昊玉厚　趙德宏　陸峰　張坷　沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通與機(jī)械工程學(xué)院

摘要：為了解和分析國(guó)內(nèi)外異型石材制品加工技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，研發(fā)新一代具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和國(guó)際水準(zhǔn)的異型石材制品加工技術(shù)與設(shè)備提供理論依據(jù)，通過(guò)分析和比較不同種類(lèi)異型石材制品的加工方法和不同類(lèi)別的異型石材加工技術(shù)與設(shè)備的功能，得出異型石材加工設(shè)備正向著高速高效化、智能化、人性化和單機(jī)設(shè)備多功能化的方向發(fā)展的結(jié)果。結(jié)論是目前國(guó)內(nèi)異型石材制品加工技術(shù)與設(shè)備與國(guó)外存在較大差距，研發(fā)新一代具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和國(guó)際水準(zhǔn)的異型石材制品加工技術(shù)與設(shè)備是提升我國(guó)石材加工業(yè)整體水平的戰(zhàn)略需求。

關(guān)鍵詞：異型石材加工設(shè)備發(fā)展

1概述

近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高，石材制品越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于建筑裝飾業(yè)。伴隨著石材制品業(yè)向著高質(zhì)量、藝術(shù)化、多樣化方向的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)異型石材制品的種類(lèi)、形狀、精度和產(chǎn)品尺寸的要求愈來(lái)愈高、需求愈來(lái)愈大，異型石材加工裝備也向著高速高效化、智能化、人性化和單機(jī)設(shè)備多功能化的方向發(fā)展。

2異型石材制品的分類(lèi)及加工技術(shù)

異型石材制品一般是指除矩形板材以外的其他所有石材制品。按照制品的特點(diǎn)和加工方式的不同，異型石材制品可分為：平面異型制品、曲面異型制品、實(shí)體回轉(zhuǎn)體制品和雕刻制品等四大類(lèi)。

2.1平面異型制品及其加工技術(shù)

平面異型石材制品是指以二維線(xiàn)條或圖形為主的臺(tái)面制品，一般帶有邊緣花線(xiàn)或雕有文字。如衛(wèi)生間面盆板、廚房灶臺(tái)板、花線(xiàn)條、拼花板材和簡(jiǎn)單的墓碑等。

平面異型石材的加工一般采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工設(shè)備。設(shè)備通常配備一個(gè)工作平臺(tái)供安放和固定工件用，刀具可沿X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，配以圓盤(pán)銑刀或雕銑刀頭，可完成花線(xiàn)切割和文字雕刻。

部分毛面花紋的加工采用噴砂加工技術(shù)，如意大利PELLEGRINI公司的S系列噴砂加工設(shè)備，采用噴砂毛面加工技術(shù)，可在石材板表面上噴砂加工出各種花紋圖案，其最大加工寬度可達(dá)2.2米。配備專(zhuān)門(mén)的粉塵收集裝置，防止沙塵對(duì)工作環(huán)境和操作者的污染。

2.2曲面異型制品及其加工技術(shù)

曲面異型制品指具有公共母或?qū)ΨQ(chēng)中線(xiàn)的曲面板材制品，如內(nèi)外圓弧板、S型或波浪形等墻面用板材、柱面用板材制品等。

曲面異型制品有傳統(tǒng)機(jī)械加工、繩鋸加工或高壓水射流加工等多種技術(shù)。曲面異型制品加工設(shè)備的工作臺(tái)一般能夠前后平移，刀具相對(duì)工件作X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向進(jìn)給，配以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿形控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的加工。

圖1為山東大學(xué)石材工程技術(shù)研究中心研制的SSQ系列數(shù)控石材曲面加工設(shè)備。該設(shè)備采用了可靠的三坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)，刀具軸水平布置，鋸片或磨輪垂直切割。該設(shè)備可加工任意曲率、形狀的內(nèi)、外曲面。工作時(shí)，通過(guò)更換不同形式的刀具，即可完成曲面板材的銑、磨、拋光加工。

實(shí)體回轉(zhuǎn)體制品及其加工技術(shù)實(shí)體回轉(zhuǎn)體制品指具有對(duì)稱(chēng)中線(xiàn)的柱體制品。如圓柱、欄桿住、羅馬柱、風(fēng)水球、工藝花瓶等。

實(shí)體回轉(zhuǎn)體制品一般采用車(chē)削或鋸切加工工藝，工件繞中心軸回轉(zhuǎn)，刀具沿X軸、Z軸方向進(jìn)給。由于石材為硬脆材料，主軸回轉(zhuǎn)速度不能太高，所以一般采用圓盤(pán)鋸。鋸片動(dòng)刀頭與制品反方向回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高速切削。在制品不發(fā)生回轉(zhuǎn)的情況下，使鋸片動(dòng)刀頭在0°－?360°之間轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以加工出復(fù)雜的多棱體石柱。國(guó)內(nèi)石材圓柱體的成形一般采用柱帽機(jī)加工，通過(guò)機(jī)械仿形技術(shù)加工復(fù)雜的回轉(zhuǎn)體形狀。國(guó)外先進(jìn)的加工技術(shù)采用計(jì)算機(jī)仿形控制技術(shù)。

2.3雕刻制品及其加工技術(shù)

石材雕刻制品是指沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中線(xiàn)以及具有復(fù)雜形面的異型制品，包括復(fù)雜的平面浮雕和各種立體雕刻制品。如復(fù)雜的畫(huà)框、壁爐飾面、各種樓梯扶手、立體人像、動(dòng)植物雕刻品等。

平面浮雕加工設(shè)備的刀具一般除能沿X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向進(jìn)給，有的刀具還可繞Y軸擺動(dòng)。立體浮雕一般采用數(shù)控加工中心，可實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，擁有先進(jìn)的三維激光掃描系統(tǒng)、CAD/CAM圖形處理技術(shù)和多軸數(shù)控加工系統(tǒng)。

3異型石材制品加工設(shè)備

3.1仿形加工設(shè)備

仿形加工是以制品模型為依據(jù)進(jìn)行的一種機(jī)械加工方式。國(guó)內(nèi)用于石材加工的仿形設(shè)備多采用機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)、液壓仿形系統(tǒng)等方式。

機(jī)械仿形采用由連桿機(jī)構(gòu)或平行四邊形機(jī)構(gòu)組合而成的形式，模型與工件的加工比例一般為1：?1，可用于加工平面異型制品和回轉(zhuǎn)體異型制品。液壓仿形是將幾個(gè)液壓油缸和液壓閥組合而成一套液壓仿形油路系統(tǒng)的一種加工方式，液壓仿形加工的工件可以對(duì)模型進(jìn)行一定比例的放大。如意大利OMAG公司生產(chǎn)的ID86系列臥式液壓仿形車(chē)床，可用于加工圓柱、欄桿住、花瓶等母線(xiàn)是任意曲線(xiàn)的回轉(zhuǎn)體制品，通過(guò)選配不同的動(dòng)力頭和配套機(jī)構(gòu)，該機(jī)還可以加工多棱柱、羅馬柱和球類(lèi)石材制品。

國(guó)外先進(jìn)的仿形加工設(shè)備使用激光掃描成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿形控制加工技術(shù)問(wèn)，可以對(duì)較復(fù)雜的或不易采用機(jī)械觸頭進(jìn)行的仿形的模型進(jìn)行仿形加工，其精度更高，仿形效果更好。圖2為意大利OMAG公司MILL4型3到6軸的數(shù)字化機(jī)械仿型加工中心，這套加工中心集鋸、雕刻、打磨、轉(zhuǎn)銑于一體。

3.2繩鋸加工設(shè)備

繩鋸加工是在石材加工中的廣泛應(yīng)用，主要是應(yīng)為它具有顯著提高了生產(chǎn)率和改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。主要表現(xiàn)在：串珠繩鋸用途多、線(xiàn)切割速度快、生產(chǎn)效率高、對(duì)環(huán)境污染小、噪聲低、省電省時(shí)、工作環(huán)境較為理想，但使用壽命較短、表面加工質(zhì)量較低。串珠繩鋸加工異形石材現(xiàn)在一般都采用數(shù)控加工技術(shù)，雖然到目前只有近15年的發(fā)展歷史，但已經(jīng)成為高附加值異型石材制品加工的主要設(shè)備。

繩鋸加工大多采用單根金剛石串珠繩鋸的加工方式。二維金剛石串珠繩鋸包括工件與串珠鋸在豎直方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和工件與串珠鋸水平方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。豎直方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是采用串珠鋸上下移動(dòng)的方式，第二種方式采用工件底部頂升機(jī)構(gòu)。第一種方式由于串珠鋸相對(duì)質(zhì)量較低，所以比較節(jié)約能源，且方便對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是由于串珠鋸鋸架需要上下移動(dòng)，所以增加克鋸機(jī)的整體結(jié)構(gòu)尺寸；第二種方式則比較節(jié)省空間。水平方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是框架據(jù)沿固定導(dǎo)軌的平移運(yùn)動(dòng)，同樣具有節(jié)約能源和速度可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，但是由于固定導(dǎo)軌不能移動(dòng)，所以對(duì)加工尺寸有一定要求。第二種方式采用工作臺(tái)水平移動(dòng)的方式，同時(shí)框架據(jù)兩側(cè)可沿垂直導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，所以加工尺寸可以更大。

意大利CANDIANI公司生產(chǎn)的MULITIUIREC200-2型雙軸金剛石串珠繩異形鋸機(jī)，可以同時(shí)安裝三根金剛石串珠繩，主要用于加工石材圓弧板。同時(shí)該公司生產(chǎn)的VINCA-6型鋸機(jī)采用了先進(jìn)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)。其外形結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式與一般的金剛石串珠繩鋸整體機(jī)的形式基本相似，不同的是每側(cè)的飛輪可單獨(dú)升降，使金剛石串珠繩鋸與水平面成一定的角度，同時(shí)工件在工作臺(tái)上可以360。旋轉(zhuǎn)，可鋸切加工出空心螺旋柱等復(fù)雜的回轉(zhuǎn)立體石材制品。

除常見(jiàn)的串珠繩鋸異型石材鋸切設(shè)備外，還有一些小型臺(tái)式串珠鋸機(jī)，專(zhuān)門(mén)用于加工拼花、曲線(xiàn)邊等異型石材制品。

3.3高壓水射流加工設(shè)備

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)。高壓水射流具有道具簡(jiǎn)單、為粉塵污染、低噪音、切口狹窄等特點(diǎn)。相對(duì)繩鋸加工而言，高壓水射流切削過(guò)程連續(xù)、切削力穩(wěn)定、振動(dòng)較小，所以特別適合用于石材拼花板材的加工和各種平板類(lèi)石材標(biāo)志加工，而且產(chǎn)品批量大，精度高。

數(shù)控高壓水射流切割機(jī)是由高壓水泵、工作主機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)三部分組成。這種技術(shù)裝備造價(jià)低，功耗小，由于磨損料和水可回收利用，所以產(chǎn)品的加工成本很低。高壓水射流加工技術(shù)是目前石材加工領(lǐng)域一項(xiàng)非常有前景的新技術(shù)。

3.4數(shù)控加工設(shè)備

3.4.1數(shù)控車(chē)床

異型石材加工用數(shù)控車(chē)床主要用于加工簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)體異型石材制品。加工工件繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具相對(duì)工件作軸向運(yùn)動(dòng)和垂直軸向進(jìn)給。因?yàn)槭氖谴嘈圆牧希剞D(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不易太高，為保證正常切削所需線(xiàn)速度，通常采用圓盤(pán)鋸代替普通的車(chē)刀。圓盤(pán)鋸由高速電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)固定在隨動(dòng)刀架上。數(shù)控系統(tǒng)采用普通二軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)即可。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接對(duì)一般車(chē)床作簡(jiǎn)單的改進(jìn)就能夠使用，所以在國(guó)內(nèi)被廣泛使用。

3.4.2數(shù)控雕銑機(jī)

數(shù)控雕銑機(jī)主要用于簡(jiǎn)單的板材表面圖案和墓碑雕刻等石材加工。一般具有三維或四維聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制。圖3為國(guó)產(chǎn)美杰特MJT-1812D型石材雕銑機(jī)主要用于墓碑加工，其最大加工尺寸為：寬2700mm，長(zhǎng)2100mm、高1800mm，最大加工質(zhì)量為：1500㎏。

3.4.3數(shù)控車(chē)銑加工中心

隨著數(shù)控技術(shù)和多軸聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，五軸聯(lián)動(dòng)控制的數(shù)控車(chē)銑加工中心成為異型石材加工的新方向。這種加工中心能夠集車(chē)削、雕銑、磨刨等加工功能于一身，配以先進(jìn)的激光成像技術(shù)和開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，可以加工人體石雕像等復(fù)雜的藝術(shù)制品。圖4為意大利OMAG公司設(shè)計(jì)的formacolonne-CN型加工中心，該加工中心采用4軸聯(lián)動(dòng)數(shù)字控制加工技術(shù)，同時(shí)配有兩個(gè)工作頭。

3.4.4數(shù)控加工中心

異型石材數(shù)控加工中心一般采用龍門(mén)支柱式結(jié)構(gòu)，除水平工作臺(tái)外一般還配有旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，主要用于加工大型、復(fù)雜的異型石材制品。以美國(guó)North-wood公司Satellite?XL型數(shù)控加工中心為例，該機(jī)采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)字控制技術(shù)，可以以任何角度加工5個(gè)外形表面。其特點(diǎn)是快速、高效、可靠、安全，并且具有自動(dòng)加緊裝置。

4國(guó)內(nèi)外異型石材加工技術(shù)與裝備發(fā)展展望

4.1單機(jī)多功能化

隨著多軸聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，異型石材加工設(shè)備正在向單機(jī)設(shè)備多功能方向發(fā)展。如六維聯(lián)動(dòng)數(shù)控繩鋸機(jī)、五軸聯(lián)動(dòng)車(chē)銑加工中心、五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心等多軸加工設(shè)備，由先進(jìn)的CNC系統(tǒng)控制，可完成切割、鉆孔、車(chē)削、雕銑、磨削、拋光等功能于一體。

4.2智能化

現(xiàn)代CAD/CAM軟件的發(fā)展加速了機(jī)床CAC技術(shù)的發(fā)展速度。應(yīng)用先進(jìn)的Pro/Engineer，、MasterCAM等軟件進(jìn)行CAD/CAM設(shè)計(jì)加工，生成CAM程序可直接用于CAC機(jī)床的加工。使用激光掃描與電腦成像技術(shù)和基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)可以對(duì)珍貴的文物等制品進(jìn)行仿真加工。同時(shí)采用激光掃描技術(shù)提取石材材料特性及紋理特征，通過(guò)CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件可惜有效地利用石材天然的紋理和節(jié)約材料。

4.3人性化

國(guó)外異型石材制品加工設(shè)備的開(kāi)發(fā)越來(lái)越重視對(duì)加工環(huán)境的改善，在設(shè)備的除塵、減震；設(shè)備的防護(hù)是工作環(huán)境更加安全，設(shè)備的外形設(shè)計(jì)上更加注重人性化設(shè)計(jì)。如意大利PELLEGRINI公司的S系列噴砂加工設(shè)備，配備專(zhuān)門(mén)的粉塵收集裝置，防止沙塵對(duì)工作環(huán)境和操作者的污染。在設(shè)備外形設(shè)計(jì)上運(yùn)動(dòng)人機(jī)工程學(xué)的思想，在外款、色彩搭配等方面都別具一格。

4.4高速、高效化

自二十世紀(jì)50年代德國(guó)Carl?Salomon博士首次提出高速切削概念以來(lái)，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，到本世紀(jì)初，高速切削技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到普遍應(yīng)用。因?yàn)楦咚偾邢骷庸ぞ哂星邢髁档?、工件熱變形小、加工表面質(zhì)量高、加工效率高、加工成本低等顯著的特點(diǎn)，正成為切削加工的主流技術(shù)。目前適用于金屬切削的高速加工技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)比較成熟，適合于石材加工的高速加工技術(shù)正成為目前石材加工技術(shù)研究的主要方向之一。高速切削是一項(xiàng)先進(jìn)的、正在發(fā)展的綜合技術(shù)，必須將高性能的高速電主軸系統(tǒng)、高速切削機(jī)床、與石材高速切削相適應(yīng)的刀具和對(duì)于具體加工對(duì)象最佳的加工工藝等技術(shù)相結(jié)合.才能充分發(fā)揮高速切削技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。高速切削加工的實(shí)現(xiàn)顯著提高了工件的加工效率。同時(shí)國(guó)外在繩鋸加工中同時(shí)使用多股繩鋸，在數(shù)控加工中心中同時(shí)使用多個(gè)工作頭等方法的應(yīng)用。也顯著提高了石材制品的加工效率。圖5為意大利OMAG公司的MILL98型加工中心工作模擬圖，該加工中心同時(shí)配備了4個(gè)工作頭。

5結(jié)論

目前，異型石材制品加工設(shè)備正向著高速高效化、智能化、人性化和單機(jī)設(shè)備多功能化方向發(fā)展。與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，我國(guó)在異型石材制品的加工技術(shù)和設(shè)備上還存在較大的差距。因此加速研制新型具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的異型石材加工技術(shù)與設(shè)備對(duì)于推動(dòng)我國(guó)石材制造裝備業(yè)的發(fā)展，提高我國(guó)石材產(chǎn)業(yè)的整體竟?fàn)幠芰哂惺种匾囊饬x。?

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