刻划测试（通用4篇）
刻划测试 篇1
早在20世纪90年代初,美国明尼苏达大学即开始了岩石刻划测试研究。英国帝国理工大学、法国道达尔岩石力学实验室等世界各地的实验室对300多种类型的沉积岩进行了大规模的刻划测试, 开展了深入的理论与应用研究,利用刻划手段评价岩石力学强度参数的方法已在欧美等发达国家得到了广泛的应用[1—3]。利用岩石强度连续刻划测试结果进行岩石力学分析和建模是当前岩石力学测试方面最大成就的进展。
然而我国刻划测试相关理论研究与应用基本尚属空白,国内通常采用抗压方式测试岩石强度,该方法对实验岩样的尺寸、端面平整度及完整性有很高要求,岩样加工困难,且实验所需岩样多、利用率低。 另外,传统测试方法只能获得某一深度点处的岩石抗压强度,因此不可能很好的描述整个地层的强度非均质特性[4—7]。
详细介绍了利用刻划测试岩石抗压强度的原理、方法以及测试技术,对均质砂岩和非均质泥页岩进行了刻划测试研究,并与传统方法测试结果进行了对比和可靠性分析,结果显示利用刻划测试获得的岩石抗压强度的方法准确、可靠。
1刻划测试理论模型
刻划测试( scratch testing) 是利用金刚石刀片沿岩石表面以一定的横切面积和速率切削( 刻划) 出一条沟槽并获得岩石抗压强度等岩石力学特性参数的过程。
国外通过大量的实验研究发现: 岩石破坏存在塑性破坏和脆性破坏两种形式; 且岩石破坏形式主要与刻划深度有关; 而岩石存在门限刻划深度,当刻划深度小于门限深度时,岩石破坏形式表现为塑性破坏[见图1 ( a) ]; 反之则为脆性破坏[见图1 ( b) ]。在塑性破坏模式下,刻划消耗的能量与切割岩屑体积成正比,岩石固有破碎比功与其单轴抗压强度UCS数值具有很好的关联性; 因此,利用刻划测试确定岩石抗压强度必须要采用塑性破坏模式进行刻划[8—15]。
E. Detournay和P. Defourny( 1992年) 建立了塑性破坏模式下锋利刀片受力的现象学模型,在该模型下刀片底部摩擦忽略不计,在刻划过程中刀片受到力F的作用,( 见图2) ,水平方向( 即切向力方向) 定义为s,垂直方向( 即正应力方向) 定义为n,则F可分解表述为[1,8]:
式中,Fs为切应力,N; Fn为正应力,N; ε 为岩石固有破碎比功,MPa: w为刀片的宽度,mm; d为刻划深度,mm; A为刻划面横切面积mm2; θ 为刀片后倾角,°; ψ 为界面摩擦角,°; ζ 为正应力Fn与切应力Fs的比值,其值为常数,由式( 4) 得到。
参数 ε 为岩石固有破碎比功,利用式( 1) 可以得到岩石的破碎比功 ε,即切应力Fs与刻划横切面积A的比值,研究表明其数值与岩石抗压强度基本
一致[1—3]。因此,利用现象学模型可以对刻划测试结果进行解释,并得到岩石的抗压强度。
2刻划测试技术方法
2.1试验设备
刻划试验设备采用美国Terra Tek公司全尺寸岩心强度连续刻划测试系统MPTS( mechanical profiler test system) ,该系统主要包括: 1刻划驱动装置、 2载荷测量仪、3深度测量仪、4水平位移测量仪、 5刻划刀、6岩样固定装置、7计算机采集和控制系统,MPTS具体技术参数见表1。其工作原理是: 在计算机控制下的驱动装置驱动刻划刀以某一恒定速率和恒定深度对岩石表面进行刻划,计算机实时采集和记录刻划刀的位移、受力等数据,将测得的受力数据代入刻划测试理论模型计算得到岩石的抗压强度。
2.2技术要求
刻划测试要满足以下四个基本技术要求:
( 1) 最小刻划深度要保证不发生脆性破坏,即塑性模式刻划;
( 2) 最小刻划深度要大于岩石晶粒尺寸,以保证测得是岩样集合体的强度,而不是仅仅测得某一矿物成分的强度;
( 3) 刻划速度的选取与岩性有关,刻划速度应小于10 mm/s;
( 4) 确保刀片清洁、无损伤。
2.3试验方法
刻划测试程序一般包括以下几步:
( 1) 岩样装配: 选择好刻划面,并确保岩样的埋藏方向和刻划方向保持一致,利用夹板将岩心固定牢靠;
( 2) 刻划正式开始前,对岩心表面预刻划处理, 通过反复几次刻划使刀片与岩心表面均匀接触;
( 3) 评估岩样的强度确定刻划速率和刻划深度,正式开始刻划测试,计算机实时采集和记录刀片受到的水平切向力和垂向力等数据;
( 4) 保持刻划起始点、刻划面、刻划深度和刻划速率不变,再重复进行2次刻划测试;
( 5) 刻划测试完毕后,取3次刻划数据平均值, 进行事后数据处理和分析。
3实验结果及可靠性分析
为了便于阅读和避免混淆,对经常出现的名词术语做简要说明: UCS即单轴抗压强度 ( uniaxial compressive strength) ; UCS刻划即利用刻划测试方法求得的单轴抗压强度; UCS抗压即利用传统抗压测试方法求得的单轴抗压强度即利用刻划测试方法得到的单轴抗压强度的区间平均值 。
3.1实验取样
本次试验测试岩样为均质砂岩和非均质泥页岩,其中泥页岩来自西南地区T1井和N1井,砂岩选自华北地区W14井、W44和W47井,具体岩样信息见表2。
图3为刻划岩样固定示意图: 其中岩样夹持器的夹板可自由调节以匹配不同尺寸的岩样,将岩样平直放置于夹持器中,将固定螺母上紧,即完成刻划岩样制备,制备岩样前后端高低差以小于0. 5 mm为宜。
刻划试验结束后,进行传统抗压试验岩样加工, 按照国家标准将岩样制备为直径2. 5 cm、长5. 0 cm的小岩芯,两端面在磨平机上磨平,加工后的两端面不平行度应小于0. 05 mm。本次试验总计钻取和加工了8块垂直地层的小岩芯。
3.2实验结果
为保证在塑性破坏模式下进行刻划测试,本次试验刻划速速设为3 mm/s,刻划深度设为0. 18 mm / 次,刻划获取了5块大岩心的强度连续剖面; 并利用传统抗压实验方法测得了8块小岩芯的抗压强度,实验结果见表3。
砂岩测试结果分析以W14井岩心为例,岩心抗压强度连续刻划测试剖面显示: 岩心抗压强度具有良好的均质性,沿岩心刻划长度方向UCS刻划值均匀分布在125 MPa左右,见图4。沿岩心埋藏方向,在岩心上部、中部及下部各取1块垂直小岩芯,并记录相对应的岩心刻划位置,开展传统抗压强度试验,测试结果分 别为127. 14 MPa、125. 24 MPa、130. 03 MPa ; 求取对应位置处值,对应刻划测试结果分别为125. 87 MPa、127. 29 MPa、128. 02 MPa ,两种实验结果值之间的误差最小仅为1. 00% ,平均误差只有1. 40% ,见表3。
利用相同方法,分别对W44井、W47井、N1井和T1井的岩心进行了刻划测试和传统测试,通过实验结果对比发现: 均质砂岩测试结果误差更小,非均质泥页岩测试结果误差较大,但两种测试方法的实验结果误差( 除N1井岩心外) 均在5% 以内,均处于正常范围之内,具体实验结果见表3。
注: 星号标记为传统测试实验取心位置
泥页岩测试结果分析以N1井岩心为例,图4为N1井岩心抗压强度连续刻划测试剖面图,从图中可以看出岩石矿物组分及层理结构发育强烈,肉眼不易分辨的微裂缝也十分发育,岩石抗压强度非均质性表现十分剧烈,沿刻划方向UCS刻划值在[20 MPa,160 MPa]区间内剧烈起伏变化。由表3可知, N1井泥页岩岩心测试结果误差最大,误差值为7. 87% ,这种误差是真实而可接受的,对于泥页岩、 碳酸盐岩等非均质性较强的非常规复杂地层岩石而言,岩石结构非均质性、矿物组分非均质性、层理和局部特征( 裂缝、裂隙、剪切面) 都强烈地耦合与岩石强度非均质性之中,传统测试方法获得的结果值总会过高或过低地估计了薄弱层或坚固层等岩石层段处的强度值,大大降低测试结果质量。
两种测试方法对比研究发现: 传统测试方法很容易忽视岩石强度非均质性的重要性,且不能发掘常规测试获得的异常值的潜力; 刻划测试结果能定量描述岩心细微和高度的强度非均质性,大大提高测试结果质量; 同时可以弥补传统实验方法无法获取岩石强度剖面及难以普遍测试泥页岩等复杂地层岩石强度的不足。
3.3可靠性分析
利用表3中的实验数据将两种测试方法得到的UCS值进行线性拟合,拟合结果见图6,两者线性相关系数高达0. 99,拟合公式为:
图6中纵坐标为利用刻划测试得到的岩石固有破碎比功 ε,上文已经提到其数值与岩石抗压强度UCS值基本一致[1—3],故纵坐标也可表示为UCS刻划值,本次实验结果再次验证了这一结论是正确的; 横坐标为利用传统抗压测试方法得到的UCS抗压值。
刻划测试结果的可靠性分析研究显示,这种新技术能够提供连续、高质量的岩石强度数据,测试结果能够显著提高岩石力学数据段质量和代表性,能为钻井、完井和储层评估计算提供关键参数,不仅在传统石油勘探开发领域,而且在页岩气等非常规领域亦具有广泛的应用价值。
4结论
通过以上实验研究可以得到如下结论:
( 1) 刻划测试能够提供连续、高分辨率的岩石抗压强度剖面,具有选样灵活、岩样利用率高( 无损伤刻划) 、准确便捷等优点,可以弥补常规实验方法无法获取岩石强度剖面及难以普遍测试泥页岩等复杂地层岩石强度的不足。
( 2) 刻划测试可评价岩石结构、矿物成分等非均质性对岩石强度的影响,也可用来评估矿物组分、 岩石结构、裂缝密度、沉积层序( 层理) 厚度和沉积岩其他重要结构特点的细微变化情况。
( 3) 刻划测试实验结果准确、可靠,既适用于砂岩等常规地层岩石强度测试,也适用于泥页岩等非常规复杂地层,在页岩气等非常规油气领域拥有极大的应用推广价值。
( 4) 刻划测试在井壁稳定性评估、地应力大小计算、安全泥浆密度窗口推荐、测井解释结果标定等方面具有广阔的应用价值,有待进一步深入研究。
刻划测试 篇2
刻线由描到写 :“书、刻同源”,书法注重笔力,陶瓷刻划也是如此,重“线”的表现,骨法、气韵,通过单纯的线刻、绿釉隐现、高妙雅韵、影响深远,历经宋而至元明清。
装饰刻划的历史远在旧石器时代已有萌芽,在新石器时代的红陶、黑陶上就出现刻划纹、压印纹等装饰, 如河姆渡出土鱼藻纹盆、江苏邳县出土的系列陶器,此时的刻划抽象、粗放。青瓷在东汉时期的越窑烧制成功, 刻划是越窑较为多见的装饰手法 ;如五代越窑秘色瓷摩羯纹粉盒,整体图案布局工整华丽,刻划形象生动、细致传神,线条流畅,是越窑青瓷发展高峰时期的珍品。越窑青瓷当时不但是贡品,还是唐代重要的贸易产品。宋代陶瓷刻划,陶工吸取前人的经验,不断改进利用不同的工具刻划纹样,在技术上透露出的圆润顺畅,潇洒自如, 达到线刻装饰和造型的完美结合。刻划工艺成为宋代陶瓷装饰的重要表现特征之一,其独特而精湛技艺,将剔、 刻、划引入到青瓷装饰上开创了陶瓷装饰艺术的一个新领域,将这技艺发展创造至巅峰时期。如北宋早期龙泉金村窑的执壶,(如图1)与越窑风格相近,金村窑淡青釉产品,造型规整端巧,制作精细讲究,器表纤细刻划, 形象生动自然。该时期主烧民瓷,但也有贡瓷,宋代庄季裕《鸡肋篇》谓 :“处州龙泉县……又出青瓷器,谓之乞讨色,钱氏所贡,盖同于此…。”除此以碗、盘、壶、 杯、粉盒等生活瓷为主,也有仿青铜礼器造型,以琮式瓶、 双龙耳簋式炉等仿古青铜礼器。
2妙笔生花的刻划花与装饰工艺
刻之体势,一刀而成,气脉连通,重视对刻法的意趣, 突出刻线独特的审美价值,书法重视笔墨,是创造者表达内心情感的笔墨化线条,这和陶瓷装饰刻划的表现如出一辙。不施彩,用青釉的厚薄润色出刻划线装饰肌理的独特美感,成为青瓷装饰的重要风格特点之一。刻划线的独特表现形式,从其技法特点、营造意境的线划把握, 继承发展了中国陶瓷艺术的线刻划等内涵,创造独特性的根源,开拓更多技法空间,把握传统工艺的重巧不工的艺术特点。
2.1刻划装饰主要内容
刻线的各种特点,透露出的圆润顺畅,“清风秀骨” 中追求简化线条,青瓷装饰方法大致有印、刻划、镂堆贴三类,“半刀泥”刻划手法,在北宋时期达到青瓷装饰的高峰, 成为当时陶瓷装饰的一种主流。刻划利用下刀轻重和倾斜度等手法,意在刀前,行刀快捷,时如蚕丝吐线、 行云流水,时而灵动飘逸 ;高度简洁、概括。刻花装饰在不同的窑厂、不同的窑工处理方式稍有不同,有些在坯体成型含水量较高就开始刻花,操作较难,因而纹饰简练概括,刻划装饰的布局,以使用功能的不同和视觉效果采用不同的装饰,碗盘装饰于内壁,较高造型的罐、 瓶、执壶等饰于外壁等规律。具体刻划纹样基本上以适合纹样为主,按器物造型构成相应的适合纹样、二方连续和单独纹样,有一定变化规律达到视觉和心里的平衡。 宋代分层处理的构图手法为后世装饰延续使用。构图分格式处理,如敞口刻花云纹碗,内壁刻双S形,分五格, 格内用云纹装饰,具装饰趣味增添了生趣。
题材也丰富多样,主要以荷花和牡丹花卉为主,还有吉祥寓意的花果、鸟禽、人物、龙凤等为主题,深刻的反映人们社会生活的美好祈愿。重写意写实不重说教, 是传统青瓷装饰刻划风格重要特征之一。宋人的创造构思、造型技法的运用日趋成熟,写意技巧非常讲究,线刻划达到非常高超的水平(,如图2)宋代“刻花牡丹纹盘”。内壁饰主题缠枝牡丹纹,纹样外的空间排列密密层层的篦点纹,烘托出刚劲有力的牡丹花,具有丰满、感性、优雅、 柔和、节奏感强画面。按图需要配置花叶和枝干,形成统一和谐的画面。刻花纹样,布局主次分明,花纹以正面为主,其刀法利索、线条刚劲、疏密有致、排列规整。
2.2刻划装饰与工具关系
青瓷装饰如此之美,与陶工使用工具的有很大关联度。先秦孔子《论语·卫灵公》:“工欲善其事,必先利其器。 居是邦也,事其大夫之贤者,友其士之仁者。”要做好一件事情之前,先要使工具锋利….。对工具使用的考究表现出文人情趣和思想。古代陶工们发明了许多刻划工具, 工具的使用加强了青瓷装饰的独特表现力和塑造力,成为代代相传的宝贵财富。
不同纹饰的刻划需要采用不同刀具,主要有 :刻刀、 针刀、篦刀,材料用铁或竹制成。刻刀,主分平口刀(主刻纹饰)和斜口刀,按照轮廓边缘刻下,刻刀倾斜,力先重后轻,先深宽后浅狭,先平后斜的规律。刻划装饰手法有两类 :一类用侧刀一次刻出斜坡状的线条花纹轮廓,外侧浅薄,内侧深凹,用的力度不同,就会出现深浅、 浓淡、粗细之变 ;刻划虽不用笔来描绘,但仍有其笔墨韵味。另一类用直刀刻出细线,再紧靠细线外刻出斜坡状的宽线,用篦刀画出篦点纹,强化装饰形象或作为底纹衬托主题。
侧锋用刀类似中国传统人物画重要技法之一的“钉头鼠尾描”技法,其线条起笔收尾形似钉头、鼠尾,曲线刻划用腕力,前宽后狭、中间宽两头小的月牙线。曲线表现具有节奏感和韵律感,(如图3)北宋青釉刻花菊瓣纹碗是青瓷刻划花的代表作品。通过曲线的粗细、运动方向疏密有序排列来塑造菊瓣,产生强烈的动感,表现出流畅悬垂、舒展飘逸的刻线感受,同时体现出工匠的高超技艺,成为一件充满韵律美的精品。将宽、扁、粗、 细等造型变化体现出来,刻线条极具韵律,仔细看之,发现刀线的轻重缓和恰到好处。看似柔和细腻却刚劲有力, 达到了线刻和艺术审美完美融合。斜口刀:如“中锋用笔” 力度匀平,刀锋垂于器形表面,圆浑稳重而深沉。
针刀 :刻划曲线较多,刻线圆润顺畅,潇洒自如十分有力,用来刻细线或修整线条。
篦刀 :用来排线。主要表现水纹丰富画面层次,排线的运用极富变化,“之”字状的篦纹早期陶器装饰较为多见。如图4宋耀州窑青瓷划花三鱼小碗,海水纹波浪式篦纹,器内壁刻划小鱼三尾,对称严谨,鱼纹斜刀勾勒简笔的外形与海水波浪式篦纹交织在水波间,颇有鱼儿破波的律动感,工具设计的合理性、使用的独特性, 使青瓷艺术受到人们的普遍喜爱。用抽象的线、面表现形式,构成了轻重缓和、高低起伏、宽窄不同、深浅明暗、 层次丰富、虚实相生的美学理念,按造型装饰的需要构成各种各样的花纹装饰及图案,达到线面造型协调统一。
3刻划手法对当今陶瓷创作的影响
刻划装饰,开拓陶瓷的新意境,使我们深刻感受刻划的艺术表现力和创造力,师古人之心,参前人之技, 为今之用,舒艺术之情,表时代之风貌,独特的情感表达、纹样设计、布局营造对艺术人文精神的传达和发展, 传统陶瓷造型装饰风格,简洁、实用、美观的理念,为当代的陶瓷装饰方法留下了宝贵的财富,显得特别珍贵。 对传统文化理解、国际大环境求新求奇的表象、缺乏传统美的传达的缺失,都是当代陶瓷设计的诸多问题。如今放眼望去,国内外当代陶瓷装饰设计显出对传统的尊重,如图5笔者作品《刻器系列》其陶瓷设计风格并没有夸张的造型和装饰 , 体现的是考究的工艺和独特的传统装饰风格。向传统学习,使传统陶瓷文化发挥作用和价值。
刻划测试 篇3
衍射光栅是航空、军工等领域光谱仪器的核心元件。机械刻划加工方式[1]在制作低刻线密度原刻衍射光栅方面具有独特的优势。它是利用金刚石刻划刀在镀有金属膜 (如铝膜) 的基底上进行挤压、抛光, 形成光栅槽形的过程[2-3]。
光栅机械刻划已有近200年的历史。目前, 世界上光栅刻划技术领先的是法国、德国、美国和日本等发达国家, 其机械刻划光栅工艺先进, 光栅品质已经接近极限。国内衍射光栅机械刻划工艺方法仍与几十年前相同———正式刻划前需要通过多次、长时间的试刻划, 并且在刀具设计与刻划时加入经验值进行槽形补偿[4-5], 才能获得合格品。 这导致成本高、浪费大, 机械刻划槽形无法预控。 近年来, 国内外许多学者针对刻划机、金刚石刻划光栅理论、金刚石[6]刻刀晶面定向与刃磨工艺等开展了研究, 并取得了阶段性成果, 但尚未有针对刻划工艺与槽形预控的研究报道。
光栅刻划中, 铝膜材料变形是几何非线性与材料非线性的问题, 而有限元模拟分析技术是解决复杂工程技术问题的有效途径, 故将材料试验与有限元模拟技术相结合是研究光栅刻划槽形预控的有效方法。对光栅刻划成槽工艺过程的研究结果表明:光栅成槽与刀具结构参数、工艺及安装参数 (统称为工装参数) 关系密切, 因此需要一种有效的方法, 即通过预先设定正确的工装参数来实现对槽形的预控。
1刻划过程分析与转化
1.1刻划工装参数与槽形参数的定义
1.1.1工装参数的分析与确定
金刚石尖劈刀刀具结构如图1所示, 它由2个前刀面 (定向面和非定向面) 、1个后刀面、1条主刻划刃和2条副刻划刃构成, 是一个以刀尖为基点, 具有“三面三刃”的空间三棱锥结构。由此建立刀具正交参考坐标平面, 如图2所示。
在此坐标系下定义刀具结构参数:
(1) 刀尖角———在正交平面内测量的刀具定向面与非定向面之间的夹角。
(2) 定向角———在正交平面内测量的刀具定向面与基面间的夹角。
(3) 俯仰后倒角———在倒角平面内测量的刀具后刀面与基面间的夹角。
(4) 滚转后倒角———在基面内测量的后倒角面的法平面与刻划平面之间的夹角。
(5) 刃口半径———磨制刀具时, 3条刃上产生的圆角半径。
刀具安装参数:
(1) 滚转角———绕刻划平面与基面相交轴旋转产生的角度。
(2) 俯仰角———绕正交平面与基面相交轴旋转产生的角度。
(3) 方位角———绕刻划平面与正交平面相交轴旋转产生的角度。
(4) 刻划速度———刻划过程中, 刻刀单位时间内的行进距离。
(5) 落刀深度———刻划刀刀尖点距离薄膜表面的垂直距离。
1.1.2槽形参数的定义
图3为衍射光栅机械刻划示意图, 刻划后理想的槽形各参数用图4表示。图4中, φ为槽底角;θ1为闪耀角;θ2为非闪耀角, θ2=180°-θ1- φ;d为光栅常数;b为槽宽;h为槽深。
由于实际刻划的槽形截面与理想槽形截面不一致, 所以实际槽形各参数的度量采用“主要近似法”或“加权平均法”对槽形作几何近似, 将代表槽形的主要结构作为度量对象, 或将槽形主要结构与次要结构作加权平均后作为度量对象。本文根据光栅刻划的实际情况, 采用“主要近似法”对槽形参数进行描述。
1.2刻划工艺理论分析与过程转化
利用高倍率显微镜对刻划后的光栅端面及截面进行观测, 发现两端没有材料挤出的现象 (图5) , 多个光栅槽形截面的重合性好 (图6) 。从两端无材料挤出且多个槽形截面重合性好可知, 刻划过程中不产生切屑, 几乎没有材料沿纵向流动, 光栅刻划过程可近似认为是铝膜受刻划刀挤压, 薄膜材料向两侧隆起的过程。
刀具在刻划光栅行进过程中, 在铝膜上形成三角槽形。经过刀尖点沿刻划方向取铝膜任意截面C (图7) , 当刻刀沿刻划方向进给至L1时, 刻刀在截面C上投影的三角形高为H1。同理, 进给至L2时, 高为H2。依此类推, 当刻划深度不再变化时槽形截面投影的三角形高便是刻划深度。由此, 便可将刻划过程转化为楔形片压入过程, 将三维刻划转化为二维平面应变问题。
1.3光栅刻划实际截面投影求解分析
初始建立的坐标系如图8所示, 以OX轴正方向为刻划刀行进方向, 在正交平面OYZ上投影: 角A为定向角。OP为初始定向面在OYZ上的投影, 当刀具经过安装参数俯仰角α、滚转角β、方位角θ调整后, 定向面在OYZ上新的投影为OP′, 新定向角为A′。
根据OP的方向余弦 (0, cos A, sinA) , 可求得
从式 (1) 可知, 光栅刻划实际截面投影与定向角、俯仰角、方位角、滚转角的函数关系, 通过调整其中几个参数, 便可得到新的投影位置与截面形状。
2光栅机械刻划过程有限元模拟
2.1材料力学参数的获取
为了进行有效、准确的光栅刻划数值模拟试验, 须对刻划成槽有较大影响的力学参数如弹性模量、金刚石与铝薄膜的摩擦因数等进行准确测量。
这里以79线/mm中阶梯衍射光栅刻划模拟实例为参照, 对6.5μm厚铝薄膜样本做纳米压痕与划痕实验, 图9为纳米压痕实验图, 横坐标为纳米压头压入深度 (位移) , 纵坐标是压头压入力的大小 (载荷) 。图10为纳米划痕实验图, 横坐标为划针划入铝薄膜时间, 纵坐标分别为法向力、横向力及它们对应的位移。表1所示为多次重复试验分别得到的弹性模量E、金钢石刻刀与铝薄膜间摩擦因数的平均值。根据文献[7-10], 运用量纲理论、反演方法和有限元模拟对纳米压痕实验进行分析, 最终拟合出应力-应变曲线。以上力学参数的获取, 保证了模拟仿真结果的准确性。
2.2有限元模拟分析与数据处理
通过对光栅刻划工艺的分析, 采用有限元软件DEFORM[11]进行模拟时作如下设定:
(1) 刻划刀为金刚石材料, 其强度、硬度远高于铝膜材料, 将其设为刚性材料。
(2) 铝膜在刻划过程中发生塑性形变并伴有非线性弹性变形, 将其设为弹塑性材料。
(3) 对刻划刀作用铝膜处采用局部细化网格与自动重划网格设定, 以解决运算精度与模拟时间的矛盾, 使后面的正交试验具有可行性, 如图11所示。
模拟后为了获得准确槽形, 利用DEFORM软件后处理功能对槽形作剖切分析:在光栅槽形各参数中, 槽深及槽宽可通过点的坐标采集方式直接利用DEFORM中相关功能计算得出[12]。 由于DEFORM-3D不含有角度测量功能, 故将槽形截面图导入CAD中进行角度测量 (图12) 。 同时, 为了提高数据采集精度, 采用多次测量计算取平均值的方式。
3光栅刻划正交试验分析
为分析各工装参数对槽形的影响程度, 对各影响因素取不同的水平进行正交试验。
3.1正交试验表
正交试验[13]具有试验次数少、试验效率高、 试验效果好等优点, 光栅机械刻划过程中对槽形产生影响的因素有刀尖角等10个因素。水平数选的越多, 规律曲线越趋于真实可信, 但水平数过多, 正交试验的次数越多, 综合考虑正交模拟试验所需时间与可信程度, 采用正交试验法并按照L50 (511) 进行正交试验, 如表2 (部分) 所示。
3.2影响光栅槽形主次因素的分析
以槽底角为评测指标, 分析各工装参数对槽底角影响轻重程度, 其他槽形参数的评测与此类似。表3为10个工装参数在不同水平下, 评测指标-槽底角之和列表。Ⅰ~Ⅴ分别为各影响因素的水平, R为因素的极差, 即每个因素水平Ⅰ~Ⅴ 中最大值与最小值之差。R越大, 因素对试验指标的影响越显著。影响槽底角各因素的轻重程度从大到小排序依次为刀尖角、方位角、定向角、俯仰后倒角、刻划速度、刃口半径、刻划深度、滚转后倒角、滚转角、俯仰角。R值过小的影响因素可忽略不计, 取极差为0.1, 这样得到影响槽底角的主要因素:刀尖角、方位角与定向角。
4各主要影响因素对光栅槽形的影响规律分析
仍以槽底角为例, 为建立一个可信的、优化的多因素数学评价模型, 需要确定每个单因素对其影响规律。故采用单因素分析法, 观察刀尖角、方位角与定向角对槽底角的影响关系, 发现三者对槽底角的影响关系均成近似线性关系, 如图13~ 图15所示。
5槽底角解析数学模型的建立与求解
根据主要影响因素对光栅槽形影响规律的分析, 槽底角多因素解析数学模型可设为
式中, X1、X2、X3分别为刀尖角、方位角与定向角;B1、B2、 B3分别为X1、X2、X3的系数。
用矩阵形式表示式 (2) 并变换后得系数B:
B = (XTX) -1XTY (3)
根据表3结果, 对式 (3) 求解, 得B1= 0.9763, B2=0.9574, B3=0.0537。故
Y =0.9763 X1+0.9574 X2+0.0537 X3 (4)
为评测模型 (式 (4) ) 整体参数的显著性, 引入F检验, 其中取δ = 0.001, 查表F (3, 46) = 6.60。而F′ (3, 46) =167.4047F =6.60, 拒绝原假设, 即自变量全体对因变量Y产生显著线性影响。
上述模型的计算与仿真是基于真实的光栅刻划过程所进行的有限元模拟分析, 通过所建立的槽底角数学模型, 可预先计算得到槽底角的大小。
6光栅刻划实验［１４］分析
仍以刻划79线/mm中阶梯衍射光栅90°理论槽底角为例, 采用舒伯哈特公司制作的刻划刀进行刻划实验。刀具结构参数如下:刀尖角为87.5°, 定向角为62.5°, 后倒角为60°。安装参数如下:滚转角为2°, 俯仰角为3°, 方位角为0.5°, 刻划深度为3.4μm。
刻划后经空间分辨达纳米级的原子力扫描电镜检测, 运用NanoScope软件的section分析功能, 得到实际槽形截面剖切图 (图16中, 角1为非闪耀角, 角2为闪耀角) , 通过量取V1、H1、V2、 H2, 计算得刻划实验槽底角:
通过解式 (4) 得
从观测结果可以看出, 预测槽底角与实际刻划槽底角的值十分接近, 证明所建立的数学模型是可用的, 以刻划模拟为基础的槽形数学模型建立方法是可行的。
7结语
采用刻划实验与有限元模拟技术相结合的研究方法, 并结合正交试验与单因素试验手段, 可建立以槽底角、闪耀角、槽宽、定向面槽深、非定向面槽深等为槽形评测指标的预测性解析数学模型。 该项研究将有限元模拟技术、材料测试技术、实验设计与分析等多种方法相结合, 成功地应用于光栅刻划工艺分析中, 使刻划光栅工艺手段更先进、 工艺更合理。
摘要：目前, “试刻划”加工光栅的工艺模式耗时长、效率低, 且机械刻划光栅的槽形无法准确预控。通过纳米压痕实验对光栅刻划铝薄膜的微观结构及力学性能进行了表征, 采用DEFORM有限元分析软件并结合正交试验对成槽过程进行了研究, 通过对数据进行极差分析和单因素影响规律实验分析, 建立了槽底角数学工艺模型。研究结果表明, 光栅刻划过程可转化为楔体下压过程, 基于有限元模拟实验的槽底角数学工艺模型可用。
刻划测试 篇4
在现代陶瓷装饰发展中, 陶瓷刻划花艺术在陶瓷工作者们共同努力下, 继承传统, 不断创新, 涌现出大量新思想、新风格、新题材的刻划花艺术作品, 使陶瓷装饰呈现出一种全新的面貌。本文从装饰纹样、色彩语言、综合装饰技法和工艺创新入手, 阐述陶瓷刻划花艺术在现代陶瓷装饰中的新面貌, 使我们能够更好地认识陶瓷刻划花艺术在现代陶瓷装饰中的重要性, 为推动陶瓷刻划花艺术的发展提供理论上的探索。
1 陶瓷刻划花的装饰构图及纹样的多样性
陶瓷刻划花艺术在现代陶瓷装饰中的构图形式随意、灵活, 多根据作者的主观需要进行构图。在传统刻划花艺术中, 刻划花装饰多以适合纹样为主, 纹饰多采用二方连续、四方连续或缠枝、折枝的形式按器物造型构成相应的装饰纹样, 从图案、图形的组合方式上来说, 传统刻划花艺术以锦地开光式、缠枝式、通体连接式、图案边脚式、分格条块式和分层平地式为主。而当代陶瓷刻划花因其艺术形式的变化, 出现了一些新的构成方式, 如散点满布式、自由缠枝式、分割错位式、分解组合式等构筑形式。散点满布式, 就是将单元纹样作为一个点, 在器物上进行均匀的装饰;自由缠枝式, 是在传统的缠枝纹样的基础上的发展变化, 与传统的缠枝纹样相比, 自由缠枝式强调的是纹样的均衡与和谐, 形式也更加自由多变;分割错位式, 是将一个或几个完整的装饰画面分割成两部分, 并有意的错位挪动, 形成现代感较强的装饰骨骼形式;分解组合式, 是把完整的装饰纹样分解, 再按照形式美法则把纹样打散重构的一种现代构成形式。陶瓷工作者们在创作过程中可以灵活运用这些构图形式, 创造出更具艺术效果的当代陶瓷刻划花艺术作品。
在传统陶瓷刻划花艺术中, 装饰纹样占据着重要地位, 一方面装饰纹样是对器型的美化, 另一方面装饰纹样寄托着人们对客观世界的理解和评价, 以及人们对生活的美好向往。因此在传统陶瓷刻划花艺术中, 装饰纹样多以寓意丰富的花鸟动物为主, 如象征富贵的牡丹, 象征高洁的松竹, 象征喜庆的喜鹊, 象征长寿的仙鹤;同时也不缺少古人对世俗风情的刻画, 如戏曲人物, 历史故事, 渔隐、婴戏、山水等等。而在现代陶瓷装饰中, 陶瓷刻划花纹样在继承传统的基础上, 更多的结合其它艺术门类以及技法进行创作, 一方面是信息化时代极大的扩充了人们的视野, 使得表现素材或表现对象获得了极大丰富;另一方面其它艺术门类表现语言的引入, 如中国画、油画、摄影、剪纸、皮影、木刻年画、石雕等, 在丰富陶瓷刻划花纹样的同时也使得现代陶瓷刻划花艺术获得新的发展。
2 陶瓷刻划花在色彩语言上的丰富性
色彩是陶瓷视觉审美的重要语言, 传统刻划花艺术, 多以单色或素色为主, 究其原因首先是审美取向, 如宋代瓷器艺术是以清新, 含蓄, 淡雅为美;表现在陶瓷刻划花艺术的色彩语音上不但以“素”为美, 而且在刻划纹饰上也较少添加任何有损“素”的形式, 这种素雅的美, 是一种“饰极反朴”归于平淡的美, 其次传统刻划花陶瓷大多是生活实用品, 也限制了传统刻划花艺术在色彩语言上的发展;最后刻划花纹样多以浅浮雕为主要的表现形式, 要想突显出刻划花纹样的美感, 需要以单色或素色作为映衬。而现代刻划花陶瓷已经不单单局限于生活实用品, 更多的是陶瓷艺术品, 这也决定了现代刻划花艺术必然要在传统的基础上进行突破与创新, 其次现代人的审美取向要求陶瓷工作者们对刻划花艺术进行色彩语言上的创新, 传统刻划花艺术色彩语言虽然素雅, 但随着现代政治、经济、文化的发展, 人们的审美情趣已发生显著的改变, 传统刻划花艺术的色彩语言已不能满足大众的审美需要。现代人们要求陶瓷作品拥有更加生动的形象, 更加丰富的色彩表现语言来点缀他们的生活。再次现代陶瓷釉料工艺的发展, 为陶瓷刻划花在色彩语言上的丰富提供了可能, 现代陶瓷刻划花艺术借鉴古彩的那种浓艳的大红大紫的民族装饰风格, 也可以采用新彩那种丰富多变的色彩表现形式, 以及颜色釉的那种绚烂多变肌理。各种色彩相互交融, 相互渗透, 相互衬托, 构成了丰富而微妙的色彩层次, 使现代刻划花艺术有飞速的发展。总之, 当代陶瓷刻划花艺术已经开始往绚丽多彩的艺术方向发展。当代陶瓷刻划花艺术丰富多彩的釉色构成了一种丰富多彩的艺术意境, 展现了传统陶瓷刻划花艺术新的生命力。
3 陶瓷刻划花在装饰技法上的多元性
在传统陶瓷刻划花艺术中, 刻划花是剔花、刻花、划花、镂空、蓖划纹、蓖点纹等工艺技法的统称, 在传统陶瓷行业中, 一件陶瓷产品要经过十几道工序才得以完成, 古人在陶瓷生产过程中分工明确, 一个人掌握一种技能, 在岁月的磨练下, 陶瓷技艺高度纯熟, 是我们现代人所不能比拟的, 古人这种分工合作生产陶瓷产品的方式, 可以发挥技术上的优势, 但这种生产方式也限制了传统陶瓷刻划花艺术的创新与发展。而现代陶瓷是集造型、色彩、材质、工艺等要素于一体的多元化的艺术形态, 这要求现代陶瓷工作者具有丰富的艺术修养, 能够熟练掌握多种技法, 并能综合使用多种工艺, 充分发挥各种艺术语言的作用。当代陶瓷刻划花艺术这种综合装饰形式是把各种艺术语言进行巧妙的综合, 并充分发挥各种技法使各种艺术语言相互映衬, 形成一种综合力量的形式, 它能使作品的表现语言丰富多彩, 为作品更具个性和特征提供了可能。当代陶瓷刻划花艺术充分发挥坯釉材质的特性以及各种工艺技法的长处, 相对传统陶瓷刻划花艺术单一的刻划技法来说, 对形象塑造更加具有力度、内涵也更为丰富、形式美感也更为突出。如果说传统刻划花艺术是婉约诗人的单口清唱, 那么当代陶瓷刻划花艺术就属于交响乐式的集体合唱。当代陶瓷刻划花艺术的这种多元化的综合装饰手法的出现是艺术发展的必然结果, 也是现代陶瓷艺术发展的必然趋势。
4 陶瓷刻划花工艺水平的创新性
随着陶瓷工艺的发展, 当代陶瓷刻划花艺术种类和形式变得更加丰富多彩, 许多过去在工艺水平达不到或没法实现的工艺, 现在都成为现实或已经取得重大突破。这都离不开当代陶瓷工作者们共同努力, 他们在前人现有工艺的基础上不断摸索和总结, 对泥料、釉料配方进行大胆的改进和创新。如在传统刻划花艺术作品中, 多为中、厚胎体为主, 而在薄胎体或超薄胎体进行刻划花的艺术作品较少见。薄胎瓷又称蛋壳瓷, 以“轻若浮云, 薄如蝉翼”著称, 薄胎刻花瓷的制作难度很大, 工艺性极强, 因为薄胎坯体薄, 硬度小, 在制作或烧造过程中极易产生破裂和变形。当代的陶瓷工作者们通过不断的摸索和实践, 在泥料中加入适当比例的氧化铝和一些微量化学元素, 从而解决了变形和破裂问题, 使薄胎上运用刻划花工艺成为现实。再有, 就是可撕胶的运用, 它大大提高了在施釉过程中的工作效率和烧成作品的精细度, 这是过去施釉过程中用纸张遮挡图案所不能实现的。
5 结语
陶瓷刻划花艺术以她独特的艺术风格和高超的艺术造诣盛誉于世, 有着极高的艺术价值, 是陶瓷装饰艺术之苑中盛开的奇花异葩。在现代陶瓷装饰发展中, 陶瓷刻划花艺术在陶瓷工作者们共同努力下, 继承传统, 不断创新, 涌现出大量新思想、新风格、新题材的刻划花艺术作品, 为陶瓷装饰呈现出一种全新的面貌。本文从装饰纹样、色彩语言、综合装饰技法和工艺创新入手阐述陶瓷刻划花艺术在现代陶瓷装饰中的新面貌, 使我们能够更好地认识陶瓷刻划花艺术在现代陶瓷装饰中的重要性, 为我们以后更好推动陶瓷刻划花艺术的发展提供理论上的探索。
摘要：陶瓷刻划花艺术是一门古老的艺术, 传承至今已有一千多年历史, 同时又是一门年轻的艺术, 在今天的工业化、现代化时代, 被广泛地应用并注入了新的内容、新的思想, 呈现出新的面貌。通过对陶瓷刻划花艺术在现代陶瓷装饰中呈现的新面貌进行初探, 总结、研究并开发新的陶瓷刻划花艺术语言, 为进一步发展陶瓷刻划花艺术而抛砖引玉。
关键词：刻划花,现代陶瓷装饰,嬗变
参考文献
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