壽山石的自動(dòng)化拖拽拋光研究*

王 鍵, 陸 靜

( 華僑大學(xué) 制造工程研究院, 福建 廈門 361021)

在中國(guó)傳統(tǒng)石文化中，印章石有著極為重要的地位。尤其是著名的壽山石，藝術(shù)價(jià)值極高。壽山石最常見的石質(zhì)為葉蠟石質(zhì)，也有高嶺石、地開石、絹云母、綠泥石等黏土礦物組成的各種石質(zhì)[1]。原始?jí)凵绞膾伖饩鶠槭止伖?，在走訪福州市壽山石交易中心時(shí)了解到，從雕刻后的壽山石到拋光后的成品，壽山石拋光至少需要6道工序，每個(gè)工序都要更換不同的拋光工具，整個(gè)拋光過(guò)程至少持續(xù)35 min以上；之后出現(xiàn)各種半自動(dòng)化加工機(jī)臺(tái)，可以人工配合半自動(dòng)化機(jī)械來(lái)對(duì)壽山石平面進(jìn)行拋光。但異形曲面的壽山石多靠手工拋光，拋光效率極低。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，壽山石印章已成為印章愛好者的首選，而傳統(tǒng)的手工拋光方式在效率和質(zhì)量2方面都無(wú)法滿足市場(chǎng)需求[2]。

針對(duì)壽山石異形曲面的拋光，通常采用的拋光方式有機(jī)器人輔助拋光和滾磨加工2大類。機(jī)器人輔助拋光成本較高，不太適用于軟質(zhì)壽山石的拋光；而滾磨加工中主要有振動(dòng)拋光、噴丸拋光和拖拽拋光[3]。振動(dòng)拋光和噴丸拋光的加工效率都較低，而像硬質(zhì)合金刀具、曲軸和稍硬的蜜蠟、玉石雕件等都采用拖拽拋光機(jī)拖拽拋光的方式。拖拽拋光技術(shù)又稱行星主軸式滾磨拋光技術(shù)，是在一定形狀和大小的滾筒中，裝入一定量的細(xì)粒度磨料，然后將壽山石的一端通過(guò)夾具裝夾，在可進(jìn)行正反2個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的主軸上帶動(dòng)壽山石作行星運(yùn)動(dòng)，而滾筒靜止不動(dòng)，使平面或異型的壽山石表面與磨料充分接觸，無(wú)須人工操作便可達(dá)到壽山石表面拋光的目的。且拖拽拋光技術(shù)可同時(shí)對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行加工，相比于傳統(tǒng)手工拋光，效率大大提高[4]。由于壽山石硬度低、脆性大、成分復(fù)雜等，在實(shí)際加工中還需根據(jù)壽山石的硬度等屬性匹配合適的磨料，以提高壽山石的拋光效率和拋光質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)壽山石自動(dòng)拋光[5]。

1 試驗(yàn)過(guò)程及條件

拖拽拋光試驗(yàn)在樂(lè)升精密機(jī)械有限公司生產(chǎn)的YH-J拖拽拋光機(jī)上進(jìn)行，本次試驗(yàn)使用的是圖1所示的4種磨料，由磨料生產(chǎn)廠家專門配制，分別為核桃殼加金剛石(A)、核桃殼加氧化鋁(B)、玉米芯加金剛石(C)和玉米芯加氧化鋁(D)磨料，其中的氧化鋁為單晶剛玉。生產(chǎn)廠家提供的磨料配方如表1所示。

表1 磨料配方表

用表1中的4種磨料分別對(duì)圖2所示的5種常見壽山石(俗稱“印章石”)在表2的工藝參數(shù)下分別進(jìn)行拋光試驗(yàn)，且每1種磨料只拋光壽山石的1個(gè)面。具體拋光過(guò)程為：首先將某種磨料裝入設(shè)備的磨料桶中，后用紙膠帶粘住某種壽山石的3個(gè)面使其只露出要被拋光的1個(gè)面，再將壽山石的一端通過(guò)夾具夾緊在拋光機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，使壽山石沒(méi)入磨料中；啟動(dòng)拖拽拋光機(jī)，調(diào)整加工參數(shù)為表2中的值，主軸通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)壽山石作行星運(yùn)動(dòng)，而磨料桶靜止不動(dòng)，通過(guò)壽山石表面與磨料的充分接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)其表面的拋光；拋光完成后取下壽山石并測(cè)量其表面性能參數(shù)。如此循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)某種壽山石的4個(gè)面分別用4種不同磨料拋光的目的。為保證壽山石全程自動(dòng)拋光的一致性，5種原始?jí)凵绞瘨伖馇皟H經(jīng)過(guò)切割處理，未經(jīng)過(guò)其他的磨拋過(guò)程，且切割時(shí)盡量保證同一塊壽山石不同面的表面粗糙度基本一致，試驗(yàn)探究拖拽拋光技術(shù)應(yīng)用于壽山石自動(dòng)化拋光的效果及可行性。

表2 拋光工藝參數(shù)

由于圖2中的5種壽山石本身的材料屬性差異很大，所以要想獲得最好的加工效果，就需要對(duì)5種壽山石匹配不同的磨料來(lái)拋光。磨料的選擇與驗(yàn)證過(guò)程為：(1)挑選磨料種類，改變磨料，不改變其他工藝參數(shù)，按表2條件拋光壽山石，完成后測(cè)量其表面粗糙度Ra值，初步獲得其表面粗糙度最低時(shí)的磨料種類；(2)對(duì)不同壽山石的材料屬性進(jìn)行分析，分析其造巖礦物、顯微硬度、礦物顆粒尺寸和顆粒致密度，從壽山石的微觀及宏觀特性層面上認(rèn)識(shí)其屬性對(duì)拋光表面質(zhì)量的影響；(3)試驗(yàn)驗(yàn)證，將前面二者結(jié)合，挑選出適合某種壽山石拋光的具體磨料種類，不改變其他工藝參數(shù)，按表2條件再次拋光，完成后測(cè)量壽山石的表面粗糙度Ra值并觀察其表面形貌特征，探究匹配磨料拋光后的壽山石表面質(zhì)量改善效果。試驗(yàn)所用檢測(cè)儀器設(shè)備如表3所示。

表3 檢測(cè)儀器設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同磨料拋光后的壽山石表面粗糙度

圖3為4種磨料拋光后的5種壽山石的表面粗糙度值對(duì)比。由圖3a可知：用A磨料拋光原始?jí)凵绞?面，比較原始?jí)凵绞谋砻娲植诙?t=0 min)和不同拋光時(shí)間下的表面粗糙度發(fā)現(xiàn)，1#、3#、4#和5#壽山石拋光40 min后的表面粗糙度都小于600 nm，但2#壽山石的表面粗糙度隨拋光時(shí)間的延長(zhǎng)一直在增大，拋光40 min后Ra值達(dá)1 258 nm。

隨后用相對(duì)軟一些的磨料B，拋光原始?jí)凵绞牡?面，得圖3b結(jié)果。由圖3b可知：拋光前后，5種壽山石的表面粗糙度Ra值變化不大，只是有些波動(dòng)。

在用核桃殼體系的磨料A和B加工壽山石后，又選用玉米芯體系的磨料C和D對(duì)原始?jí)凵绞牡?、4面拋光。還是按照由金剛石到氧化鋁的順序，先用玉米芯加金剛石磨料C拋光壽山石第3面，得到圖3c結(jié)果；再用玉米芯加氧化鋁磨料D拋光壽山石第4面，得圖3d的結(jié)果。

由圖3c可知：1#、4#壽山石在拋光40 min后的表面粗糙度Ra值在600 nm以下；3#、5#壽山石的Ra值卻隨時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)了明顯的下降，由最初的652和672 nm降到了354和321 nm。2#壽山石表面粗糙度Ra值變化也有下降的趨勢(shì)，由最初的845 nm降到了628 nm。

圖3d的結(jié)果表明：拋光40 min后，1#和4#壽山石拋光后的表面粗糙度Ra值趨于一致，分別為518和526 nm；3#和5#壽山石拋光后的效果也比較相似，Ra值可以控制到364和338 nm；而2#壽山石的Ra值變化最明顯，由最初的862 nm降到了566 nm。

(a)A

(b)B

(c)C

(d)D

因此，以拋光40 min后的表面粗糙度單調(diào)下降來(lái)統(tǒng)計(jì)，1#和4#壽山石適合用A磨料拋光，1#～5#壽山石適合用C、D磨料來(lái)拋光。整體綜合起來(lái)，以拋光40 min后的最低表面粗糙度來(lái)分析，1#和4#壽山石最適合用A磨料來(lái)拋光，2#壽山石最適合用D磨料來(lái)拋光，3#和5#壽山石最適合用C磨料來(lái)拋光。

2.2 不同壽山石拋光后的粗糙度差異原因

不同壽山石拋光后的表面粗糙度Ra值有差異是由于不同壽山石各自特性不同造成的。雖然圖2中的5種壽山石同產(chǎn)于福建壽山，但壽山石的種類極為豐富，同一品種之間色澤、品質(zhì)、機(jī)理等也各不相同，構(gòu)成壽山石的造巖礦物更是復(fù)雜多變，且壽山石并不像金屬材料那樣致密且材料組分均勻。壽山石大多由多種礦物構(gòu)成且礦物的顆粒大小不同，拋光加工時(shí)很難有相同的加工效果，因此加工質(zhì)量也各不相同。與此同時(shí)，壽山石拋光時(shí)還需考慮其與磨料的硬度差，一般來(lái)說(shuō)磨料硬度略大于壽山石硬度即可。二者硬度差太大，就會(huì)破壞壽山石的表面，增加一些原來(lái)沒(méi)有的劃痕；硬度差太小，就會(huì)影響拋光效率，甚至不能對(duì)其拋光。所以，要對(duì)壽山石樣品的礦物構(gòu)成、硬度及礦物粒徑等基本屬性進(jìn)行分析，之后再匹配合適的磨料拋光[6]。

2.2.1 不同壽山石的礦物構(gòu)成及硬度

對(duì)圖3a中用磨料A拋光20 min后的5種壽山石進(jìn)行XRD分析和顯微硬度測(cè)試，XRD結(jié)果如圖4所示，表4為其硬度測(cè)試結(jié)果。其中，為便于比較，把圖4的結(jié)果也列入表4中。

(a)1#(b)2#(c)3#(d)4#(e)5#圖4 5種壽山石的XRD分析Fig. 4 XRD analysis of five kinds of shoushan stones

如圖4、表4所示：整體來(lái)看，除3#壽山石外，其他4種都為葉蠟石系壽山石。1#和4#壽山石因?yàn)樵谌~蠟石中混入了較多的石英，所以相對(duì)于其他3種壽山石硬度最大，拋光效果一般。2#壽山石的礦物組成雖然與4#的相同，但葉蠟石中混入了較多的云母，所以導(dǎo)致其硬度下降，且云母本身是層狀物質(zhì)，本來(lái)就很難拋光，故拋光后Ra值最大，加工效果最差。3#和5#壽山石的造巖礦物最純粹，分別為葉蠟石和綠泥石，且綠泥石的硬度比葉蠟石的略大，故二者的Ra值最低，加工效果最好。

表4 5種壽山石的硬度、礦物構(gòu)成

2.2.2 不同壽山石的礦物粒徑及致密度

掃描電鏡放大2 000倍下的原始?jí)凵绞V物顆粒、致密度分析如圖5所示。

由圖5可知：5種壽山石的礦物顆粒粒徑由大到小的順序?yàn)?#>5#>4#>2#>1#，顆粒間的間隙由大到小的順序?yàn)?#>1#>4#>5#>3#，其致密度則與顆粒間的間距相反。因此，2#壽山石的粒徑較小、又最為疏松，導(dǎo)致其拋光效果最差。與前面的試驗(yàn)結(jié)果比較(圖3b、圖3c、圖3d)，3#和5#這2種石材拋光后的表面粗糙度Ra值最低，1#和4#這2種石材的次之，2#石材則越拋光越粗糙，Ra最大。所以,對(duì)于壽山石的拋光來(lái)說(shuō)，要想獲得良好的拋光效果，壽山石的礦物顆粒粒徑越大越好，顆粒間越致密越好[7-8]。

2.3 不同壽山石拋光的磨料匹配及試驗(yàn)驗(yàn)證

將不同磨料拋光壽山石的試驗(yàn)結(jié)果與壽山石宏觀、微觀屬性的分析結(jié)果結(jié)合起來(lái)，我們得到：1#、4#壽山石含有大量的石英，硬度較大，且礦物顆粒間距適中，適合用硬度較大的核桃殼加金剛石磨料A來(lái)拋光；2#壽山石含有大量云母，硬度最軟,礦物結(jié)構(gòu)最為疏松，適合用硬度較軟的玉米芯加氧化鋁磨料D來(lái)拋光；3#、5#壽山石造巖礦物純粹，礦物結(jié)構(gòu)最為致密，選用硬度適中、加工效率較高的玉米芯加金剛石磨料C來(lái)拋光。

為便于比較優(yōu)選的不同磨料對(duì)不同壽山石的拋光效果，驗(yàn)證試驗(yàn)前在表2條件下都統(tǒng)一用粒徑20 μm的綠碳化硅磨料對(duì)5種壽山石的表面處理20 min，并以此表面為原始表面，后再用優(yōu)選的不同磨料分別對(duì)其拋光40 min，再觀察各自被拋光后的表面形貌并測(cè)量其表面粗糙度值。對(duì)不同壽山石拋光前和拋光40 min后的表面形貌對(duì)比如圖6所示，其中5種壽山石拋光前的表面是圖2中原始?jí)凵绞哪骋槐砻妗?/p>

從圖6可以看出：1#壽山石表面的凹坑拋光后變的平坦、光滑；2#壽山石拋光前表面粗糙、溝壑較深，拋光后表面平整，劃痕細(xì)?。?#壽山石拋光前表面劃痕較多，拋光后表面基本無(wú)劃痕；4#壽山石表面不僅劃痕較多而且還有少許割痕存在，拋光后的表面平滑均勻，顏色細(xì)膩；5#壽山石的表面劃痕密集，拋光后紋理清晰。

圖7為拋光前后壽山石的表面粗糙度對(duì)比。從圖7可知：1#、4#壽山石拋光后表面粗糙度Ra值分別為293和335 nm，相比拋光前降低了近500 nm；2#壽山石雖然只能拋到521 nm，但相比于拋光前，表面粗糙度Ra值也降低了321 nm；3#、5#壽山石拋光后的表面粗糙度分別為235、186 nm，下降了400 nm以上。

總之，在相同的加工參數(shù)和加工時(shí)間下，通過(guò)對(duì)壽山石匹配合適的磨料進(jìn)行拋光，拋光后的壽山石表面白色破碎區(qū)、劃痕等都得到了修復(fù)，其表面粗糙度至少下降了300 nm，拋光后的壽山石表面質(zhì)量良好。遺憾的是，由于我們不能生產(chǎn)磨料，是購(gòu)買廠家固定的磨料種類來(lái)進(jìn)行拋光試驗(yàn)的，所以未研究磨料粒度、磨料組成、磨料濃度改變等因素對(duì)壽山石拋光效果的影響，這將是下一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

圖7 5種壽山石拋光前后的表面粗糙度對(duì)比

4 結(jié)論

(1)壽山石由石英、葉蠟石、綠泥石及云母等礦物構(gòu)成，其中的石英硬度大，拋光效果一般；云母是層狀物質(zhì)，硬度較低，很難被拋光；只有含葉蠟石及綠泥石的造巖礦物最純粹，硬度適中，拋光效果最好。

(2)壽山石的拋光受其所含礦物顆粒粒徑大小、礦物致密度的影響，礦物顆粒越大、礦物致密度越高，拋光效果越好。

(3)5種壽山石中，對(duì)含較多石英、硬度較大、礦物致密度適中的壽山石，用核桃殼加金剛石的磨料拋光，表面粗糙度Ra分別為293和335 nm；對(duì)含大量云母、硬度較低、礦物致密度較小的壽山石，用玉米芯加氧化鋁的磨料拋光，表面粗糙度Ra為521 nm；對(duì)造巖礦物純粹、硬度居中、礦物最致密的壽山石，用玉米芯加金剛石的磨料拋光，表面粗糙度Ra分別為235和186 nm。