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石材的切割加工

文章出处:责任编辑:人气:-发表时间:2014-11-17 14:53【

天然石材(nature stones):建筑物的装饰材料,自然本色、绚丽多彩、美观耐用、豪华气派,现代高档建筑装饰的理想选择。

我国石材资源极为丰富,目前已探明的花岗石储量达千亿m3,有150多个花色品种,大理石储量为2000亿m3,有390多个花色品种,其资源储量及花色品种占世界首位。

石材加工由平面板材为主向平面板材、圆柱体、多面体、曲面体、雕刻品等多品种石材制品发展。采用凿子和錾子等进行剥落和研磨的手工方式加工石材的传统加工方法,有着悠久的历史,但粉尘和劳动强度大,工效低,尺寸精度和表面质量较差。从本世纪70年代至今,陆续研制出各种专用机械加工石材设备,如金刚石绳锯、金刚石锯切机、立式雕刻机、多功能数控加工中心等,其工作效率大大超过了手工加工,并且实现了石材的工业化批量生产。

1.金刚石锯切机加工

金刚石锯切工具(diamond sawing tools):切削性能和抗磨损性能优越,在石材等许多工业中得到广泛应用,但金刚石锯片造价较高,其使用寿命直接影响石材的加工成本。因此,在正确选择锯片的同时,应采用合理的锯切工艺参数,以提高锯片使用寿命和切割效率。

(1) 金刚石锯片的磨损

金刚石锯片(diamond blade)的磨损性能是反映锯切工艺参数合理性、锯切工具性能、石材可锯切加工性的重要指标之一。

典型的金刚石磨损过程为:金刚石出刃→达到工作高度→破碎→结合剂磨蚀→金刚石再出刃→磨粒破碎→磨粒完全脱落。

金刚石磨粒的磨损过程中,不断进行的微破碎、局部破碎过程使得新的切削刃不断产生,锯片处于锋利切削状态,切削效率高,切削功率消耗降低,但锯片使用寿命降低;而金刚石的不断磨平和抛光,会使切削刃钝化,切削力增大,切割效率降低,而锯片的使用寿命有所提高。

(2)锯切工艺参数选择

锯切工艺参数中,锯切速度对锯片磨损性能影响最大,它主要是通过引起锯切温度和机械载荷的变化,导致金刚石磨粒产生不同形态的磨损。在低速区,机械载荷对锯片磨损起着主要作用,增大锯切速度,单颗金刚石磨粒切削厚度及有效切削面积减小,因此,机械载荷随之减小,锯片径向磨损减小,金刚石磨损形态以磨平、脱落为主;在高速区,机械载荷冲击及热载荷对锯片磨损有决定性影响,随着锯切速度的提高,热载荷及机械载荷冲击作用增大,锯片磨损加剧,金刚石磨粒以破碎形式居多。

锯切深度和进给速度的改变主要是通过引起机械载荷的变化影响锯片磨损性能。增大锯切深度或进给速度,单颗金刚石磨料切削厚度随之增大,切削载荷增大,锯片磨损加剧。此外,增大锯切深度,还会使金刚石磨粒与岩石接触弧长随之增大,由于摩擦作用,金刚石磨损形态以磨平为主,切削刃变钝,从而使切削载荷增大,锯切过程不稳定。在相同锯切率情况下,采用大锯切深度小进给速度时,金刚石磨粒的切削厚度相对减小,切削路径长,金刚石磨粒的磨损形式以热载荷作用导致的磨平为主,而破碎的磨粒数减少;采用小锯切深度、大进给速度时。金刚石磨粒的切削厚度增大,切削路径短,此时,金刚石磨粒的磨损形式以机械载荷及其冲击作用导致的金刚石破碎为主。

此外,锯片本身的形状,如直径、齿数、槽宽等,以及石材的材质、冷却液的选择等对锯切过程也有着重要的影响。因此,在石材的锯切加工中,需对多方面因素综合考虑,以获得最理想的锯切效果。

(3)石材锯切机加工方法

1)圆筒切机加工 用金刚石圆筒切机可进行石材的圆柱面加工,图1为圆筒切机的结构示意图。将荒料固定在料车7上,由进给电机4带动进给传动轴3转动,并带动横梁6作垂直方向进给运动。同时,主电机2经皮带带动金刚石圆筒刀具1作旋转切割运动。进给电机采用无级调速,其速度范围为0.9~9mm/min。圆筒金刚石刀具刚度大,加工精度好,效率高。

2)仿形切机加工 仿形切机可进行石材曲面的加工,图2为其结构简图。根据所需曲面形状,用其它材料制作同形样板5,并固定在横梁6上;与锯片3同直径的靠轮4,由电机驱动沿样板5作曲面运动,并控制液压缸9上下位移;以带动金刚石锯片3的主轴作垂直进给运动。金刚石锯片3由电机带动,作主切削运动。锯片的进给运动,由主轴横向进给运动和液压缸垂直运动合成。因此,石材横向廓形由样板的形状所决定。当靠模轮在样板上完成一次横向行程后,由电机带动横梁6沿纵向导轨8运动,其纵向位移距离等于锯片宽度,然后再进行横向切割,重复上述动作即可切出所需尺寸的石材曲面。仿形切削适于大批量生产,可以切割各种凹凸曲面。

3)数控机床加工

加工石材的数控机床主要有:数控车床和数控铣床。图3为数控车床的结构简图。金刚石刀具由计算机控制,可实现三个坐标方向的运动和坐标轴联动,以加工各种异型曲面。操作人员可直接在计算机的屏幕上,对被加工石材的图样进行造型设什,并按加工顺序在屏幕上演示全部加工运动轨迹(可进行剪裁、编辑和修改)并根据其廓形编程。符合要求后,将设计的石材廓形转换成数控加工程序,输入到机床的控制系统中,控制系统发出位移和速度指令,以控制机床伺服系统的运动。伺服系统通过伺服电机驱动滚珠丝杠转动,带动刀架完成各坐标方向的运动,实现各种曲面的加工。数控机床加工精度高,但相应地加工成本也高。

2.金刚石绳锯加工

(1)金刚石绳锯结构

金刚石绳锯(diamond wire saw)由弹性橡胶套、载体金属丝网、金刚石环块与连接件组成。其结构如图4所示。金刚石环块安装在金属丝网上,两环块间垫以特殊橡胶套,用来保护金属丝网,同时使绳锯有较高的柔性。金刚石环块可用电镀法将金刚石颗粒固定在环上,也可用烧结法制备。烧结法制备的金刚石环块更耐磨损,并有自锐性,使用寿命较长。金属丝网使绳锯具有足够的强度。在丝网中供冷却液,使其容易进入切削区内,以冷却润滑金刚石环块,并能清除磨屑使锯切顺利进行。

(2)绳锯的安装

金刚石绳锯长度一般根据需要来选定。因其较长,多做成很多分段,绳锯是由各分段间利用其端面紧固用的钢套(或铜套)管螺纹连接,并将绳锯张紧。绳锯在安装前要检查各个环的外径使其大小均匀一致,其差要小于0.2mm,目的是保证全长上各金刚石环均匀磨损。绳锯总长应是所需长度的1~1.5倍,使其能宽松地安装在设备上为宜。但另一方面要尽可能的短,以防止工作时弹跳使绳锯损坏。

在安装绳锯前,先在矿山岩石上用特制钻具钻孔。钻孔要求:在绳锯水平方向孔径为80mm,垂直方向孔径为34mm。绳锯穿过孔并装在主动轮上,然后用张紧轮张紧并缓慢转动,当绳锯消除弯曲不离开工件时即可开始切削。

在天然石材加工中,直径为6mm的绳锯常用于台式设备上。用大型设备切割大型石材,可选用直径16mm的绳锯。

金刚石绳锯已在石材加工、建筑、土木工程中成功使用,但其缺点是绳锯为柔性刀具,加工尺寸精度较差,表面粗糙度大。

3.高压水射流加工

利用超高压水射流技术切割石材、具有加工效率高、噪声低、无粉尘污染、石材切缝窄、加工表面质量好、易实现微机自动控制等特点。同时可以方便地切割不同硬度、不同厚度的石材,特别是对于形状复杂的异形石材加工,更具有忧越性。

超高压水射流(ultrahigh pressure water jet)加工设备主要由以下几部分组成:①供水系统,由水泵、电机、水箱、过滤器等组成,其作用是提高水压至3MPa,并供给增压系统。②增压系统,在液压泵的作用下,将水压由3MPa增到300~400MPa。③蓄能器,其作用是积存一定量的高压水,以吸收来自增压器的脉冲水流和工作时断续引起的冲击,保证工作时获得连续、稳定的超高压水流。④喷嘴及运动控制系统,主要采用宝石制造的喷嘴,其直径据石材硬度及厚度选择,一般选择0.15~0.75mm。同时采用加磨料装置,使磨料与水混合,共同对石材进行切割。磨料一般采用石榴石。

水射流切割石材的原理如图6所示。当高压水射流进入混合室时,其流速可达到音速的2~3倍左右,在磨料入口处产生很大的负压,抽吸来自磨料仓中的石榴石磨料。石榴石磨料在水射流的作用下产生较大的冲击能量,经磨料喷嘴射出对被加工石材表面产生很大的冲击力,冲击强度与射流速度的平方成正比。当这种冲击强度达到和超过石材的抗压强度极限时,在射流冲击处形成粉末状的石材切屑,沿着磨料水射流喷嘴的运动方向,在石材上形成切口。

超高压水射流切割石材时,切割参数的选择对切割质量有重要的影响。当磨料水射流的压力增加时,其流速增加,磨料的冲击动能增大,石材的切割深度也随之增大。喷嘴移动速度增大,磨料水射流切割能力降低。喷嘴靶距增大,磨料水射流集束性降低,切割能力降低。所以应选择合理的切割参数以提高切割效率。