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石材的切割加工

文章出處:責任編輯:人氣:-發表時間:2014-11-17 14:53【

天然石材(nature stones):建筑物的裝飾材料,自然本色、絢麗多彩、美觀耐用、豪華氣派,現代高檔建筑裝飾的理想選擇。

我國石材資源極為豐富,目前已探明的花崗石儲量達千億m3,有150多個花色品種,大理石儲量為2000億m3,有390多個花色品種,其資源儲量及花色品種占世界首位。

石材加工由平面板材為主向平面板材、圓柱體、多面體、曲面體、雕刻品等多品種石材制品發展。采用鑿子和鏨子等進行剝落和研磨的手工方式加工石材的傳統加工方法,有著悠久的歷史,但粉塵和勞動強度大,工效低,尺寸精度和表面質量較差。從本世紀70年代至今,陸續研制出各種專用機械加工石材設備,如金剛石繩鋸、金剛石鋸切機、立式雕刻機、多功能數控加工中心等,其工作效率大大超過了手工加工,并且實現了石材的工業化批量生產。

1.金剛石鋸切機加工

金剛石鋸切工具(diamond sawing tools):切削性能和抗磨損性能優越,在石材等許多工業中得到廣泛應用,但金剛石鋸片造價較高,其使用壽命直接影響石材的加工成本。因此,在正確選擇鋸片的同時,應采用合理的鋸切工藝參數,以提高鋸片使用壽命和切割效率。

(1) 金剛石鋸片的磨損

金剛石鋸片(diamond blade)的磨損性能是反映鋸切工藝參數合理性、鋸切工具性能、石材可鋸切加工性的重要指標之一。

典型的金剛石磨損過程為:金剛石出刃→達到工作高度→破碎→結合劑磨蝕→金剛石再出刃→磨粒破碎→磨粒完全脫落。

金剛石磨粒的磨損過程中,不斷進行的微破碎、局部破碎過程使得新的切削刃不斷產生,鋸片處于鋒利切削狀態,切削效率高,切削功率消耗降低,但鋸片使用壽命降低;而金剛石的不斷磨平和拋光,會使切削刃鈍化,切削力增大,切割效率降低,而鋸片的使用壽命有所提高。

(2)鋸切工藝參數選擇

鋸切工藝參數中,鋸切速度對鋸片磨損性能影響最大,它主要是通過引起鋸切溫度和機械載荷的變化,導致金剛石磨粒產生不同形態的磨損。在低速區,機械載荷對鋸片磨損起著主要作用,增大鋸切速度,單顆金剛石磨粒切削厚度及有效切削面積減小,因此,機械載荷隨之減小,鋸片徑向磨損減小,金剛石磨損形態以磨平、脫落為主;在高速區,機械載荷沖擊及熱載荷對鋸片磨損有決定性影響,隨著鋸切速度的提高,熱載荷及機械載荷沖擊作用增大,鋸片磨損加劇,金剛石磨粒以破碎形式居多。

鋸切深度和進給速度的改變主要是通過引起機械載荷的變化影響鋸片磨損性能。增大鋸切深度或進給速度,單顆金剛石磨料切削厚度隨之增大,切削載荷增大,鋸片磨損加劇。此外,增大鋸切深度,還會使金剛石磨粒與巖石接觸弧長隨之增大,由于摩擦作用,金剛石磨損形態以磨平為主,切削刃變鈍,從而使切削載荷增大,鋸切過程不穩定。在相同鋸切率情況下,采用大鋸切深度小進給速度時,金剛石磨粒的切削厚度相對減小,切削路徑長,金剛石磨粒的磨損形式以熱載荷作用導致的磨平為主,而破碎的磨粒數減少;采用小鋸切深度、大進給速度時。金剛石磨粒的切削厚度增大,切削路徑短,此時,金剛石磨粒的磨損形式以機械載荷及其沖擊作用導致的金剛石破碎為主。

此外,鋸片本身的形狀,如直徑、齒數、槽寬等,以及石材的材質、冷卻液的選擇等對鋸切過程也有著重要的影響。因此,在石材的鋸切加工中,需對多方面因素綜合考慮,以獲得最理想的鋸切效果。

(3)石材鋸切機加工方法

1)圓筒切機加工 用金剛石圓筒切機可進行石材的圓柱面加工,圖1為圓筒切機的結構示意圖。將荒料固定在料車7上,由進給電機4帶動進給傳動軸3轉動,并帶動橫梁6作垂直方向進給運動。同時,主電機2經皮帶帶動金剛石圓筒刀具1作旋轉切割運動。進給電機采用無級調速,其速度范圍為0.9~9mm/min。圓筒金剛石刀具剛度大,加工精度好,效率高。

2)仿形切機加工 仿形切機可進行石材曲面的加工,圖2為其結構簡圖。根據所需曲面形狀,用其它材料制作同形樣板5,并固定在橫梁6上;與鋸片3同直徑的靠輪4,由電機驅動沿樣板5作曲面運動,并控制液壓缸9上下位移;以帶動金剛石鋸片3的主軸作垂直進給運動。金剛石鋸片3由電機帶動,作主切削運動。鋸片的進給運動,由主軸橫向進給運動和液壓缸垂直運動合成。因此,石材橫向廓形由樣板的形狀所決定。當靠模輪在樣板上完成一次橫向行程后,由電機帶動橫梁6沿縱向導軌8運動,其縱向位移距離等于鋸片寬度,然后再進行橫向切割,重復上述動作即可切出所需尺寸的石材曲面。仿形切削適于大批量生產,可以切割各種凹凸曲面。

3)數控機床加工

加工石材的數控機床主要有:數控車床和數控銑床。圖3為數控車床的結構簡圖。金剛石刀具由計算機控制,可實現三個坐標方向的運動和坐標軸聯動,以加工各種異型曲面。操作人員可直接在計算機的屏幕上,對被加工石材的圖樣進行造型設什,并按加工順序在屏幕上演示全部加工運動軌跡(可進行剪裁、編輯和修改)并根據其廓形編程。符合要求后,將設計的石材廓形轉換成數控加工程序,輸入到機床的控制系統中,控制系統發出位移和速度指令,以控制機床伺服系統的運動。伺服系統通過伺服電機驅動滾珠絲杠轉動,帶動刀架完成各坐標方向的運動,實現各種曲面的加工。數控機床加工精度高,但相應地加工成本也高。

2.金剛石繩鋸加工

(1)金剛石繩鋸結構

金剛石繩鋸(diamond wire saw)由彈性橡膠套、載體金屬絲網、金剛石環塊與連接件組成。其結構如圖4所示。金剛石環塊安裝在金屬絲網上,兩環塊間墊以特殊橡膠套,用來保護金屬絲網,同時使繩鋸有較高的柔性。金剛石環塊可用電鍍法將金剛石顆粒固定在環上,也可用燒結法制備。燒結法制備的金剛石環塊更耐磨損,并有自銳性,使用壽命較長。金屬絲網使繩鋸具有足夠的強度。在絲網中供冷卻液,使其容易進入切削區內,以冷卻潤滑金剛石環塊,并能清除磨屑使鋸切順利進行。

(2)繩鋸的安裝

金剛石繩鋸長度一般根據需要來選定。因其較長,多做成很多分段,繩鋸是由各分段間利用其端面緊固用的鋼套(或銅套)管螺紋連接,并將繩鋸張緊。繩鋸在安裝前要檢查各個環的外徑使其大小均勻一致,其差要小于0.2mm,目的是保證全長上各金剛石環均勻磨損。繩鋸總長應是所需長度的1~1.5倍,使其能寬松地安裝在設備上為宜。但另一方面要盡可能的短,以防止工作時彈跳使繩鋸損壞。

在安裝繩鋸前,先在礦山巖石上用特制鉆具鉆孔。鉆孔要求:在繩鋸水平方向孔徑為80mm,垂直方向孔徑為34mm。繩鋸穿過孔并裝在主動輪上,然后用張緊輪張緊并緩慢轉動,當繩鋸消除彎曲不離開工件時即可開始切削。

在天然石材加工中,直徑為6mm的繩鋸常用于臺式設備上。用大型設備切割大型石材,可選用直徑16mm的繩鋸。

金剛石繩鋸已在石材加工、建筑、土木工程中成功使用,但其缺點是繩鋸為柔性刀具,加工尺寸精度較差,表面粗糙度大。

3.高壓水射流加工

利用超高壓水射流技術切割石材、具有加工效率高、噪聲低、無粉塵污染、石材切縫窄、加工表面質量好、易實現微機自動控制等特點。同時可以方便地切割不同硬度、不同厚度的石材,特別是對于形狀復雜的異形石材加工,更具有憂越性。

超高壓水射流(ultrahigh pressure water jet)加工設備主要由以下幾部分組成:①供水系統,由水泵、電機、水箱、過濾器等組成,其作用是提高水壓至3MPa,并供給增壓系統。②增壓系統,在液壓泵的作用下,將水壓由3MPa增到300~400MPa。③蓄能器,其作用是積存一定量的高壓水,以吸收來自增壓器的脈沖水流和工作時斷續引起的沖擊,保證工作時獲得連續、穩定的超高壓水流。④噴嘴及運動控制系統,主要采用寶石制造的噴嘴,其直徑據石材硬度及厚度選擇,一般選擇0.15~0.75mm。同時采用加磨料裝置,使磨料與水混合,共同對石材進行切割。磨料一般采用石榴石。

水射流切割石材的原理如圖6所示。當高壓水射流進入混合室時,其流速可達到音速的2~3倍左右,在磨料入口處產生很大的負壓,抽吸來自磨料倉中的石榴石磨料。石榴石磨料在水射流的作用下產生較大的沖擊能量,經磨料噴嘴射出對被加工石材表面產生很大的沖擊力,沖擊強度與射流速度的平方成正比。當這種沖擊強度達到和超過石材的抗壓強度極限時,在射流沖擊處形成粉末狀的石材切屑,沿著磨料水射流噴嘴的運動方向,在石材上形成切口。

超高壓水射流切割石材時,切割參數的選擇對切割質量有重要的影響。當磨料水射流的壓力增加時,其流速增加,磨料的沖擊動能增大,石材的切割深度也隨之增大。噴嘴移動速度增大,磨料水射流切割能力降低。噴嘴靶距增大,磨料水射流集束性降低,切割能力降低。所以應選擇合理的切割參數以提高切割效率。

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