非金属材料的机械加工

非金属材料的机械加工

第一节石材的加工

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。

一、石材的切割加工

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4－1为圆筒切机的结构示意图。将图4－1 圆筒切机结构简图

荒料固定在料车7上，由进给电机4带动进给传动轴3 1.圆筒刀具2-主电机3-进给传动丝杠

转动，并带动横梁6作垂直方向进给运动。同时，主4-进给电机5-立柱6-横梁7-料车

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4－2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图4－2 仿形切机结构简图

材曲面。仿形切削适于大批量生产，可以切割各1-工作台2-石料3-锯片4-靠轮5-样板

种凹凸曲面。6-横梁7-操作台8-纵向导轨9-液压缸

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4－3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图4－3 数控车床结构简图

加工运动轨迹（可进行剪裁、编辑和修改）并根1-床身2-工件3-主轴箱4-主轴5-桥架马达

据其廓形编程。符合要求后，将设计的石材廓形6-横梁7-金刚石切片8-切片升降导轨9-切片升降电机

转换成数控加工程序，输入到机床的控制系统中，10-横向运动电机11-金刚石切片动力头控制系统发出位移和速度指令，以控制机床伺服12-磨头13-纵向桥架

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4－4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。金刚石环块图4－4 金刚石绳锯简图

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