)工件與研磨盤轉(zhuǎn)動方向相反時，棱角鋒利的工件常在與研磨盤初接觸，刮傷砂紙或SG拋光膜，而且工件沿壓力方向產(chǎn)生軸向跳動，嚴(yán)重?fù)p傷工件和研拋工具；當(dāng)工件在加工中保持靜止時，雖然工件不易跳動，但工件研磨后，其加工表面會產(chǎn)生有規(guī)律、明顯的劃痕，在SG拋光膜加工中難以去除，從而影響加工質(zhì)量；當(dāng)工件與研磨盤同向轉(zhuǎn)動時，工件加工面無明顯的規(guī)律劃痕，機床運行平穩(wěn)，砂紙或SG拋光膜可以使用較長時間而不必更換.因此，采用兩盤同向轉(zhuǎn)動的順磨方式.

3) 當(dāng)加工壓力小于10 MPa時，工件表面劃痕去除效果不明顯；當(dāng)壓力較大時，對高山石、芙蓉石、巴林石進(jìn)行反復(fù)加工均會發(fā)現(xiàn)，砂紙或SG拋光膜破損得很快，需要經(jīng)常更換，印章去除效果過高，加工不易控制，一旦裝夾失誤，將嚴(yán)重?fù)p傷工件.當(dāng)加工壓力介于10～20 MPa時，不但加工效率和表面質(zhì)量可以保證，而且研拋工具的使用壽命也足夠長.因此，相對合理的加工壓力確定為15 MPa.

4) 分別用300#，400#和500#的砂紙對表面進(jìn)行研磨，300#砂紙研磨后表面留下較深劃痕，后道中工序中難于去除；500#砂紙需要很長時間才能將初始表面劃痕去除，因此，第一道工序采用400#砂紙.2 000#砂紙可以將400#砂紙加工痕跡去除，且時間較短，所以省去中間研磨步驟；在2 000#砂紙加工后，印章石表面劃痕較淺，可直接進(jìn)行SG拋光膜拋光.因此，為達(dá)到效果，確立了400#砂紙半精磨、2 000#砂紙精磨和SG拋光膜拋光的3道工序.

5) 400#砂紙累計加工時間為2 min；2 000#砂紙累計加工時間為1 min；SG拋光膜累計加工時間為10 min.

2.2 加工后表面形貌

加工后巴林石表面形貌，如圖3所示.由圖3可知：從原始面到SG拋光膜拋光結(jié)束，巴林石的表面質(zhì)量越來越好.400#砂紙研磨后，原始面的深劃痕被去除；此工序新產(chǎn)生大量無規(guī)律劃痕經(jīng)過2 000#砂紙研磨加工1 min后，基本去除;2 000#砂紙加工后表面同樣產(chǎn)生了大批單向劃痕，但劃痕明顯較淺，在SG拋光膜研磨階段全部劃痕被去除，最終達(dá)到了加工表面接近鏡面的質(zhì)量.

(a) 原始形貌 (b) 400#砂紙研磨 (c) 2 000#砂紙研磨 (d) SG拋光膜拋光圖3 加工后巴林石表面形貌Fig.3 Balin Stone surface topography after processing

加工后高山石表面形貌，如圖4所示.與巴林石類似，400#砂紙將原始表面劃痕基本去除；2 000#砂紙研磨加工1 min后，400#砂紙加工,劃痕基本去除；但是加工后表面產(chǎn)生一道深劃痕，此劃痕超出了2 000#砂紙的影響范圍，可以歸為可排除的意外因素，如冷卻液中含有雜質(zhì)所致；SG拋光膜拋光10 min后，除上道工序中意外產(chǎn)生的劃痕外，其他劃痕基本消失，表面達(dá)到最佳質(zhì)量.

(a) 原始形貌 (b) 400#砂紙研磨 (c) 2 000#砂紙研磨 (d) SG拋光膜拋光圖4 加工后高山石表面形貌Fig.4 Gaoshan Stone surface topography after processing

加工后芙蓉石表面形貌,如圖5所示.由圖5可知：芙蓉石加工表面質(zhì)量越來越好.從每道工序后劃痕的走向看，各道工序都有新的劃痕產(chǎn)生，原始面的深鋸痕在400#砂紙研磨后被去除；但表面產(chǎn)生新劃痕，在2 000#砂紙加工后，上一道工序留下的劃痕消失,但也存在新的劃痕.拋光后表面仍存在少量新劃痕，印章石表面脫落，導(dǎo)致起砂(圖5(d)中標(biāo)注處).芙蓉石的莫氏硬度為3左右，觀測點選在葉蠟石與石英石雜質(zhì)的相交位置，大粒徑石英石砂礫從印章上脫落后，同研磨工具的磨粒一起參與加工，是每道工序都存在劃痕的原因，小粒徑石英石砂礫脫落導(dǎo)致表面“起砂”，使表面失去光澤，最終拋光后表面光澤度不高，從宏觀上觀察，即印章石表面“起砂”.

(a) 原始形貌 (b) 400#砂紙研磨 (c) 2 000#砂紙研磨 (d) SG拋光膜拋光圖5 加工芙蓉石表面形貌Fig.5 Furong stone surface topography after processing

2.3 粗糙度與光澤度的變化

3種樣品加工前、后表面粗糙度對比，如圖6所示.圖6中：Ra為粗糙度.由圖6可知：經(jīng)過3道工序后，3種樣品的粗糙度都逐漸降低.3種樣品的粗糙度下降最快，其中，巴林石表面粗糙度下降最快，由2.67 μm下降至0.10 μm；高山石表面粗糙度變化最小，由1.01 μm下降至0.11 μm.通過最后一步的SG拋光膜拋光后，3種樣品表面粗糙度基本達(dá)到一致.

3種樣品加工前、后表面光澤度對比，如圖7所示.圖7中：g為光澤度.由圖7可知：經(jīng)過3道工序后，3種樣品的光澤度都逐漸升高.巴林石表面光澤度達(dá)到3種樣品中的最佳光澤度64，芙蓉石光澤度為3種樣品中的最低35.芙蓉石光澤度低與實驗選用的樣品品質(zhì)有密切關(guān)系，當(dāng)芙蓉石石材品質(zhì)較差時，含石英石雜質(zhì)較多，拋光時石英砂礫脫落，使表面失去光澤；脫落的砂礫在研磨拋光時，對表面產(chǎn)生劃痕，進(jìn)一步損傷表面，光澤度降低.

3種樣品光澤度與粗糙度關(guān)系，如圖8所示.由圖8可知：3種樣品的光澤度都隨著粗糙度的減小逐漸增加；當(dāng)粗糙度小于0.3 μm時，光澤度都迅速上升.經(jīng)過SG拋光膜拋光后，巴林石光澤度達(dá)到64，高山石粗糙度達(dá)到44，芙蓉石光澤度達(dá)到35.

圖6 加工前、后表面粗糙度對比圖 圖7 加工前、后表面光澤度對比圖 圖8 光澤度與粗糙度關(guān)系 Fig.6 Roughness comparison chart Fig.7 Gloss comparison chart Fig.8 Relationship between before and after processing before and after processing glossiness and roughness

軟質(zhì)印章石加工工序，如表2所示.

表2 軟質(zhì)印章石加工工序Tab.2 Processing procedure of soft seal stone

3 結(jié)論

1) 在UNIPOL 1260型研磨拋光機上,針對不同石材的多個表面，使用專用夾具，分別在400#砂紙，2 000#砂紙,以及SG拋光膜上采用不同的轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)速和加工壓力反復(fù)加工.通過觀察機床的運行狀況，砂紙或SG拋光膜的破損情況，并對印章石加工表面的光澤度、去除量和表面形貌進(jìn)行跟蹤檢測，最終確定了軟質(zhì)印章石的最終優(yōu)化工藝參數(shù)為研磨盤和載物盤分別以300，120 r·min-1同向轉(zhuǎn)動；加工壓力為15 MPa.最佳工藝線路為在400#砂紙半精磨2 min；在2 000#砂紙的精磨1 min和在SG拋光膜上拋光10 min.

2) 經(jīng)過3道工序，3種樣品的粗糙度都逐漸降低，光澤度隨著粗糙度降低而升高.當(dāng)使用SG拋光膜拋光后，表面形貌在放大100倍時無明顯劃痕.當(dāng)粗糙度小于0.3 μm時，光澤度迅速上升，并且最高達(dá)到64.

3) 巴林石和高山石拋光后表面質(zhì)量均勻，無明顯劃痕，無起砂現(xiàn)象；而芙蓉石由于樣品中含有較多石英雜質(zhì)，拋光時石英砂礫脫落，使表面失去光澤，脫落的砂礫在研磨拋光時對表面產(chǎn)生劃痕，進(jìn)一步損傷表面，使光澤度降低.

未來將進(jìn)一步探究材質(zhì)不均勻，含有較多雜質(zhì)的印章石的拋光工藝.