（机械制造及其自动化专业论文）石材高效加工工艺数据库系统的设计研究.pdf

摘要 摘要 石材制品由于其天然的物理特性、稳定的化学特性及其美观的外表，无论在 公共建筑还是在家庭装修，都得到越来越普遍的使用。我国在石材加工方面虽然 已经取得了长足的进步，但由于石材高效加工技术的研究起步较晚，目前，匹配 于石材品种的高效加工工艺及工艺参数的应用较为匮乏，与意大利等传统石材强 国相比，仍然存在着生产成本高、加工效率低、能源消耗大的问题。针对以上问 题，本课题主要进行了关于石材品种的高效加工技术的研究及其数据库系统的建 立。 采用合理高效的加工工艺方案或工艺参数，是充分发挥刀具及设备性能的关 键，尤其对于自动化程度及复合化程度越来越高的现代化石材高效加工设备来说， 由于复合加工技术及切削用量应用的不断升级，加工过程基本时间显著减少，辅 助时间所占比重越来越大。在有效的时间内决策并制定匹配于石材品种及产品结 构的高效加工工艺方案及工艺参数，是显著缩短辅助时间及基本时间有效途径， 是实现石材行业高效率、低成本生产的重要措施之一。根据当前高效加工工艺数 据库技术的研究与发展现状，应用s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库管理系统以及v i s u a l b a s i c6 0 操作界面编辑功能，完成了石材高效加工工艺数据库系统的建立，具备 简单的推理、预测功能及分布式结构，能够积累和储存丰富的石材加工的生产或 实验数据，实现了数据库系统的初步运行，为产品加工、组织生产提供了科学依 据。基于石材加工过程的去除机理，分析研究了实现石材高效加工过程所必须的 刀具性能与质量、设备性能与质量、加工工艺方案、加工工艺参数、切削液与石 材品种的匹配性研究，得出了他们的一般匹配关系，为石材高效加工技术的实验 研究奠定了理论基础；综合分析影响实现石材加工过程的各种因素，深入研究了 石材品种可加工性等级划分的数学模型，搜集完成常用石材品种的各个可加工性 影响因素，通过引入模糊矩阵法对石材品种的可加工性进行了等级划分，为实现 石材高效加工技术的推广应用及其数据库系统的推理功能奠定了基础；基于不同 石材品种具有不同的最佳高效加工工艺参数组合，以石材可加工性等级划分中第 三等级的五莲红花岗石为例，以石材加工过程的去除机理为理论依据，采用单因 素实验和两因素正交实验相结合的实验方法，得出了匹配于五莲红石材品种的最 佳工艺参数组合方案，为实现五莲红石材品种及其可加工性相同或相近的石材品 种的高效加工提供了科学依据。 通过本课题的研究，为实现我国石材制品高效加工技术的推广及应用奠定了 基础，对实现我国石材产品的高效加工有现实的指导意义。同时，课题的研究思 山东大学硕十学位论文 路和方法将对我国石材品种的高效加工技术研究具有指导意义。 本课题的研究得到山东省自然科学基金重点项目资助( 项目编号：z 2 0 0 7 f 0 7 ) 。 关键词石材；高效加工；工艺参数；数据库；可加工性 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sp h y s i c a lp r o p e r t i e s ，c h e m i c a ls t a b i l i t ya n db e a u t i f u la p p e a r a n c e ， b o t hi np u b l i cb u i l d i n g so ri nh o m ed e c o r a t i o n , n a t u r a ls t o n ep r o d u c t sh a v eb e e nu s e d 雒 c o m m o ni n c r e a s i n g l y a l t h o u g ht h es t o n ep r o c e s s i n gi nc h i n ah a sm a d eg r e a ts t r i d e s ， b u t 弱r e s u l to ft h el a t es t a r to fs t o n ee f f i c i e n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o no f e f f i c i e n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dp a r a m e t e r sm a t c h i n gt h ev a r i e t yo fs t o n ei sm o r e s c a r c ea tp r e s e n t ，t h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m ss u c ha sh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n p r o d u c t i o n c o s t sa n dl o w p r o c e s s i n ge f f i c i e n c yc o m p a r i n gw i t hi t a l y a n do t h e r t r a d i t i o n a li n d u s t r i a lp o w e r so fs t o n e ，i no r d e rt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m ，t h em a i n c o n t e n to ft h et o p i cc o n c e n t r a t e do nt h es t o n ee f f i c i e n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n di t s e f f i c i e n td a t a b a s es y s t e mt ob ee s t a b l i s h e d t ti st h ek e yt og i v ef u l lu s eo ft h ep e r f o r m a n c eo ft o o l sa n de q u i p m e n tb yu s i n g r e a s o n a b l ea n de f f i c i e n tp r o c e s s i n gp l a n so rp a r a m e t e r s ，e s p e c i a l l yf o rt h em o d e ms t o n e p r o c e s s i n ge q u i p m e n tw i t hh i g h e ra n dh i g h e ra u t o m a t i o na n dc o m b i n a t i o ni nw h i c ht h e c o m p o s i t ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dh i g h e rc o m b i n a t i o no fc u t t i n gp a r a m e t e r sw a s u s e di n c r e a s i n g l y , t h eb a s i cp r o c e s s i n gt i m ew a sr e d u c e ds i g n i f i c a n t l y , t h ep r o p o r t i o no f t h ea u x i l i a r yt i m eh a sb e c o m el a r g e ra n dl a r g e r , i ti sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tf o r r e d u c i n gt h ea u x i l i a r yt i m ea n db a s i cp r o c e s s i n gt i m e ，i n c r e a s i n gp r o d u c t i v i t ya n d r e d u c i n gp r o d u c t i o nc o s t st ot a k ea d v a n t a g eo fr e a s o n a b l eo ro p t i m i z e dp r o c e s sp r o g r a m a n dp a r a m e t e r sm a t c h i n gt h es t o n es p e c i e sa n dp r o d u c t si nt h ee f f e c t i v ep r o c e s s i n gt i m e a c c o r d i n g l y , t h es t u d yo ft h et o p i cb u i l das t o n ee f f i c i e n tp r o c e s s i n gd a t a b a s es y s t e m a p p l y i n gs q ls e r v e r2 0 0 0a n dt h e nc o m p l e t et h ei n t e r f a c eo p e r a t i o nf u n c t i o n so ft h e d a t a b a s e 诚t l lv i s u a lb a s i c6 0 w h i c hh a v es i m p l ef o r e c a s t i n gc a p a b i l i t i e sa n d d i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r e ，b e i n ga b l et oa c c u m u l a t ea n ds t o r er i c hs t o n ep r o c e s s i n gd a t a e m e r g e di np r o d u c t i o no re x p e r i m e n t a l ，a c h i e v e dt h ei n i t i a lo p e r a t i o no ft h ed a t a b a s e s y s t e m ，w h i c hp r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rp r o d u c tp r o c e s s i n g , o r g a n i z a t i o no f p r o d u c t i o n t h eg e n e r a lm a t c h i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c ea n dq u a l i t yo ft o o l s ， e q u i p m e n t , p r o c e s sp l a n s ，p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，c u t t i n gl i q u i d a n dt h em a t c h i n g v a r i e t yo ft h es t o n ew a so b t a i n e db ys t u d y i n g ，b a s e do nt h er e m o v a lm e c h a n i s mi nt h e s t o n ep r o c e s s i n g ，l a i dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fs t o n e e f f i c i e n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ；a c h i e v eac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ev a r i o u sf a c t o r s t h a ta f f e c tt h es t o n ep r o c e s s i n g ，s t u d yt h eg r a d i n gp r o c e s s a b i l i t ym o d e lo ft h es t o n e s p e c i e s ，c o m p l e t et h ec o l l e c t i o no fm a c h i n a b i l i t yf a c t o r so fs t o n es p e c i e st h a tc o m m o n u s e da n dt h es t o n e sw e r eg r a d e da c c o r d i n gt ot h em a c h i n a b i l i t yb yi n t r o d u c i n gt h ef u z z y m a t r i x ，l a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h er e a l i z a t i o no fs t o n ee f f i c i e n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n dt h er e a s o n i n gf u n c t i o n so ft h ed a t a b a s es y s t e m ；d i f f e r e n tv a r i e t i e so fs t o n eh a v et h e i i i 山东大学硕十学位论文 b e s tc o m b i n a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r s 谢lh i g he f f i c i e n c yp r o c e s s i n g b a s e do nt h e r e m o v a lm e c h a n i s mo ft h es t o n ep r o c e s s i n g ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fw u l i a n h o n g g r a n i t ew h i c hb e l o n g st ot h et h i r dg r a d el e v e lo ft h em a c h i n a b i l i t yw a sc o n d u c t e d ，u s i n g t h ee x p e r i m e n t a lm e t h o dw h i c hc o m b i n e ds i n g l ef a c t o re x p e r i m e n ta n do r t h o g o n a l c o m b i n a t i o ne x p e r i m e n to ft w of a c t o r s ，o b t a i n e dt h e o p t i m u mp a r a m e t e r so ft h e w u l i a r d a o n g ，w h i c hw o u l db et h es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ee f f i c i e n tp r o c e s s i n gr e a l i z a t i o n o ft h ew u l i a n h o n g g r a n i t ea n dt h e s t o n e s b e l o n g i n g t ot h es a m eo rs i m i l a r m a c h i n a b i l i t y t h er e s e a r c ht h a tw a ss t u d i e dl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ep r o m o t i o na n da p p l i c a t i o n o ft h ee f f i c i e n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ym a t c h i n g 、析t 1 1t h ev a r i e t yo fs t o n e t h e r eb e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oa c h i e v et h ee f f i c i e n tp r o c e s s i n go fs t o n ep r o d u c t si nc h i n a m e a n w h i l e ，t h er e s e a r c hi d e a sa n dm e t h o d so ft h et o p i cw i l lb ea ne f f i c i e n tg u i d ef o rt h e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ys t u d yo fo t h e rv a r i e t i e so fs t o n e s t h er e s e a r c hp r o j e c t si ss u p p o r t e db yn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a n d o n g p r o v i n c e ( p r o j e c tn u m b e r ：z 2 0 0 7 f 0 7 ) k e y w o r d ss t o n e ；e f f i c i e n tp r o c e s s i n g ；p r o c e s sp a r a m e t e r s ；d a t a b a s e ；m a c h i n a b i l i t y w 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景和意义 第1 章绪论 据科学家们考证，距今3 4 0 万年前的古人类就已经开始了对石器的使用，一 直到今天，石器制品、石雕制品以及作为建筑物基石的石材制品就像一条永无止 境的长河不断流淌着，承载并记录着人类文明的不断演变和发展。从古埃及的金 字塔、古巴比伦的空中花园、法国的凡尔塞宫，到我国故宫的石盘龙御道、纵横 整个中国的万里长城，再到现代各种雄伟壮观的摩天大楼、娱乐广场及美轮美奂 的园林业，无一不是用石材制品建成和装饰的，作为建筑和世界文明的基石，石 材制品为世界建筑史和世界文明谱写和记载了不朽的篇章。石材制品以其天然赐 予的硬度高、耐磨性好、抗风化、美观大方的物理特性，以及其耐腐蚀的化学特 性，得到现代人类越来越多的赏识。建国初期我国建成的人民英雄纪念碑浮雕， 及随后相继建成的人民大会堂、中国历史博物馆、毛主席纪念堂等都采用了优质 石材加工而成，并取得良好的艺术效果。 随着社会的发展、生产加工技术的日益成熟及人民生活水平的不断提高，现 代人类越来越赏识并逐步向石材制靠近。现代社会中越来越多的公共建筑及家庭 装修，普遍采用石材制品作为基石或装饰品，尤其在当今的高科技时代，资源浪 费和环境污染比较严重，石材制品更加体现了其作为天然资源的优势，应用更加 趋向广泛。虽然塑料、陶瓷等建材的应用曾一度成上涨趋势，削弱甚至占领了石 材制品的部分市场，但石材凭借其特有的天然优势，仍占领着建筑装饰工程的主 要市场，并且随着现代社会对防火要求的提高、安装技术的进步及玻璃幕墙的光 污染问题日益引起重视，用石材制品的应用已经成为现代建筑装饰业中不可或缺 的材料。据意大利预计，2 0 1 5 年，石材制品荒料需求量将达1 4 6 7 亿t ，石材消 费量将达1 6 亿平方米；而到2 0 2 5 年，石材消费量将突破4 0 亿平方米n 3 。其中， 花岗石约占4 5 ，大理石约占5 0 ，其余的主要是砂岩、板岩、玛瑙石等。而我国 目前已经取代意大利，成为世界上最大的石材原料进口国和石材消费国，在世界 石材市场上，中国稳守第一【3 】。因此，研究如何实现高效、合理地加工石材制品， 实现其社会效益和经济效益的最大化，有着非常重要的意义。 在生产制造技术高度发达且持续发展的今天，以高速高效加工为主题的高效 加工技术的正逐步得到应用。但在石材加工领域，由于石材高效加工工艺数据库 的缺乏，现代化的石材加工过程中刀具选择方法、加工工艺参数的选择却依然停 留在依靠工人的加工经验或查阅一成不变的切削用量手册水平上，显然会成为提 山东大学硕十学位论文 高石材加工效率的瓶颈。因此，建立一个系统、高效的石材高效加工工艺数据库， 用它来积累和储存丰富的石材加工的生产和实验数据及其相关的石材品种信息、 石材可加工性信息、刀具信息、设备信息等，为产品加工、组织生产提供科学依 据，是实现石材制品高效加工的必然要求和必然趋势，本课题的研究具有重大的 经济效益和社会效益。 1 2 加工工艺数据库系统的研究现状 加工工艺数据库是当今社会随着计算机技术和机械加工技术的不断发展而逐 渐相结合的高技术产物。西方传统工业强国开始相继建立用于金属加工工艺的数 据库是在2 0 世纪6 0 年代，用来积累和储存丰富的金属加工的生产和试验数据， 极大地提高了加工效率，取得了较为可观的经济效率。而我国的高速切削技术起 步较晚，直到2 0 世纪8 0 年代的中后期，我国才开始意识到高速切削技术的巨大 发展潜力和应用前景，并于8 0 年代末我国有些研究机构和高校开始着手金属加工 工艺数据库的研究。 世界上第一个加工工艺数据库系统是1 9 6 4 年由美国空军材料实验室和美国技 术切削联合研究公司联合建立的金属切削数据库，并命名为美国空军加工性数据 中心( a f m d c ) 。此后，各个西方传统工业强国相继开发了各自的金属加工工艺数 据库，以各种不同的形式提供较为丰富金属切削加工工艺信息，极大地提高了其 金属加工领域的生产效率，其中比较著名的是前联邦德国建立的金属加工工艺数 据库i n f o s 和美国的m d c 。国际生产工程学会( c i r p ) 曾对世界上大部分的金属加 工工艺数据库进行了经济效益的统计，统计结果表明金属加工工艺数据库的应用 可通过节省加工辅助时间使加工成本降低1 0 以上，其中美国的工艺数据库在建库 1 0 年期间为工业部门节省资金1 4 亿美元，极大地提高了其加工工艺的效率。 由于我国的高速高效加工技术起步较晚，直到2 0 世纪中后期，我国的部分研 究机构和高校才开始金属切削数据库的研究工作。我国第一个实验性数据库t r n i o 是在1 9 8 7 年由成都工具研究所研制建成的，之后又于1 9 8 8 年引进联邦德国的 i n f o s ，并加以改进，推出了其修订版a t r n 9 0 e 。北京理工大学对切削实验数据进 行了相关性分析，对实验数据曲线进行了存储于绘制，在此基础上实现了切削力、 断屑、刀具的磨损和刀具的寿命等试验曲线的存储及绘制，使得其金属加工工艺 数据库不仅能够存储已知的实验数据，而且还能根据试验曲线推理与推测未知的 实验数据，极大地丰富了数据库的内容和适用范围。另外，东南大学、南京航空 航天大学、天津大学、成都科技大学等单位进行了大量的研究工作，建立了多种 实用的金属加工工艺数据库归1 们。 第1 章绪论 金属高效加工工艺数据库是在金属切削理论研究较为成熟、高效加工工艺普 遍应用、工艺参数极为丰富的条件下，随着计算机科学技术、数据库系统的软件 技术及先进切削高效加工技术的不断发展而发展起来的n 4 1 习。世界各国虽然已经建 立并推广应用了许多金属切削高效加工工艺数据库，但在石材制品的加工领域， 由于石材切削加工理论的相对滞后及高效加工工艺及工艺参数的相对贫乏，目前， 尚无适用于石材制品的高效加工工艺数据库。在竞争变得如此激烈的今天，各行 各业都在千方百计的提高自己的生产加工效率，因此建立一个系统的石材制品的 高效加工工艺数据库，用它来积累和储存丰富的石材制品加工的生产或实验数据， 为产品加工、组织生产提供科学依据，是实现石材制品高效的必然要求，也是当 今市场经济的必然产物。 1 3 石材高效加工技术研究现状 随着人们对石材制品需求量的不断增长、环保意识的不断增强以及日趋激烈 的全球化市场竞争，石材制品的加工技术不断向着提高加工效率、降低生产成本、 节约石材资源、减少环境污染的方向发展已成为必然趋势，石材制品的高效加工 技术应运而生。但因受石材品种性质、加工设备、加工工具及加工工艺的制约， 我国的石材制品加工在加工成本、加工效率、加工质量方面与传统石材工业强国 相比还存在着一定差距。特别是对于硬质花岗石的加工，普遍存在着刀具磨损快、 表面完整性和质量差的问题，且其加工效率一般只能维持在大理石制品加工的4 左右，其加工效率的提高存在着巨大的潜力和发展应用前景。 ，t 实现石材制品的高效加工关键是在金刚石刀具在保证加工质量的前提下，刀 具以最低的能量消耗和最高的效率加工出最大数量的产品或去除最多的材料。金 刚石刀具加工石材制品的加工效率涉及金刚石刀具去除材料的效率及刀具的使用 寿命问题，而两者之间既相互联系又相互制约。提高进给速度和背吃刀量能够有 效的提高加工效率，但往往会使金刚石刀具承受的力增大、使用寿命降低，反之， 要延长金刚石刀具的使用寿命，则须降低锯切用量，从而影响了加工效率的提高。 在锯切过程中，起主要切削作用的是固结在金属结合剂中的金刚石颗粒，因此， 金刚石能否有效而充分地发挥其切削作用是决定加工成本和能否实现高效锯切的 关键。如何针对不同石材品种制定合理高效地加工工艺，实现加工效率和金刚石 刀具寿命合理匹配，有效降低金刚石的非正常失效，充分抑制金刚石的过早脱落 和宏观破碎比例受许多因素的影响，成为实现石材制品高效加工的关键砼射。然而， 影响固结在金属结合剂中的金刚石颗粒工作状态的因素诸多，主要包括刀具基体 及金属结合剂的性能与质量、石材品种的性质、设备状况、工艺参数、操作人员 3 山东大学硕+ 学何论文 的技术熟练程度及工作条件等。因此，实现石材高效加工的关键技术体系包括石 材去除机理的研究、j n t 设备性能、金刚石刀具生产技术、加工工艺参数的制定 及辅助加工技术等，石材高效加工技术体系系统规划如图1 1 所示。 图1 1 石材高效加工技术研究体系 1 3 1 石材加工设备的研究发展现状 石材加工设备主要包括石材锯切加工设备、石材磨抛加工设备、石材异型制 品加工设备。随着现代生产制造技术的不断发展及石材行业的持续升温，石材加 工设备也在不断发展中。中国的石材行业由于起步较晚，与传统石材工业强国的 装备相比还存在一定差距，但目前用于石材加工的设备正向着高效化、多样化、 专门化方向发展，且不同的加工设备适用于不同的石材品种及石材产品形式，因 此实现加工设备与石材品种及产品的匹配关系，是有效利用现有资源和设备的前 提条件，目前用于石材加工的设备主要包括。 ( 1 ) 石材锯切加工设备 在石材产品的生产加工过程中，石材的锯切加工是其中相当重要的一道工序， 其加工质量的好坏直接关系到后续工序的加工质量和加工效率，其加工成本占整 4 第l 苹绪论 个石材板材加工成本的6 0 以上。目前，用于石材板材锯切加工的加工设备主要包 括金刚石圆盘锯、金刚石框架锯及金刚石串珠绳锯等。 采用金刚石圆盘锯系统加工石材板材具有成本低、效率高、灵活性好等优点。 目前，我国国内生产金刚石圆盘锯的企业主要有山东华兴、福建银华、贵州建新 等比较大的企业，市场竞争激烈。山东华兴生产的3 0 片金刚石圆盘锯石机，布置 有水平方向锯机、卸板机及全自动真空搬运机，基本能够实现金刚石圆盘锯机切 割石材板材的全自动化，是我国国内目前最先进的全自动金刚石圆盘多片锯机。 2 0 0 8 年河北玉田星烁集团研制成功世界上最大直径( 由5 2 0 0 毫米) 圆锯片基体。 组合锯及双向切机的研制成功，进一步地提高了生产效率的同时，还大幅度地降 低了生产成本。 金刚石框架锯及花岗石砂锯切割的石材荒料块度大、板材幅面宽度限制小、 加工效率、荒料利用率高、加工出的板料截面光滑平整，但其整机结构笨重，运 动不平稳。由于我国的框架锯起步较晚，其关键技术尚未掌握，在加工效率、加 工成本及连续无故障运行等方面与意大利设备相比还存在一定差距。目前，我国 广东利达、福建盛达、济南恒运达等企业均有生产框架锯。上海飞宙公司引进意 大利酬公司的技术生产的花岗石砂锯，质量及性能较好，在国内市场占领率较高。 金刚石串珠绳锯以其加工效率高、产生废弃物少、加工板材平整度好、板材 表面质量高，有利于环保等优点，越来越受到人们的关注。目前多绳金刚石串珠 绳锯机的研发应用主要集中在意大利等传统石材工业强国，意大利w i r e e n g i n e e r i n g 、p e l l e g r i n i 和b i d e s e i m p i a n t i 公司相继推出的各种结构形式不同 的多绳金刚石串珠锯机，可同时安装数十根金刚石串珠绳锯，加工效率是同等规 模花岗石砂锯的瞄倍。我国对金刚石串珠绳锯的研究起步较晚，但近几年来发 展迅速。目前，山东省石材工程技术研究中心正在与福州天石源超硬材料工具有 限公司等多家公司研制各种不同结构形式、性能先进的多绳金刚石串珠锯。 冈f 匦 ( a ) 金刚石圆盘锯 金刚石框架锯( c ) 金刚石串珠绳锯 图1 2 不同形式的石材加工设备 ( 2 ) 磨抛加工设备 近几年，广东科达、福建盛达等国内企业生产的连续磨抛机正逐渐被国内石 山东大学硕士学位论文 l 量量量_ | 舅| | 皇曹量囊in r | | 量置置| 量旨量 材企业所认可并大量应用，山东华兴研制的连续磨抛生产线已打入越南、哈萨克 斯坦等国外市场。国产石材磨抛加工设备的技术水平正在逐步迫近意大利等国家 的先进技术，随着国内先进制造技术及石材设备生产企业制造水平的不断提高， 国产磨抛设备有望在不久的将来赶超意大利等传统石材工业强国。 ( 3 ) 异型加工设备 目前，国内规格齐全、性能各异的石材异型加工设备正处在蓬勃发展中，近 几年国内少数大型石材企业，从意大利等石材工业强国引进先进的石材异型加工 装备，进行庞杂的石材异型加工。我国石材异型加工设备虽然起步较晚，但正在 大跨步的高速向前发展，与世界先进水平的差距正在逐渐缩小。石材加工中心、 卧式及立式数控加工机床、数控台面加工机床等不断推陈出新，山东省石材工程 技术研究中心与山东华兴股份有限公司合作研发的s m c 3 2 0 5 型石材加工中心具有 五轴运动，且任意三轴联动，实现了大理石、花岗石台面板以及浮雕的高效加工， 该加工中心的研制标志着我国从此打破了石材加工中心只能靠进口的局面m 3 。 ( a ) y d 3 5 0 型石材数控加工中心( b ) s & - 3 2 0 5 型石材加工中心 图1 3 石材加工中心 ( 4 ) 石材辅助加工设备 在高效加工过程中，加工过程自动化的实现不仅与加工设备自身有关，承接 加工设备前后的辅助加工设备也起着至关重要的作用。工业机器人的出现和应用， 可以适应各种工作环境和操作工序，完成加工设备的自动更换刀具、工件传送、 机床上下料、质量检验并提出有缺陷的工件及设备清洗和工件堆垛等任务，代替 人们完成各种重复性的工作，实现加工过程的机械化和自动化，尤其在对人类危 害比较大的恶劣工作条件下，更能体现其优势。立体仓库的发展及应用是社会和 生产制造技术发展的必然结果，立体仓库技术在石材存储中的成功应用，实现了 石材制品存储的计算机化、搬运机械自动化管理，有效地降低了人工搬运破碎率， 减少了石材搬运成本，提高了石材加工和存储的效率，大大提高了石材加工企业 的社会效益和经济效益。 随着高效加工逐渐成为加工领域的主旋律，石材加工设备的高速高效化、高 6 第1 覃绪论 精密化、复合化、环保化及人性化发展趋势日愈明显。高速高效化力n - ) - 设备的静 刚度高、动刚度高和热刚度高以及运动部件的轻量化设计一直是高效加工设备的 研究热点。近年来，为了提高设备结构的静、动及热特性，花岗岩、树脂混凝土 ( 人造花岗岩) 等新型材料正普遍应用于高精度的高速加工中心、超精加工设备 等；在保证刚度和承载能力的前提下，尽量去除多余的材料为主题的轻量化设计 正在逐步推广应用；为了提高资源利用效率，减少和避免污染物的产生，保护和 保障人体健康，石材清洁生产技术与装备的研究已经展开。上海飞宙公司引进意 大利b m 技术生产的石材加工厂污水集中处置体系，山东省石材工程技术中心最新 推出的石材污水处理系统也被用于国内石材加工企业，减少了粉尘的污染的同时， 提高了加工废水的反复利用率。 1 3 2 石材加工刀具的发展现状 目前，用于石材加工的金刚石刀具主要包括人造聚晶金刚石复合片( p c d c c ) 刀具、人造聚晶金刚石( p c d ) 刀具、电镀金刚石刀具以及金刚石材料涂层刀具四 大类。金刚石刀具的结构形式可以分为圆锯片、铣刀、雕刻刀、绳锯、框架锯等 各种那个不同的形式，其中金刚石圆锯片是目前石材加工过程中的主要工具。一 把能够高效工作的刀具应该具备的特征是其结合剂的损耗与磨粒的磨损相匹配产 金刚石等级、粒度、浓度及分布与石材品种相匹配，保证金刚石颗粒的合理出刃， 使其既不能过早脱落，也不能使其磨平打滑，使金刚石颗粒较多的处于微破碎磨 损状态，以保证金刚石颗粒在工作时充分发挥其磨削切削作用。 i 目前，我国国内的部分研究机构和高校已经着手对高效金刚石刀具的研究。 李森、王秦生等针对国内的锯片质量在加工花岗石中不太理想，往往开始的时候 很锋利，使用过程中金刚石出刃不好或脱落严重，致使效率不高的问题，从金属 结合剂的调制、金刚石浓度的确定、金刚石品级和粒度的选用及相互搭配入手研 制的高效长寿命花岗石专用锯片。宋城、樊雪琴h 1 4 2 3 等研制了适合国内市场的混凝 土锯切专用金刚石锯片。近年来，各种配方的预合金粉、添加稀土金属的胎体粉 等材料的应用以及单层、多层钎焊技术、金刚石在胎体中有序排列、基体结构创 新等新技术的开发，诸多高性能新产品在市场上的出现，大大改善了石材j ) n - r 刀具 行业的产品结构。 随着石材制品的加工不断向着提高加工效率、降低生产成本、节约石材资源、 减少环境污染的方向发展，具有锋利性好、使用寿命长、振动及噪音低等特性的 产品成为石材行业金刚石刀具的发展目标。金刚石多层有序排列锯片的研究应用 能够金刚石刀具寿命提高一倍以上，切削速度提高3 0 以上；钎焊金刚石绳锯在功 耗不增加的情况下，寿命提高2 倍以上；金刚石圆锯片基体厚度的不断减薄和直 7 山东大学硕十学位论文 径的不断增大有效地提高了其加工效率，能源及资源的利用率。2 0 0 8 年河北玉田星 烁集团研制成功了世界上直径最大( 巾5 2 0 0 毫米) 的圆锯片基体；华侨大学在结 构静力分析、模态分析和屈曲分析的基础上研制出直径为6 0 0 f i n n 厚度仅为2 4 咖 的金刚石圆锯片；为了降低石材加工的噪音污染，结构新颖的高效消音圆锯片也 在海外问世。另外，随着大量高速、高效、柔性、复合、环保的金刚石刀具及应 用新技术不断涌现，各种不同的成型复合刀具在石材加工中的成功应用，有效地 提高了石材制品的加工效率。 1 4 复合加工技术在石材加工中的应用 复合加工技术是指在工件的一次装夹过程中，完成多种不同工序及工艺的加 工。复合加工技术的应用可有效降低或消除因在不同设备间进行工序或工艺的转 换而引起的加工辅助时间，在显著提高加工效率的同时，既保证加工过程的加工 精度、加工表面质量，又优化了刀具寿命n 引。尤其是对于工件结构复杂、生产批 量大的产品，复合加工技术具有传统加工技术无法比拟的优势。复合加工技术在 石材加工行业的成功应用，有效地解决了大批量生产所产生工序分散所导致的生 产效率低的问题。 根据石材制品加工过程中复合加工工艺方法的不同，石材制品的复合加工技 术及其理论可分为加工工艺复合、加工工序复合以及加工工具复合三大类。加工 工艺复合是指两种或两种以上的不同加工工艺同时或先后作用于工件，加工完成 加工要求的一组工艺。除了传统的铣一磨一抛加工工艺复合、车削一激光加工工艺 复等，目前倍受各国研究学者的关注旋转超声复合加工技术已被证实是一种高效 低成本的硬脆性材料加工方法，目前正处于研究和不断发展中；人们对石材异型 制品设计的个性化、美观化、复杂化需求，为多轴数控加工技术的广泛应用提供 了舞台。近年来，随着5 轴联动数控技术及编程软件的日益成熟稳定，5 轴联动的 5 面( 或多面) 加工中心的研究已经普及；复合刀具技术的不断完善与推广，可显著 提高工序的集中度，消除或显著减少辅助时间，尤其是对结构复杂、生产批量大 的石材异型产品，复合刀具a n t _ 技术的加工优势能得到更有效的发挥，为提高石 材制品的加工生产效率打下了坚实的基础。山东省石材工程技术研究中心与山东 华兴机械有限公司合作研发的s m c 3 2 0 5 型石材加工中心，任意三轴联动，配备用 于各种异型柱体加工的回转车床及各种复合成型刀具，可实现大理石、花岗石台 面板以及浮雕的高效加工；沈阳建筑大学最新研制的具有双五轴联动系统的多功 能石材加工中心；国内华侨大学研制的旋转超声复合加工机床都明显加强了加工 过程的复合化程度n 别，使传统的石材切削加工技术发生了根本变化，显著降低或 第1 章绪论 消除了加工辅助时间，有效提高了石材的加工效率。 ( a ) 双五轴联动石材加工中心 ( b ) 具有旋转工作台的石材加工中心 图1 4 石材高效复合加工中心 1 5 石材高效加工工艺的研究 由于石材是一种硬度高、脆性大、成份复杂，并且物理、化学性能迥异的天 然材料，其加工过程的材料的去除机理也因此变得十分复杂。目前，国内外对于 石材制品高效加工的研究相对于金属的高效加工来说差距还很大，其研究热点主 要集中在石材物理或化学组分对石材制品高效加工的影响、匹配于石材品种的最 佳工艺参数研究及特种形状的石材异型制品的工艺方法研究等几个方面。 1 5 1 石材品种的可加工性研究 石材物理组分及其结构的不同形成了不同的石材品种，因此不同品种的石材 具有不同的物理性能、力学性能及化学性能，因而加工不同品种的石材，所适宜 的加工设备性能、加工刀具性能、切削液性能及其所选取的工艺参数是不同的。 然而，由于石材品种种类繁多，加工条件各异，目前还没有人对石材的高效加工 规划出系统的高效加工工艺方法或工艺参数。考虑到石材品种的多样性，一一为 石材品种在不同加工条件下寻找最佳高效加工工艺方法或最佳工艺参数组合，其 工作量是巨大的，因此人们希望通过对石材矿物成分、力学性能、化学性能等与 其可加工性指标之间存在的显著或高度显著地相关性研究，并据此为石材品种可 加工性按其矿物成份或力学性能进行分类，作为石材品种高效加工工艺方法或工 艺参数制定的依据，为实现石材品种的高效加工奠定基础。 虽然现在很多学者已经建立了多种基于石材矿物组分、机械性能及结构构成 的石材可加工性指标数学模型，通过引用现有的资料，或现有检测设备和仪器直 接测试都不难获得数学模型所需要的参数，对石材品种可加工性的预测及分类带 9 吐 山东大学硕十学何论文 皇曼置皇量皇曼皇曼皇曼舅皇皇曼量量量曼曼曼曼量曼置量量皇皇曼皇皇曼皇曼蔓i i i 鼍量曼鼍鲁量鼍舅曼量皇量皇曼量皇皇皇毫量 来了极大地方便。但是，这些间接分类方法通常只能预测或推出石材品种加工难 易程度的相对性，而无法从中得出加工某种石材品种高效】j n - r 的最佳工艺参数组 合，加工功耗、刀具寿命也无法进行推理及预测。因此对石材品种的可加工性研 究需要结合匹配于石材品种的高效加工工艺参数组合研究，以解决石材锯切过程 的优化问题，实现石材的高效加工。 1 5 2 石材高效加工工艺参数的研究 石材物理组分及其结构的不同形成了不同的石材品种，不同的石材品种具有 不同的物理性质、化学性质及力学性能，因而加工不同的石材品种，其所适宜的 加工设备、加工刀具、加工工艺参数及工作条件等都各不相同，即要实现不同的 石材品种的高效加工，都存在一个最佳的加工设备、加工刀具、加工工艺参数组 合及工作条件的最佳组合随 一5 】。 在石材加工中，由于石材种类繁多，地域差别大，加工设备、加工工具及加 工条件差别也很大，目前为止还没有人能够提出系统地实现任意石材品种高效加 工的具有指导性的高效加工工艺参数组合。目前，只有部分学者或研究机构对极 少数石材品种的个别加工方式的最佳工艺参数组合进行了研究。山东大学的郭波、 郑春英等对石岛红、五莲红等石材品种最佳加工工艺参数组合的研究，得出了适 合各自物理、化学及力学性能的最佳工艺参数组合，大大提高了此种石材品种的 加工效率，取得了显著的经济效益和社会效益；山东建材学院的杨中喜等对芙蓉 绿花岗石和平度白花岗石的抛光加工工艺参数进行了研究，找出了匹配于芙蓉绿 和平度白石材品种的抛光前适宜的光泽度及高光泽度最佳抛光工艺参数：大连理 工大学的李享德等人依据一系列实验和实践结果，系统研究了最佳锯切参数与石 材品种物理力学性能之间的相互关系，提出了合理选择锯切参数的一般原则；福 州大学的林辉研究了金刚石圆锯片在锯切不同的石材品种时，锯切工艺参数对圆 锯片损耗，能源消耗及锯切效率的影响h 5 7 6 3 。根据前人的实验研究，不难得出石材 品种的可加工性受石材品种的矿物成分、物理化学性质、力学性能及其结构构造 的影响，合理的选择匹配于石材品种的最佳加工工艺参数组合可以有效地提高加 工效率，降低刀具损耗及能源消耗。 目前，欧洲石材工业强国联合已经开始了研究探讨实现花岗石超大切深进行 加工可能性的计划，国内华侨大学李远等人进行了花岗石超大切深锯切机理与技 术的研究，得出选用合适的铁基金属结合剂配方和表面金属化的高品级金刚石磨 料制备的锯片节块完全能满足大切深锯切的要求，并实现了1 2 0 r a m 锯切深度的大 切深锯切实验。 目前我国石材行业中高速数控机床、加工中心正在得到广泛的应用，在加工 1 0 第1 罩绪论 量皇曼鼍曼曼曼曼量曼曼皇曼量曼曼曼量曼曼曼曼曼i m m