1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化</p><p>　　水鉆磨拋機(jī)主軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)</p><p>　　1 水鉆磨拋機(jī)設(shè)備研發(fā)背景及意義</p><p>　　鉆石象征著一個(gè)人的顯貴和身份, 是的, 一顆美麗的鉆石, 蘊(yùn)籍瑰麗、珍貴、神秘…，它萬(wàn)千姿態(tài)，盈盈流光

2、，散發(fā)出奇艷異彩, 有著不可抗拒的魅力, 但鉆石的價(jià)格貴得驚人，讓普通人可望而不可及。</p><p>　　自古以來(lái),鉆石以其獨(dú)特的魅力吸引著人們時(shí),人們也在不斷地探索其成因,并試圖在實(shí)室里復(fù)制鉆石。羅馬時(shí)期玻璃用于仿制天然寶石。在歐洲由于富裕的中產(chǎn)階級(jí)增多而使鉆石的求猛增,在15世紀(jì)出現(xiàn)了第一顆鉆石的玻璃仿品［5］。18～19世紀(jì)，由于礦物學(xué)和化學(xué)研究的深入，使人們逐漸認(rèn)識(shí)了天然寶石的組成,19世紀(jì)開(kāi)始出現(xiàn)合成

3、寶石的商業(yè)生產(chǎn)。第一顆用無(wú)色合成藍(lán)寶石仿制鉆石就是那時(shí)開(kāi)始的。1908年韋訥伊的一個(gè)學(xué)生合成了尖晶石,但到1920～1930年才廣泛用于仿制鉆石。1947年又出現(xiàn)了合金紅石,合成金紅石以其異常強(qiáng)的火彩、較低硬度仿照鉆石并不成功。1953年,鈦酸鍶成為種新的仿鉆材料,采用焰熔法合成。但因其明比鉆石強(qiáng)的火彩和極低的硬度難以充當(dāng)鉆石它仿鉆材料還有人造石榴石YAG和GGG,它并非合成石榴石,只是其結(jié)構(gòu)與石榴石相似其它仿制品相比,YAG的光學(xué)性質(zhì)

4、與鉆石的更近,但它無(wú)生氣。1972年YAG的產(chǎn)量達(dá)到高,現(xiàn)在YAG晶體多用于激光設(shè)備。1970年出現(xiàn)采用冷坩堝法合成立方氧化鋯以仿制鉆石,這是目前市場(chǎng)上最廣泛使用的仿鉆材料。莫依桑被人所知已有100多年了,但用其作鉆石仿制是在1998年。</p><p>　　隨著人們物質(zhì)文明和精神文明的提高，從而對(duì)自身的形象要求相應(yīng)地也越來(lái)越高，配備的飾物不再單純地從保值或增值的角度考慮，逐步向同服飾、愛(ài)好、場(chǎng)合等因素匹配著眼，

5、因此希望飾物、備件多樣化。同時(shí)，天然的鉆石、寶石、玉石等礦物資源日益稀缺，故價(jià)格更趨昂貴，而且色調(diào)、形狀、均勻性均受到很大的限制。因而，人們對(duì)水鉆的需求更為迫切，還希望品種豐富，絢麗多彩，形象逼真，價(jià)格低廉。用無(wú)機(jī)非晶態(tài)材料或玻璃來(lái)仿制品類眾多的無(wú)色或彩色天然寶石和玉石，可以達(dá)到以假亂真的程度，在外形和物化性能方面能通過(guò)組份的調(diào)節(jié)，使產(chǎn)品與天然礦石加工物難分伯仲，因?yàn)椴ＡЭ梢灾瞥删嗟姆蔷B(tài)，也能成為多相的含有液滴、微或金屬顆粒的材料［

6、1］。這樣，能使廣大佩戴飾物的時(shí)尚人士溫文儒雅，更顯風(fēng)范，自我感覺(jué)身心愉悅，滿足了日益增長(zhǎng)的愛(ài)美心理需求，品類選擇的范圍龐大，經(jīng)濟(jì)上的花費(fèi)不多，使人民的生活質(zhì)量日臻完美。</p><p>　　水鉆，又稱水晶玻璃鉆石。水鉆在現(xiàn)代豪華裝飾中普遍地使用，全球需求量很大。目前，水鉆生產(chǎn)在我國(guó)已形成頗具規(guī)模的一種行業(yè)，我國(guó)生產(chǎn)的水鉆每年都大量的出口到世界各地尤其是歐美國(guó)家。</p><p>　　一顆

7、水晶鉆石成品的制作要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的工藝過(guò)程，從配料燒結(jié)到打磨拋光等等。一顆成品水晶鉆石一般由十二個(gè)面組成，也有十八個(gè)面甚至更多面組成的。在水鉆加工整個(gè)工藝工序過(guò)程中，最關(guān)鍵工序是形面的磨削和拋光，傳統(tǒng)的手工式機(jī)械加工鉆石，由于裝夾機(jī)構(gòu)、分度機(jī)構(gòu)的精度較低，以及加工者的水平不一，致使成品鉆石的加工精度低、費(fèi)品率高，并提高了加工成本。因而研發(fā)出具有加工工時(shí)短，精度和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)的新一代水鉆磨拋機(jī)具有重要意義。</p><

8、;p>　　2 水鉆制造工藝及加工設(shè)備的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　不像人工合成寶石，諸如合成紅寶石，藍(lán)寶石或水晶等，要求化學(xué)組成和物化性質(zhì)同天然的一致。在人工控制的條件，雜質(zhì)含量能降到極低，因此有些理化性能人工合成產(chǎn)品更優(yōu)于天然制品，像制造半導(dǎo)體芯片的基材水晶。如果用玻璃來(lái)仿制各類天然寶玉石，則偏重于表觀相似，不要求化學(xué)組成相同，還有是在比重、硬度等理化性能方面手感相近即可。制成同仿制對(duì)象表現(xiàn)相近的

9、玻璃基塊后，尚需要研磨成與天然寶石一樣的多面體，在自然光下從各種角度觀察比較，再在化學(xué)組成方面作些微調(diào)，就成與天然寶石非常相似得仿制產(chǎn)品。</p><p>　　仿寶石玻璃制造工藝與一般玻璃相似,經(jīng)配料、熔化、成形、熱加工、冷加工(切割、研磨、拋光)、鍍膜等工序,根據(jù)所仿珠寶的品種、產(chǎn)量,工藝略有變化［2］。</p><p>　　熔制仿制品的玻璃基材，可以在實(shí)驗(yàn)室用電爐、鉑金或剛玉坩鍋操作，

10、質(zhì)量易控制，性能優(yōu)良，重復(fù)性好，但產(chǎn)量偏低，成本就高。通常在工廠用大容量的甏或小型池爐生產(chǎn)，只要在操作流程中嚴(yán)格按照工藝要求，就能獲得合格的基材。</p><p>　　對(duì)原料的選擇，總的要求是鐵等雜質(zhì)含量盡可能低些，方能使產(chǎn)品的色澤鮮艷，晶瑩剔透。</p><p>　　材料中氧化物組份的引進(jìn)，選擇的礦物原料和化工原料需根據(jù)仿制對(duì)象和熔制時(shí)的氣氛要求而變更，諸如氧化鋁可以分別由氧化鋁、氫氧化

11、鋁和長(zhǎng)石引進(jìn)，但在特定條件下只能用其中的一種；紅色或金黃色一般可選用硒和硫化鎘為原料，但在高含量氧化鉛的系統(tǒng)卻不適用；同樣，有些綠色的產(chǎn)品也只能從氧化銅、硫酸銅和氧化亞銅等選擇一種或組合作為引進(jìn)著色劑的原料。</p><p>　　熔制玻璃的溫度大約1400℃，因材料的化學(xué)組成變更需作相應(yīng)的稠節(jié)。而熔制時(shí)間的長(zhǎng)短將有更大范圍的選擇。</p><p>　　常見(jiàn)的是無(wú)色透明仿鉆石用作裝飾，價(jià)格低

12、廉，對(duì)其材料的理化性能目前僅見(jiàn)是經(jīng)過(guò)鍍膜加金屬基片后產(chǎn)品的綜合數(shù)據(jù)，沒(méi)有推道對(duì)玻璃基材的精確數(shù)值。去年中科院上海硅酸鹽所研究人員協(xié)助浙江省企業(yè)消化、吸收和國(guó)產(chǎn)化（創(chuàng)新）從捷克引進(jìn)的半機(jī)械化水鉆研磨設(shè)備和工藝技術(shù)以及玻璃材質(zhì)。討論中，捷克專家組對(duì)玻璃基材的性能也沒(méi)有明確更高的要求。國(guó)內(nèi)研究人員認(rèn)為，熔制玻璃基材的原料中鐵雜質(zhì)含量要低，使制成的玻璃高度透明無(wú)色，并且沒(méi)有條紋和小氣泡充分均勻一致達(dá)到光學(xué)玻璃即可，但化學(xué)穩(wěn)定性需良好，因玻璃粒料

13、研磨成17個(gè)面或其它形狀的半成品后需經(jīng)過(guò)酸、堿溶液處理后鍍銀膜等工藝過(guò)程。</p><p>　　如果品種單一，無(wú)色透明水鉆的基材玻璃由于用量大。可以用工廠的窯爐，甚至是小型池爐生產(chǎn)，對(duì)生產(chǎn)多種彩色水鉆的玻璃基材可以根據(jù)用量大小和顏色的多少選擇窯爐或?qū)嶒?yàn)室的稍大電爐熔制，用量小或顏色品種多都不適宜用小池爐生產(chǎn)。因爐內(nèi)剩余的彩色玻璃玻要完全洗凈是較困難的，因有些無(wú)機(jī)著色劑的</p><p>　

14、　著色能力是非常強(qiáng)的。</p><p>　　根據(jù)對(duì)水鉆裝飾的晶瑩閃亮受求，應(yīng)該使玻璃基材的折射率盡可能高些，但要保持一定的黏度使其易成形操作。料性要長(zhǎng)不能有析晶傾向。成本也應(yīng)考慮，畢竟水鉆的價(jià)格不高，而是以數(shù)量大而獲取豐厚利潤(rùn)的［10］。</p><p>　　人造寶石研磨分為粗磨、細(xì)磨，粗磨在鑄鐵盤(pán)上，用金剛砂作磨料，然后在多孔、平面的砂巖輪上細(xì)磨。拋光則在木輪或毛氈輪上,拋光劑用氧化鈰或

15、氧化錫。為了提高生產(chǎn)效率，可采用金剛石粗磨輪進(jìn)行粗磨，金剛石樹(shù)脂細(xì)磨輪進(jìn)行細(xì)磨，氧化鈰拋光輪(由高彈性橡膠材料與氧化鈰混合制成)進(jìn)行拋光［11～12］。</p><p>　　拋光后的人造寶石則根據(jù)品種要求，再進(jìn)行鍍膜，可鍍反射膜、干涉膜等。傳統(tǒng)的溶液噴涂法雖然設(shè)備簡(jiǎn)單，但膜層不易均勻，膜厚也不易控制，已逐漸已被真空沉積法、磁控濺射法所代替［14～15］。</p><p>　　在水鉆加工整個(gè)

16、工藝工序過(guò)程中，水鉆分度打磨是較為關(guān)鍵的一道工序，這道工序要求出來(lái)的產(chǎn)品均勻統(tǒng)一，被打磨過(guò)的面棱角分明，立體感強(qiáng)且大小一致。所以水鉆打磨工序在整個(gè)水鉆制作生產(chǎn)工序過(guò)程中要求很嚴(yán)格。水鉆打磨是用一組打磨夾具進(jìn)行分度打磨的［4，13］，見(jiàn)圖1： </p><p><b>　　圖1 分度打磨夾具</b></p><p>　　根據(jù)產(chǎn)品系列的款式大小要求不同，通常一組夾具裝上上

17、百個(gè)蝸輪同時(shí)打磨上百顆水鉆，而且水鉆每個(gè)面的打磨都要求一致。因?yàn)槊看未蚰シ侄榷家笫志_，所以分度蝸桿是在分度打磨夾具的全部零件中最為重要的一個(gè)關(guān)鍵件。分度蝸桿的制作要求也很高，首先直線度要好，不能有彎曲跳動(dòng)，齒面粗糙度值小且有一定的表面硬度。這樣才能滿足生產(chǎn)的使用和技術(shù)要求。</p><p>　　由東北大學(xué)夏永發(fā)、陳述平和鞍鋼民政企業(yè)公司的趙新品聯(lián)合設(shè)計(jì)的鉆石飾品數(shù)控磨拋機(jī)床。該數(shù)控磨拋機(jī)床能自動(dòng)完成鉆石的裝

18、夾、分度、進(jìn)給及觀察多道工序該機(jī)機(jī)械系統(tǒng)(圖2)由承平工作臺(tái)、豎直進(jìn)給工作臺(tái)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、主軸工作臺(tái)以及磨削工作臺(tái)組成。陳磨削工作臺(tái)由交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，其余工作臺(tái)均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而每十步進(jìn)電機(jī)均由計(jì)算機(jī)控制，使得能對(duì)位移量的微控制。豎直進(jìn)給工作臺(tái)用齒輪和滾動(dòng)絲杠傳動(dòng)，使工件在磨削、拋光加工時(shí)的進(jìn)給量達(dá)到2pm，主軸及回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)分度精度達(dá)到0.05。大大地提高了系統(tǒng)的加工精度［6］。</p><p>　　圖2

19、 鉆石飾品數(shù)控磨拋機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)組成</p><p>　　PL C作為一種工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)具有模塊化結(jié)構(gòu)、與智能模塊的配置靈活、處理速度高、數(shù)據(jù)處理高速精確、設(shè)計(jì)與維護(hù)方便以及優(yōu)越的性價(jià)比等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于開(kāi)關(guān)量的邏輯控制、模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理、通信及聯(lián)網(wǎng)等方面［3］。</p><p>　　水晶研磨機(jī)是水晶加工企業(yè)的常用機(jī)械,其高速高效的特點(diǎn)是人工研磨不可比擬的，華東理

20、工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院的劉濤、劉漫丹開(kāi)發(fā)出基于PLC的水晶研磨機(jī)控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)采用THINGET XC3系列PLC及Touch Win人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)了水晶研磨機(jī)的控制。通過(guò)人機(jī)界面輸入水晶珠的加工參數(shù)，包括時(shí)間、速度和角度參數(shù)，通過(guò)PLC的在線計(jì)算，將輸入的速度和角度參數(shù)轉(zhuǎn)化為脈沖量并傳送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,再驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的速度和角度對(duì)水晶珠進(jìn)行加工。這種采用T HINGET XC3系列PLC來(lái)控制水晶研磨機(jī)，既滿足了控制的

21、要求加工出各種形狀精美的水晶，提高了效率和精度,還降低了設(shè)備的成本［7～9］。</p><p><b>　　3 總結(jié)</b></p><p>　　天然寶石為不可再生資源,產(chǎn)量日益枯竭,很難滿足不斷增長(zhǎng)的需要。因此仿珠寶材料和制品應(yīng)運(yùn)而生，得到迅速發(fā)展。目前仿珠寶主要材質(zhì)為人工晶體、玻璃、塑料、陶瓷等。仿珠寶玻璃源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，經(jīng)久不衰，而且還有發(fā)展空間。目前我國(guó)仿珠寶飾品行

22、業(yè)大都企業(yè)規(guī)模小、科技含量低，有些還是家庭作坊式生產(chǎn)。今后需要提高藝術(shù)和科技水平，將現(xiàn)代氣息和傳統(tǒng)特征相融合，既要引進(jìn)，又要?jiǎng)?chuàng)新。如仿寶石過(guò)去成形后還需研磨、拋光，工序多、成本高，國(guó)外將光學(xué)玻璃精密成形(手機(jī)上照相鏡頭成形)技術(shù)應(yīng)用到人造寶石上，一次成形，尺寸精度和光潔度很高,可不必研磨、拋光。特殊的需要拋光也可采用離子束拋光。表面粗糙度為0.01μm,精度高,僅為0.6nm。等離子體輔助拋光不僅效率高,表面粗糙度也小于0.5nm。在鍍

23、膜方面逐步采用等離子體增強(qiáng)氣相沉積、離子鍍、電子束沉積等新的鍍膜方法。</p><p>　　用玻璃能制成品質(zhì)優(yōu)良的水鉆、琉璃的基材，更可以仿制成逼真的天然彩色寶石和玉石，市場(chǎng)上早已有相應(yīng)的商品和衍生商品。形成了相當(dāng)規(guī)模的門(mén)類。在品質(zhì)的改進(jìn)方面，尚有很大的潛力。主要應(yīng)在玻璃的熔制和成型設(shè)備，水鉆和寶玉石的研磨加工的技術(shù)研究和裝備改良方面增加投資和創(chuàng)新開(kāi)發(fā)，就會(huì)使產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率穩(wěn)定在很高的水準(zhǔn)，成本會(huì)更大幅下降，

24、利潤(rùn)會(huì)更高。</p><p>　　鉆石飾品磨拋機(jī)床將會(huì)朝著具有自動(dòng)化程度高、加工精度高、降低操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度等特點(diǎn)方向發(fā)展。同時(shí)將會(huì)出現(xiàn)對(duì)天然鉆石、紅藍(lán)寶石的加工均適用新一代寶石加工業(yè)的換代產(chǎn)品。</p><p><b>　　4 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　［1］印保忠,胡百柳．彩色玻璃水鉆、仿寶石、仿玉石及琉璃的生產(chǎn)和應(yīng)用[C]．上

25、海市老科學(xué)技術(shù)工作者協(xié)會(huì)第五屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2007:108-111.</p><p>　?。?］王承遇,潘玉昆,陶瑛．仿珠寶玻璃的制造[J]．玻璃與搪瓷，2006,34(3):37-43.</p><p>　　［3］劉　濤,劉漫丹.基于PLC 的水晶研磨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010,(5):155-159.</p><p>　?。?］曾

26、妙城.水鉆打磨夾具分度蝸桿加工的工藝分析[J]．廣西輕工業(yè)，2009(9):</p><p>　　［5］Peter Cartwright．鉆石仿制品[J].寶石和寶石學(xué)雜志，2004,6(5)：35,82.</p><p>　?。?］夏永發(fā),陳述平,趙新品. 鉆石飾品數(shù)控磨拋機(jī)床設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2001,(2):13-14.</p><p>　　［7］

27、鞏長(zhǎng)慶. 新型RPM樹(shù)脂磨盤(pán)連續(xù)磨拋機(jī)[J]. 石材,2010,(6):23-26.</p><p>　?。?］張梅,黃暉.碲鋅鎘晶片的機(jī)械化學(xué)磨拋分析[J].紅外技術(shù)，2008,30(2)：111-113.［9］易國(guó)民,周健伊,易臻希. 精密磨拋頭設(shè)計(jì)[J]. 科技資訊,2007,(29):92-93.［10］徐道元,楊麗珠.自動(dòng)磨拋機(jī)在金相檢驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2007,43(1):4

28、8-49.</p><p>　?。?1］任恢躍. 一種圓弧板磨拋及切邊的工藝裝備[J]. 石材,1999,(12):22-24.</p><p>　?。?2］余忠民,匡同春,白曉軍,王成勇,郭鐘寧.CVD金剛石膜的機(jī)械拋光加工研究[J].硬質(zhì)合金，2000,17(3):151-155.</p><p>　?。?3］袁慧,樊晶明,王成勇,魏聽(tīng).半自動(dòng)磨拋機(jī)磨削遠(yuǎn)動(dòng)軌跡

29、和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].技術(shù)探討，1998，(9)：13-14.</p><p>　?。?4］Jianyun Shen,Weimin Lin,Hitoshi Ohmori,Xipeng Xu.Surfaces Formation of Precision ELID Grinding Rock Minerals[J].301-304.</p><p>　　［15］CANHUA LI,ISHWA