天然石材由于具有質(zhì)感好,外觀莊重,機(jī)械及物理化學(xué)性能良好(如耐壓,耐磨及耐腐蝕)等優(yōu)點,自古以來就成為一種優(yōu)良的建筑材料.在古代,石材的加工完全是靠手工操作完成,直到19世紀(jì),歐洲才出現(xiàn)了第一臺用于加工石材的機(jī)械,這給石材加工行業(yè)帶來了一場革命,從此,石材加工開始從手工操作向機(jī)械化方向發(fā)展.近30年來,我國石材開采與加工業(yè)的持續(xù)發(fā)展推動了我國石材機(jī)械制造業(yè)的興旺.為了滿足我國石材加工業(yè)的發(fā)展需要,無論是研制本國的石材機(jī)械或是引進(jìn)國外的石材機(jī)械都必須了解目前國內(nèi)外石材機(jī)械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.本文按石材加工方式的不同,對目前石材加工機(jī)械的基本原理及發(fā)展趨勢作些論述.

根據(jù)對石材加工方式的不同,石材加工機(jī)械主要可分為鋸切加工機(jī)械,磨拋加工機(jī)械以及異形加工機(jī)械.

1.鋸切加工機(jī)械

石材的鋸切加工機(jī)械種類很多,但目前仍以框架式鋸機(jī)和金剛石圓盤式鋸機(jī)為主.

框架鋸主要由鋸框,鏈桿,立柱框架,鋸條等部件組成.其工作原理為裝在鋸框上的鋸條在連桿的帶動下隨著鋸框作往往復(fù)運(yùn)動,同時通過升降傳動機(jī)構(gòu)連續(xù)向下作進(jìn)給運(yùn)動,從而實現(xiàn)對石材的鋸切加工.最早的框架式鋸機(jī)由于所使用的刀具是鋼條和砂料,故被稱為鋼砂鋸.當(dāng)今鋼砂鋸的發(fā)展趨勢是自動化和大型化.比如,目前世界上最大的框架鋸一次可生產(chǎn)120塊板材,鋸條行程為80厘米.另外,鋸機(jī)的鋸切工藝參數(shù)可在一定范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié),連桿行程實現(xiàn)不停機(jī)自動補(bǔ)償.

由于鋼砂鋸要消耗大量的鋼砂和石灰,加工后所產(chǎn)生的大量廢鋼砂漿很難處理,對環(huán)境污染嚴(yán)重,而且噪音很大.因此,目前框架鋸的一個引入注目的發(fā)展動向是采用鑲焊金剛石燒結(jié)塊為刀頭的鋸條.1970年意大利首先推出了兩種使用金剛石刀頭鋸條的大型框架鋸機(jī).一種可鋸切的大理石荒料寬度為2米,長度為3.5米,一次可鋸切2厘米厚的板材90塊;另一種可鋸切的大理石荒料寬度可達(dá)2.5米,一次可鋸切2厘米厚的板材100塊,生產(chǎn)率比普通框架鋸機(jī)提高20%.

目前,這種金剛石刀頭的鋸條主要局限在大理石的加工中,還不能用于鋸切花崗石等較硬的石材.原因是框架鋸的鋸條作往復(fù)運(yùn)動,致使金剛石燒結(jié)塊刀頭上的金剛石磨料后部無法形成拖尾狀支撐,把持力小,容易從胎體上脫落.因此,用框架鋸來鋸花崗石大板一直沿用鋼砂鋸.

由于框架鋸的鋸切過程是非連續(xù)性的,鋸切速度慢,一般不超過2m/s,這么低的切割速度嚴(yán)重地制約了加工效率的提高.因此,一種新的石材加工機(jī)械——金剛石圓盤鋸機(jī)應(yīng)運(yùn)而生.該鋸機(jī)主要由機(jī)架,鋸片驅(qū)動電機(jī)及金剛石圓鋸片,升降進(jìn)給導(dǎo)向裝置,鋸片平移導(dǎo)軌等組成.其工作原理為裝在主軸上的金剛石圓鋸片作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和在橫梁導(dǎo)軌上作往復(fù)直線運(yùn)動時,通過升降進(jìn)給導(dǎo)向裝置,實現(xiàn)鋸片的上下運(yùn)行和準(zhǔn)確吃刀.與框架鋸相比,圓盤鋸的鋸切線速度可達(dá)30～45m/s,從而極大地提高了加工效率.因此,目前圓盤鋸機(jī)是石材鋸切加工中運(yùn)用最為廣泛的鋸切機(jī)械.但是另一方面,圓盤鋸機(jī)的鋸切深度受到了鋸片直徑的限制,一般不能超過鋸片直徑的1/3.1980年德國研制成功直徑達(dá)5米的圓鋸片,據(jù)稱是世界上最大的.但是,由于鋸機(jī)的驅(qū)動軸不能完全有效地支承較大重量的圓鋸片沿空間垂直平面進(jìn)行鋸切,同時,由于圓鋸片的直徑太大,致使鋸路不平直.因此從技術(shù)上來說,圓鋸片難于做得很大.雖然圓鋸片的鋸切線速度比框架高得多,但從鋸切深度和一次鋸切的板材數(shù)量上來說,圓鋸片不如框架鋸,所以在石材大板生產(chǎn)中,圓鋸片鋸機(jī)在短期內(nèi)還不能完全替代框架鋸.

為了進(jìn)一步提高石材加工的效率,人們在單片圓盤鋸的基礎(chǔ)上提出了組合鋸,即將多片圓盤鋸以一定的間隔裝在同一主軸上同時對石材進(jìn)行加工.雖然從鋸機(jī)的結(jié)構(gòu)上,組合鋸與單片圓盤鋸機(jī)并沒沒做太多的改進(jìn),但是由于組合鋸的鋸片數(shù)目可多達(dá)上百片.因此,一次加工可以生產(chǎn)上百片毛板,使得生產(chǎn)效率大為提高.另一方面,為了提高石材加工的自動化程度,人們在用組合鋸機(jī)將石材荒料鋸切成薄板的同時,用水平鋸機(jī)將石材薄板鋸切成板條.這種將垂直鋸切和水平鋸切集中在一臺機(jī)器上完成的設(shè)備稱為雙向切機(jī).雙向切機(jī)現(xiàn)在多為生產(chǎn)線中的主機(jī),它是近代石材工業(yè)中發(fā)展最為迅速的一種設(shè)備.用雙向切機(jī)進(jìn)行加工,生產(chǎn)效率可大為提高,而生產(chǎn)成本大幅度降低.

2.磨拋加工機(jī)械

石材的磨拋加工機(jī)械,按加工的自動化程度可分為單塊作業(yè)的磨拋機(jī)和連續(xù)作業(yè)的磨拋機(jī).各種磨拋加工都采用了垂直軸恒壓端面加工,這是因為垂直軸加工時工具與工件之間為面接觸,加工面積大,加工效率高.目前以手扶式磨機(jī)及多頭連續(xù)磨拋機(jī)運(yùn)用最為廣泛.

手扶式磨拋機(jī)是飾面石材的傳統(tǒng)磨拋加工設(shè)備.其基本結(jié)構(gòu)由主搖臂,副搖臂,主電機(jī),

主軸和加壓裝置,立柱,搖臂基座,升降電機(jī)及絲桿,扶手等組成.

該機(jī)工作原理為主電機(jī)通過皮帶傳動使垂直安裝的主軸和安裝在主軸下的磨盤作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動.使用扶手借助兩節(jié)搖臂可使磨盤沿著石材制品表面移動和在有限范圍內(nèi)上下移動,通過加壓裝置或人工加壓使磨盤上磨石對石材表面產(chǎn)生磨削作用,從而完成研磨拋光作業(yè).它在同一臺機(jī)床上通過手工更換磨盤的方法,可相繼完成粗磨,半細(xì)磨,細(xì)磨,精磨,拋光的全部作業(yè).其主要優(yōu)點是機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單,操作容易,投資少,但工人 的勞動強(qiáng)度大,所能加工的板材面積有限,由于通過工人眼睛觀察來確定不同粒度磨盤的更換,所以要求工人技術(shù)水平較高,而產(chǎn)品的最終質(zhì)量也會因人而異.目前此設(shè)備主要用于異形板材的磨拋加工.

多頭式連續(xù)磨拋機(jī)是一種新型先進(jìn)的研磨拋光設(shè)備,它通過在生產(chǎn)線上安裝多個不同的磨塊和拋光塊,一次性完成石材的粗磨,細(xì)磨,精磨拋光的全部加工過程.該機(jī)主要由磨頭,磨頭電機(jī),磨盤傳動架,機(jī)架,自動傳送帶及傳動軸,總控制盤,磨盤控制盤,油壓站,噴

水冷卻裝置等組成.連續(xù)多頭磨拋機(jī)加上的自動化程度高,操作人員的勞動強(qiáng)度小,生產(chǎn)效率高,可靠性好,生產(chǎn)損耗少,而且加工精度高,磨拋板材的質(zhì)量穩(wěn)定,該設(shè)備在國內(nèi)外已被廣泛采用.同時它也有一些缺點,比如安裝調(diào)試復(fù)雜,投資大,生產(chǎn)成本高,而且只能用于加工平面板材,對于異形板材的加工并不適用.目前此設(shè)備正被廣泛用于普通平板的加工,特別是大面積飾面板材的加工.

3.異型加工機(jī)械

由于異型石材制品附加值高,無論是現(xiàn)代建筑或碑石和石材家具制造,對異型石材制品的需求都與日俱增.石材的異型加工若用人工或單工序機(jī)械加工,則勞動量大,生產(chǎn)效率低,拋光成本高,難于滿足質(zhì)量要求;而且運(yùn)用金剛石工具損耗快.因此,國內(nèi)外出現(xiàn)了許多專門針對異型石材設(shè)計的機(jī)械設(shè)備. 異型石材加工機(jī)械按制品加工形狀的不同可大致分為兩類:一類是用來加工等截面的石

材異型制品,或者截面形狀相似,但面積不等的異型回轉(zhuǎn)體制品;另一類用來加工截面形狀不等的空間立體制品,二者控制維數(shù)是不同的.針對異型石材制品的加工形狀不同,對機(jī)械的要求也是不同的.對于用來加工等截面的石材異型制品,或者截面形狀相似,但面積不等的異型回轉(zhuǎn)體制品以金剛石串珠繩鋸和高壓水射流技術(shù)為主,而對于用來加工截面形狀不等的空間立體制品則主要是仿形,數(shù)控機(jī)械為主.

數(shù)控金剛石串珠鋸是使用柔性刀具加工異型石材制品的數(shù)控加工設(shè)備,主要由繩輪,金剛石串珠,導(dǎo)向輪電機(jī),機(jī)架,繩輪推進(jìn)機(jī)械等組成.該機(jī)所采用的切削刀具是串珠繩,它利用串珠 (金剛石燒結(jié)環(huán))內(nèi)含有的金剛石顆粒,在石材表面以20m/s或更高的線速度高速運(yùn)動,切割石材,適合于加工體積大,厚度大的異型石材制品.繩鋸具有較高的切割效率和較大的切割面積,使用靈活,而且無噪音,無振動,并可獲得光滑的切割表面.目前開發(fā)的串珠鋸,已從只能安裝一根金剛石串珠繩的單繩式串珠鋸,發(fā)展到可同時安裝60根串珠繩

的多繩式金剛石串珠鋸.與早期的占地面積很大的多繩串珠鋸相比,今日的多繩串珠鋸已經(jīng)變得更加輕巧實用,設(shè)備外形尺寸與普通的串珠整形機(jī)相差無幾.

高壓水射流技術(shù)是以高壓水射流或磨料射流為切割手段的石材加工技術(shù),以異型石材制品的加工為突破口進(jìn)入石材加工領(lǐng)域并在石材加工中應(yīng)用發(fā)展得很快.這是一種刀具簡單,無粉塵污染,低噪音,切口狹窄的切割技術(shù).在石材行業(yè),它主要用于石材拼花板材的加工,各種平板類石材標(biāo)志的加工,而且產(chǎn)品批量大,精度高. 數(shù)控高壓水射流切,割機(jī)由高壓水泵,工作主機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)三部分組成.這一技術(shù)裝備遠(yuǎn)比現(xiàn)在生產(chǎn)使用的加工設(shè)備造價低,產(chǎn)品加工成本低,功耗低,而且磨損料和水可回收利用,設(shè)備應(yīng)用范圍廣,是我國石材工業(yè)發(fā)展中值得重視的一項很有前景的新技術(shù).由于有關(guān)技術(shù)和關(guān)鍵的問題還未得到完全徹底解決,故在國內(nèi)石材加工中還沒得到廣泛應(yīng)用.

雖然繩鋸機(jī)和高壓水射流切割機(jī)在異型石材的加工中得到了廣泛的運(yùn)用,但是從嚴(yán)格意義來說,這兩種機(jī)械并不能完成真正的三維石材制品的加工.隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,針對截面形狀不等的空間立體制品,出現(xiàn)了各種多功能,高效率的數(shù)控加工設(shè)備.這些加工機(jī)械可以通過編程來完成多種復(fù)雜形狀的石材異型制品加工,如回轉(zhuǎn)體,主體雕刻制品加工,平面雕刻加工.這種加工設(shè)備的最大優(yōu)點是一次裝夾可以完成多工序作業(yè),加工質(zhì)量和加工精度都很高,很適宜加工復(fù)雜的輪廓;缺點是只能單件生產(chǎn),而且對刀具的技術(shù)要求很高.

應(yīng)該指出,石材機(jī)械除了上述幾種主要加工機(jī)械外,還應(yīng)包括金剛石鏈鋸,倒角機(jī)等.其他機(jī)械在石材加工中使用有限,故不在此贅述.

由于石材需求量的增加,使得石材機(jī)械得以迅猛地發(fā)展,從國內(nèi)外石材機(jī)械的發(fā)展趨勢可以看出,目前國際石材機(jī)械設(shè)備的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在三個方面:1.石材機(jī)械向高效方面發(fā)展,如在鋸片數(shù)量上的增加;2.石材機(jī)械向自動化方面發(fā)展,如數(shù)控技術(shù)在石材加工機(jī)械的廣泛運(yùn)用;3.石材機(jī)械向環(huán)?；l(fā)展,如金剛石串珠繩鋸,高壓水射流等環(huán)保加工設(shè)備的研制與應(yīng)用.可以預(yù)見,本世紀(jì)高效,環(huán)保及自動化依然是石材機(jī)械發(fā)展的主題.

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