（机械制造及其自动化专业论文）花岗石超薄型板材锯解关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着世界上建筑业及装饰业的发展，石材的应用范围越来越广，而节约型社 会理念的日渐深入人心，使得石材板材越来越向薄型化方向发展已经成为历史的 潮流。花岗石超薄板以其薄、轻等突出特点从石材产品市场中脱颖而出，并越来 越受广大用户欢迎。但是目前超薄型板材n - r 易破碎等缺陷严重制约了超薄型板 材的大批量生产和应用。本文在深入剖析花岗石超薄型板材锯切加工技术现状以 及存在问题的基础上，研究超薄板的锯切时锯片振动特性及锯切力状况，全面探 讨了花岗石超薄板的锯切及破碎问题。 探讨了花岗石超薄型板材的市场需求、发展方向以及加工关键技术，通过对 花岗石超薄板应用最为广泛的对剖加工方式中板材受力的分析，研究板材加工过 程中锯切力的变化以及锯切应力与振动应力的分布。 建立板材破碎模型，对造成板材加工破碎的因素及破碎机理研究，分析其原 因主要为锯片横向振动引起的板材轴向受力，并利用有限元软件a n s y s 对板材加 工过程进行静态仿真，分析板材破碎机理并探论在一定加工参数情况下板材厚度 对板材应力分布及大小的影响，并提出加工设备及工艺的优化方向。 借助有限元软件a n s y s ，对金刚石圆锯片进行仿真分析，通过模态分析验证 其在一定加工参数下对剖加工时的动态性能，研究锯片的轴向振动特性，并且通过 文献的锯切力经验公式及实验数据，分析了锯切过程中圆锯片轴向力随加工参数 的变化规律。 利用a n s y s l s d y n a 模块建立锯片切入花岗石板材的瞬时动态模型，研究 锯片间断性磨削过程中锯切力变化与超薄板材内部的应力应变状况，仿真结果与 实际加工情况基本相符。 本课题的研究目的在于研究花岗石超薄板材加工破碎机理，不仅在理论上有 所突破，而且对于指导实际生产以减少浪费、提高经济效益有重要意义。 关键词花岗石；超薄型板材；破碎机理；有限元分析；轴向振动 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o na n dd e c o r a t i o ni n d u s t r yi n t h ew o r l d ， a p p l i c a t i o no ft h es t o n e m a t e r i a l si sb e c o m i n gm o r ea n d m o r ew i d e l y ，a n dt h e c o n s e r v i n gs o c i e t yi d e ai sw i n n i n gt h eh e a r t sa n dm i n d so ft h ep e o p l e ，a l lt h i sm a k e s t o n er e s o u r c e ss a v i n ga n df u l l yu t i l i z i n gt ob e c o m et h eh o tt o p i ci ns t o n ei n d u s t r y ， t h i n n e rs t o n es l a b s 躬s t o n em a t e r i a l sh a sb e c o m et h e t i d eo fh i s t o r y p r o m i n e n t c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha st h i n , l i g h ta n dt r a n s p a r e n tm a k et h eu l t r a - t h i ns t o n e st a l e n t s h o w i n gi t s e l fi nt h ef i e l do fs t o n e ，b u tt h ed i s a d v a n t a g e so ft h eu l t r a - t h i ns t o n e ss u c h 弱 p o o rs u r f a c eq u a l i t y ，e a s yf r a g m e n t a t i o ni np r o c e s s i n g ，s e r i o u s l yr e s t r i c tt h em a s s a p p l i c a t i o na n dp r o d u c t i o n b a s e do nt h et h o r o u g ha n a l y s i so nt h es t a t eo f a r t so fg r a n i t e u l t r a - t h i ns l a b ss a w i n ga n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m s ，a x i a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d f o r c e so ft h et h ed i a m o n dc i r c u l a rs a wb l a d e sa n dt h ef r a g m e n t a t i o nm e c h a n i s mf o r s a w i n go fg r a n i t eu l t r a - t h i ns l a b sw e r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s m a r k e td e m a n d ，d e v e l o p i n gd i r e c t i o na n dp r o c e s s i n gk e yt e c h n o l o g yo fg r a n i t e u l t r a - t h i ns l a b sw e r ed i s c u s s e d ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fd o u b l es a wc u t t i n gw h i c hi st h e m o s tw i d e l yu s e df o rs a w i n gu l t r a - t h i ns t o n es l a b sn o w , s a w i n gf o r c e sa n dt h e d i s t r i b u t i o no fs a w i n gs t r e s si nt h es a w i n gw e r es t u d i e d n eb r o k e nm o d e lo fg r a n i t eu l t r a t h i ns l a b sw a se s t a b l i s h e d , p r o p o s e dt h e f r a g m e n t a t i o nm e c h a n i s mo fu l t r a - t h i ns l a b s ，1 1 1 em a i nr e a s o n sa r ed r a s t i cc h a n g ei nt h e f o r c ei nt h es l a b sc a u s e db yt r a n s v e r s ev i b r a t i o na n di m p a c to fs a w b l a d e ，a n dt h ef e m s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ep r o c e s so fc u t t i n gb ya n s y sw a sp r o c e e d e da n dt h ec r i t i c a l t h i c k n e s si nw h i c hb r o k e nw i l ln o to c c u ri nc e r t a i np r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa n ds l a bs i z e s w a sd i s c u s s e d ，t h e nt h eo p t i m i s td i r e c t i o no ft h ek e yt e c h n i c a lw a sp u tf o r e w o r d u s i n gf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ea n s y s ，t h ed i a m o n dc i r c u l a rs a wb l a d e sw e r e s i m u l a t e d v e r i f i e dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei nc e r t a i nm a c h i n i n gp a r a m e t e r s ，t h ea x i a l v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dv i b r a t i o nd i s c i p l i n ew e r es t u d i e d b ya n s y s l s d y n am o d u l e ，d y n a m i cm o d e lo fg r a n i t eu l t r a - t h i ns l a b sc u t t i n g w a s es t a b l i s h e d ，r e s e a r c h e dt h ee f f e c to ft h e i n t e r m i t t e n tg r i n d i n gp r o c e s so ns l a b b r o k e n t h ep u r p o s eo ft h ep a p e ra r es t u d y i n go nt h ef r a g m e n t a t i o nm e c h a n i s mo ft h e g r a n i t eu l t r a - t h i ns l a b s ，t h e r ew a sab r e a k t h r o u g hi nt h e o r ya sw e l la sa ni m p o r t a n t m e a n i n gi ng u i d ep r a c t i c a lp r o d u c t i o nt oc u tw a s t ea n di n c r e a s ee c o n o m i cb e n e f i t s ，t h e r e s u l t sw e r ec o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a lp r o c e s s i n g i i i 山东大学硕士学位论文 k e y w o r dg r a n i t e ；u l t r a - t h i ns l a b s ；f r a g m e n t a t i o nm e c h a n i s m ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；a x i a lv i b r a t i o n i v 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 1 2 1 背景分析 第1 章绪论 天然石材具有外观美观、质地良好、物理化学性能优良( 如抗压、抗磨及抗 腐蚀性强) 等优点，自古以来就成为一种优良的建筑材料1 1 】。随着建筑业、装饰业 等行业的发展，石材制品的应用领域不断扩大，而节约型社会理念的日渐深入人 心，促使石材资源的节约与充分利用成为当今石材行业的热门话题，石材制品中 需求量及产量最大的板材产品薄型化发展已经成为潮流，薄型、超薄型板材因其 薄、轻等优良特性被普遍认为是二十一世纪最理想的绿色环保建材之一。 相比大理石等其他石材，天然花岗石具有色彩缤纷、质地坚硬、耐腐蚀、抗 风化、抗震耐压、环保和磨光性好等优点1 2 训。目前，我国已成为世界上最大的花 岗石资源国和生产国，2 0 0 9 年，花岗石板材累计产量2 6 0 亿平方米，同比增长1 1 。 2 0 1 0 年1 0 月天然花岗石建筑板材累计达2 5 6 亿平方米，同期同比增长1 9 。随 着建筑业及装饰业的发展，花岗石板材需求量及产量将不断增长。 超薄板的生产，不仅提高了天然石材的装饰档次，而且降低了天然石材的资 源加工等综合成本，提高了天然石材的附加值。花岗石超薄板，尤其是大规格超 薄板相比其他相同规格普通石材板材，具有重量轻，施工方便；绿色环保，节约 资源；利润增值空间大等无法媲美的优势。随着国际消费石材向薄型化、天然化 发展以及国家政策提倡建筑材料应用绿色环保、放心石材，因此大规格花岗石超 薄板材的需求量将越来越大，但受机械设备、工艺技术、石材品质等的限制，容 易使花岗石超薄板在加工或施工中因本身或外界原因而发生开裂、断裂，成为制 约花岗石超薄型板材加工实现成本降低、生产率提高的关键因素。 目前国内花岗石超薄板成材率常规尺寸( 6 0 0 m m x 6 0 0 m m 以内) 在9 5 9 8 ， 大板的成材率约为8 5 ，造成一定程度的资源浪费，国内外对花岗石等石材的锯 切机理、可加工性等不断深入研究，但如何在保证经济效益的同时降低锯切板材 的厚度及确保对剖时薄板不破碎与减小对剖面中线不平度，即确保成材率和加工 山东大学硕士学位论文 精度的研究依然是超薄板加工的难点，成为今后石材业的重要课题。 1 2 2 石材超薄板现状 超薄型石材( 或称石材超薄板) 是指厚度在5 - 8 r a m 以下各类石材板材，按石 材类型不同可分为大理石超薄板和花岗石超薄板。 超薄型石材在我国出现已近二十年，目前超薄型石材在建材行业应用最为普 遍，广泛应用于天花板，内外墙、石材复合板及保温板中，在其他行业如家具家 电、工艺品等领域的应用也不断扩大。经过不断的创新和发展，可生产最薄可达 2 m m ( 其最大规格1 2 0 0 m m x 2 4 0 0 m m ) 的大理石板材；花岗石板材最薄可达3 m m ( 最 大规格3 0 0 0 r n m x15 0 0 m m ) 。 1 2 花岗石超薄板 1 2 1 石材超薄板应用领域 图1 1 花岗石超薄板 _ ? 目 ；謦一 三基 天然石材超薄板因其“薄”、“轻”的特性而得到广泛应用，可用于电梯、楼 面以及内外墙等，不仅节约了石材资源，同时减轻楼面的结构承重量，是办公、 家庭、娱乐等场所的理想建筑及装饰材料。图1 2 表明了石材超薄板的应用情况。 ( 1 ) 作为建筑材料，可以用于贴地面墙面等。 ( 2 ) 用于家具行业：石材加工厚度达到到2 m m 之后，可应用于家具贴面， 比如茶几、餐桌、办公桌、门窗等。 ( 3 ) 制作雕刻工艺品：如招牌、字画、石简、对联等，因为超薄板薄且轻， 很容易安装悬挂，可在一定范围内替代陶瓷、竹木、金属板，同时具有天然石材 2 第1 章绪论 独有的质感和花色。 内 外 墙 石材超薄板应用 建材l 居家产品il工艺品l 复合材料 电 梯 墙 面 天 花 板 天 棚 餐 桌 茶 几 贴 面 冰 箱 等 家 电 贴 面 招 牌 匾 额 字 一 衄 ， 石 简 蛭 窝 复 口 板 等 石 材 保 温 板 图1 - 2 石材超薄板应用领域 ( 4 ) 复合材料：由于超薄型石材板材易碎的特性，通过选取基材与石材超薄 板粘结形成复合材料，达到提高板材强度以及及应用领域，甚至起到一定特殊作 用如石材保温板等越来越受广大厂家及用户的欢迎。 1 2 2 花岗石超薄板加工特点 ( 1 ) 由于超薄板材相比普通板材厚度较低，抵抗弯曲断裂的能力下降，使板 材在加工和施工过程中有可能由于石材本身或外界原因出现开裂、断裂，从而降 低超薄板材的成材率和加工精度。因此相比普通板材，对超薄型板材的生产流水 线的输送、装夹技术精度要求更高。 ( 2 ) 受尺寸效应影响，材料的力学性能不是一个常数，而是随着材料几何尺 寸的变化而改变，石材强度( 抗拉强度、抗剪强度等) 无法完全体现材料的力学 性质，而是受板材几何尺寸影响的参数，因此石材锯切加工方面的实验结果具有 一定的局限性。 ( 3 ) 加工参数不同，锯片在加工过程中由于横向振动而产生的轴向力也不同。 由于轴向力与板材的表面质量密切相关，因此在不同的加工参数下板材所能达到 的经济厚度是不同的；同时研磨过程中，由于磨头压力的存在，板材的加工还存 在临界厚度。 3 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 为了缩减锯缝，减少超薄板加工时的资源浪费，厂家经常利用薄型金刚 石圆锯片加工花岗石薄型板材时，由于基体厚度的减小，刚性减弱，圆锯片在锯 解板材过程中容易发生屈曲失效或偏摆过大，因此如何有效保证金刚石圆锯片锯 解质量和锯片寿命的锯解工艺技术成为一重要课题。 相比普通板材，超薄板因“薄 的特性，1 j 口- r 特性与普通板材相比具有较大 区别，不仅加工中易碎，而且存在厚度极限，因此对加工设备以及装夹技术的精 度要求更高。 1 2 3 花岗石超薄板加工技术及设备 超薄型石材板材的生产方法是指具有批量生产能力的工艺方法。石材超薄板 材的自动化、大批量生产，是在1 9 7 9 年首次实验成功金刚石圆锯多片组合加工技 术后开始的，现正迅速地推广【5 1 。超薄型石材加工工艺按石材品种不同可分为大理 石超薄板加工和花岗石超薄板加工；按加工方式不同可分为直接锯切法，对剖法 和复合层法，其中对剖法应用最为广泛。 ( 1 ) 直接锯切法 直接锯切法采用多片组合锯锯切加工石材，加工后的毛板经研磨后形成超薄 板。随着加工技术的发展，花岗石薄板多锯片双切割机已发展到可装直径达 1 6 0 0 m m 的圆锯片，可直接从荒料上切得宽达6 0 0 m m ，厚7 m m 板材。 此种加工方式加工规格精确，有效地利用了珍贵的石材资源，但目前国内无 法加工更薄更大型石材，无法满足社会对薄型石材的需求，但随着市场上对超薄 板的需求量的增大及设备的不断研发，必将越来越受欢迎，现在一般用于石材薄 板及小型超薄板加工。 ( 2 ) 对剖法 对剖法是经锯解之后的石材板材通过定厚机进行定厚，经磨抛机进行双面磨 光，再经石材切割机将其切割成各种所需规格的石材板材后，最后进行对开剖切 工作。加工工艺路径如下：石材板材一定厚一双面粗磨一切边成型一对剖加工一 研磨一抛光一成品。 对剖法可通过金刚石圆盘锯或带锯机进行对剖加工。但受锯带的限制，花岗 4 第1 章绪论 石超薄板无法通过带锯机加工。对剖法加工虽然相对直接锯切法加工效率较低， 石材浪费较多，但工艺较为简单，设备成本低，深受广大用户的欢迎，是目前应 用最为广泛的超薄板加工方法。 ( 3 ) 复合层法 复合层法加工在经过定厚加工的石材板材两面粘贴具有一定强度和厚度的底 板基材，然后再进行对剖加工。工艺路径如下：石材板材一切边成型一定厚一面 板烘干一刷胶复合一分切对剖一成品定厚一两面磨光一修边倒角一成品。 复合层法有效地避免了石材对剖加工时板材易破碎的缺点，并且可以使石材 板材的厚度最低可达2 n ：1 i - n 。但工艺十分复杂，成本高。对超薄板材厚度及加工精 度要求比较高的场所一般应用复合层法。 1 2 4 超薄板发展方向 天然石材超薄板凭借远超普通板材的优势，越来越受广大用户的欢迎，为了 满足广大用户的需求及提高自身竞争力，超薄型石材逐渐向薄型化、大型化方向 发展。 ( 1 ) 薄型化 上世纪8 0 年代，可加工出的石材板材厚度为1 0 1 5 i m n ；9 0 年代，石材板材的厚 度缩减至8 姗以下，目前己有厚度仅为3 m m 的花岗石超薄板材面市。板材逐渐薄 化，不仅有效地减少了石材资源的浪费，并提高了石材资源利用率，为生产厂家 增加了利润，因此板材不断“薄化 成为了石材超薄板的发展趋势。 ( 2 ) 大型化 在超薄板逐渐“薄化”的同时，超薄板的幅面，由原来的小型板3 0 0 m m x 3 0 0 m m ， 随着技术装备的进步，逐渐增大至2 4 0 0 m m x 2 4 0 0 m m ，现在吉林某公司生产花岗石 石材最大规格可达3 0 0 0 m m x l 5 0 0 m m x 5 m m 。幅面的增大有效地减少了装夹次数， 缩减了劳动时间，世界石材产品己不断向大型化方向发展。 1 3 花岗石超薄板研究及生产应用动态 目前，为了提高加工效率和加工质量，降低生产成本，国内外对花岗石及板 山东大学硕十学位论文 材的加工研究已经有了一定成果，对加工机理及分析工具方法的研究从现有文献 来看主要有以下几个方面： ( 1 ) 在花岗石锯切机理方面，国内外学者对其进行了长期研究【6 】【7 1 ，从早期 压头侵入理论，观察单颗粒金刚石划伤表面形貌的方法逐渐发展到综合应用各种 先进观测设备观察花岗石加工表面形貌以及裂纹的产生和扩展规律、用声发射信 号评价岩石的切削状态等【引，建立了各种金刚石切削岩石的切削模型【9 1 【10 1 ，从不同 角度对岩石切削机理进行了研究。近年来，着重加强了花岗石内部组分等对锯切 过程的各种现象如锯切力变化、刀具磨损等的影响研究【1 1 】。但由于花岗石锯切过 程相当复杂，人们对锯切机理的研究尚需进一步深入。 ( 2 ) 在脆性材料板材加工质量方面，花岗石加工研究较少，而工程陶瓷磨削 加工领域中边缘破碎研究较多，将金刚石锯片、磨头突然接触或离开石材或陶瓷 工件时引起的应力集中，从而造成工件的边缘产生碎裂的损伤称之为边缘碎裂、 边缘剥落或边缘缺陷等( 俗称“崩边 ) 1 2 q 4 】。 n g 等【15 1 、c a o 1 6 】初步研究了陶瓷工件的边缘碎裂行为，将边缘碎裂根据损伤 位置的不同分为三种类型：刀具开始接触工件时产生的碎裂称为入口边缘碎裂； 刀具离开陶瓷工件时产生的碎裂称之为出口边缘碎裂；在加工过程中沿刀具运行 路径分布的边缘碎裂称之为内部边缘碎裂。同时认为入口边缘碎裂主要是由切削 刀具对工件的冲击力形成的，内部边缘碎裂主要与工件材料本身的强度及脆性有 关，出口边缘碎裂则主要受出口处缺乏材料支撑的影响，并且根据断裂力学理论 建立了边缘破碎的力学模型。 ( 3 ) 在对花岗石加工软件仿真模拟方面，国外j e m 【1 7 】等人用有限元法分析了 金刚石圆锯片的锯切过程，国内华侨大学叶勇、徐西鹏等通过离散元软件对岩石 切削动态行为及岩石的破坏机制进行了仿真【墙之们，通过与实验结果验证，分析了 锯切过程。 ( 4 ) 在花岗石超薄型板材生产应用方面，为了提高板材的成材率及：扫n - r 效率， 国内外研究机构不断研究新型超薄板加工设备、工具以及改善加工工艺，目前国 内方面，吉林大学王义强教授通过深入研究，开发了可直接锯解巨型天然石材超 薄型板材的夹板式超薄石材锯石机，提出两步切割法进行切割的方法切割巨型超 6 第1 章绪论 薄天然岩石板材【2 1 】；湖南常德诗墙管理处采用金刚石圆锯片非对称切割法【2 2 】，提 高了板材的出材率，设备尺寸小、价格低、占用场地小、耗能少，适合分散生产 超薄板材。 国外如瑞典采用硅酸岩浸溃工艺，结合金刚石圆锯片锯切加工的高精度板材 分割技术生产超薄花岗石板材；采用内圆锯片锯切板材通过增加锯切弧长减少边 角破碎。 由以上可知，目前国内外对于花岗石超薄型板材的成果主要集中在生产应用 领域方面，但对于花岗石切削加工机理还未形成共识，尚需进一步研究，其次， 虽然在脆性材料工程陶瓷的边缘破碎领域国内外已有较多研究，但在花岗石板材 加工表面质量及成材率即板材的边缘剥落及破碎方面的理论方面还较少，国内在 金刚石圆锯片切割花岗石超薄型板材的有限元仿真模拟方面同样很少涉及，因此 对于花岗石超薄型板材锯解过程中板材破碎理论的研究是十分有必要的，同时对 板材破碎理论的研究必须确定锯片振动、锯切力的变化情况，因此本课题对金刚 石圆锯片受力进行了分析，并且进行了锯片模态仿真及切削过程的动态仿真。 1 4 课题研究目的及意义 在所有的石材制品中，板材产量及需求量最大，随着社会不断发展与进步， 人们对于石材的使用要求越来越高，在当今提倡绿色建材及保护环境、保护资源 的现代文明社会里，超薄型板材在适应市场需求，提高天然石材的使用率和利用 率及市场竞争力方面具有普通板材无法比拟的优势，具有广阔的发展空间。 就目前而言，从技术上单纯把板材做薄并不难，难的是做薄的同时又做大。 受加工设备、工艺技术、石材品质等因素的制约，加工或施工中容易发生开裂、 断裂，极大地浪费了石材资源。目前国内外大部分厂家通过提高设备及装夹精度， 改善锯片结构以及研发新型加工工艺，修复、修补技术等方式提高石材超薄板的 成材率以及表面质量，但对超薄型板材加工破碎机理及板材受力特性等涉及较少。 本论文通过研究花岗石超薄型板材对剖式加工，建立锯切加工时的受力模型， 分析设备、石材品质等各种因素对破碎的影响并仿真模拟动态切削过程的锯切力 的变化，对实际生产、节约石材资源具有理论指导意义。 7 山东大学硕士学位论文 1 5 课题内容及章节安排 通过对花岗石超薄板最为广泛应用的对剖加工方式中板材受力的分析，研究 造成板材加工破碎的因素及破碎机理，建立板材破碎模型并利用有限元软件 a n s y s 进行仿真分析，分析板材破碎机理并探论在一定加工参数与板材尺寸的情 况下存在的不发生破碎的临界厚度，并提出加工设备及工艺的优化方向。对加工 锯片进行仿真分析，通过模态分析验证其在一定加工参数下对剖加工时的动态性 能，研究锯片的轴向振动特性及振动力规律。同时利用a n s y s l s d y n a 模块建 立锯片切入花岗石板材的瞬时动态特性，研究锯片磨削过程中对板材破碎的影响。 第l 章：简单介绍目前市场中石材板材的需求、现状及应用，分析超薄板的 加工特点，提出了超薄板材加工过程中存在的缺陷，介绍了花岗石超薄板的加工 技术与设备，对花岗石超薄型板材的发展方向进行了分析，并且对国内外花岗石 超薄板相关领域的研究进行了了解，提出了本论文的研究目的及意义，最后总结 归纳了本论文的框架。 第2 章：针对花岗石超薄板的加工特点及缺陷提出了板材加工的关键技术， 旨在提高板材的成材率以及加工精度。对金刚石圆锯片锯切花岗石板材的锯切力 及分布规律进行了分析，建立了按三角形分布规律分布的锯切应力表达式，为研 究超薄型板材加工破碎提供了理论基础。 第3 章：对花岗石超薄板发生破碎的因素内部因素及外部因素进行了分 析。探讨了超薄板材的破碎机理，通过有限元软件a n s y s 构建锯片切入花岗石超 薄板有限元模型，获得板材危险点的应力状态，通过数值分析得到拉应力最大处 为危险点，且可能发生的破坏模式为拉伸破坏。 第4 章：对金刚石圆锯片产生振动的原因以及目前提高锯片稳定性的方法进 行了研究，建立金刚石圆锯片振动模型及振动微分方程，同时利用有限元软件 a n s y s 对锯片进行了模态仿真，获得了圆锯片的固有频率及主振型图，并分析三 种应用于不同幅面板材锯切的锯片固有频率变化特性及规律；通过文献实验数据 的分析研究轴向振动力受加工参数的影响规律。 第5 章：对有限元非线性分析方法及软件a n s y s l s d y n a 进行了简单介绍， 8 第1 章绪论 并通过软件a n s y s l s - d y n a 建立锯片切入花岗石板材的动力学模型，研究锯片 间断性磨削过程板材破碎的影响与锯切力的变化，与实验数据及经验公式进行了 验证。 9 第2 章花岗石超薄板加丁关键技术及锯切力分析 第2 章花岗石超薄板加工关键技术以及锯切力分析 花岗石超薄板锯切加工过程，可以看作是金刚石圆锯片对花岗石不断磨削的 过程，无论是现今最为常用的对剖法还是直接锯切法加工方式，花岗石超薄板加 工的关键，是要保证锯切时超薄板不破碎以及减小对剖面中线不平度，即确保超 薄板材的成材率和加工精度。加工时超薄板的破碎与天然石材的种类、成分，锯 切力，夹紧力以及锯片的振动等有关。 2 1 花岗石超薄板加工技术及工艺 花岗石超薄板加工破碎的研究，关键在于圆锯片锯切加载特性与岩石破碎机 理两个方面。板材的断裂破碎主要与相应精度的n i 设备所造成的应力特性以及 花岗石材料的强度与破坏形式有关，即板材加工质量的优劣及成材率的高低与锯 机的精度、锯片的性能、加工工艺、石材的可加工性等因素有密不可分的关系。 所须研究的技术包括加工设备性能与精度、工具和工艺的改进以及石材加固与修 补技术等。 2 1 1 加工设备性能与精度优化 由于石材精度的要求，往往随着超薄板材厚度越薄越严格，而厚度的减小同 时也会导致板材加工更易失败，因此优化设计锯机性能，保证超薄性板材对剖加 工过程中的“稳定性高、加工精度好、自动化程度高 的要求。 ( 1 ) 主轴系统回转精度 主轴系统是整个锯机的核心，起着支撑并带动金刚石圆锯片转动，完成锯解 主运动，以及传递运动和扭矩、承受切削力载荷等的作用。主轴系统的精度及转 速、功率在很大程度上决定了超薄型板材的锯切质量和成材率。 由于主轴系统在外力作用下容易产生振动，带动安装在主轴上的锯片产生较 大偏摆与振动，为避免超薄型板材因受力不均匀而破碎，必须保证锯机具有高刚 度、振动小、变形小、噪声低、良好的抵抗受迫振动与自激振动能力的动态性能， 在进行结构设计时必须充分考虑主轴部件的受力以及变形【2 3 1 。 山东大学硕+ 学位论文 ( 2 ) 导向支撑横梁模块导向精度和刚性 导向支撑横梁模块是锯机水平进给的基准以及金刚石圆盘锯机稳定性的基 础，起着带动超薄型板材工件进给运动的作用，具有足够的强度、刚度以及稳定 性的导向支撑横梁系统，能保证板材工件在进给及承受锯切作用时的稳定性，避 免板材振动。目前围绕导向支撑横梁系统的研究主要集中在模块静动态性能、导 轨导向精度以及结构轻量化等几个方面。 ( 3 ) 夹具系统定位精度 在超薄型板材对剖加工过程中，正确的装夹方式、夹紧力作用点及大小能够 改善板材锯切过程中的应力状态，对于保证加工精度以及防止板材破碎有着至关 重要的作用。目前超薄型板材的夹具有夹板式和真空吸盘式两种方式。其中夹板 式夹具系统的施加能够提高板材刚性，降低板材的弯曲变形；真空吸盘式夹具系 统可以有效地吸收板材的振动，防止板材振动破碎。 2 1 2 金刚石圆锯片结构与稳定性优化 ( 1 ) 降噪减振技术 金刚石圆锯片是加工花岗石板材最为重要的工具，圆锯片在锯切时由于受到 锯切力等载荷的作用，会出现横向振动，其结果引起圆锯片发生轴向变形，导致 切削力增大，切削温度升高，噪声剧增，锯片寿命降低的问题【2 4 1 ，同时锯片振动 造成的圆锯片结块部分周期性的冲击加工板材而产生的周期性轴向分力导致板材 在锯切过程中受到轴向侧压力，影响加工质量甚至造成板材的加工破碎。 目前主要存在两种提高金刚石圆锯片动态稳定性的途径：一是针对锯片本身， 包括改变结构形状，提高锯片材料性能或引入一定适当的预应力等。另一方面是 合理选择工艺参数或改善锯机结构，包括增加导向装置，控制圆锯片每齿进给量 以及实施自动反馈控制，消除主轴运动所引起的共振等【2 5 1 。 ( 2 ) 抗冲击技术 金刚石圆锯片的锯切过程属于间断性磨削，锯片的高速运转、岩屑流及锯齿 切入时的冲击都会导致薄片状锯片基体的变形，节块端部所受冲击会将其磨耗为 圆角，甚至出现掉齿【2 6 1 ，锯齿切入时引起的锯切受力的突变会引起超薄板材的振 1 2 第2 章花岗石超薄板加工关键技术及锯切力分析 动破碎，最终影响板材加工质量及成材率。 目前可通过对基体和锯齿结构的合理设计改善金刚石圆锯片的抗冲击性能。 如采用节块间距变化的圆锯片等改变锯片冲击周期；或在节块前方设置一带后角 的护齿等提高锯片的抗冲击性；或在节块前方加焊弹性舌片等方式缓冲锯片高速 转动时节块对花岗石的冲击达到同样的目的。 2 1 3 石材加固、修补技术 欲实现超薄型板材加工，必须保证被加工石材的强度与韧性，因而板材自身 缺陷的影响不可忽视，造成缺陷的原因多种多样，如天然石材本身存在孔隙、裂 纹，爆破开采时造成的裂隙，锯解过程造成的把板材损伤等。石材板材缺陷的存 在不仅影响板材表面质量，而且极易造成加工中应力集中而引起板材开裂，导致 破损率提高，尤其是随着板材超薄化、大型化方向发展。对于石材超薄板加卫， 板材修补、加固除了外观修饰外，更为重要的是增强处理以达到防止石材断裂和 破损的目的。 目前石材超薄板一般有两种加固方式：一种是对板材的背面进行“背网”加 固；一种是进行渗透加固。因石材板材在锯切加工中受力主要以弯曲和剪切力为 主，故无论是粘结用胶还是渗透增强用胶，其固化体必须以足够的粘结强度、抗 弯曲和抗剪切能力为目标，以适应石材加工的需要【2 7 】。 2 1 4 防破损锯解工艺的研发 由于板材在加工过程中受到复杂应力的作用，使得超薄型板材的厚度有一极 限值，这个极限值称为板材的临界经济厚度，是在考虑板材的物理属性、受力状 态、外形尺寸、荒料出材率、工艺参数的基础上，综合板材加工质量与加工效率 得出的一个与加工效益密切相关的厚度。在临界经济厚度下，板材的附加值最高， 经济性最好。 但现有的对剖法、复合层法等超薄板加工方法都存在着自身的局限性，无法 实现板材加工更薄化与经济性的更好的统一，因此新型工艺方法的研究是十分有 必要的。 山东大学硕士学位论文 国内吉林大学王义强教授提出的两步切割法切割巨型超薄石材板材以及湖南 常德诗墙管理处采用的金刚石圆锯片非对称切割法，从减小板材加工用锯片直径 与减小板材锯切时所承受的锯切力方面，提高板材的成材率，国外如瑞典采用硅 酸岩浸溃工艺，通过提高板材强度，结合金刚石圆锯片锯切加工的高精度板材分 割技术生产超薄花岗石板材；采用内圆锯片锯切板材的加工方式通过增加锯切弧 长减少锯切弧区应力载荷方面减少了超薄型板材锯切过程中边角破碎。 2 2 板材锯切受力分析 图2 - i 锯切受力不恿图 在花岗石超薄型板材锯切加工过程中花岗石受圆锯片的锯切力f 作用以及锯 片横向振动引发的轴向力f 。作用，并且沿锯切弧区分布。同时由于金刚石圆锯片 的锯切过程属于间断性磨削，锯片的高速运转、岩屑流及锯齿切入都造成受力的 突变。突变的力是造成板材加工过程中破碎的原因，因此对锯片振动及冲击的研 究十分必要。 2 2 1 锯切力分析 ( 1 ) 圆盘锯锯切加工特性 超薄板材磨削加工中受力如图2 1 所示，其中锯切力f 可以分解为法向力f n 与切向力f t 。锯切石材的过程可分为动载冲击铣削和磨削两种状态，如图2 - 2 所示。 每个锯齿与工件开始接触的部分是铣削作用，而锯齿的圆弧表面对工件是磨削作 1 4 第2 章花岗石超薄板加工关键技术及锯切力分析 1 。i i i 皇曼皇曼曼鲁曼量量量曼曼曼皇曼量曼曼鼍鼍曼量曼曼皇! 鼍曼曼曼曼曼皂曼皇曼曼苎曼舅曼皇曼舅曼璺曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼舅舅曼曼曼舅曼鼍曼曼曼曼量量鼍曼曼曼 田【2 8 1 ，i j o x 图2 - 2 板材锯切过程示意图 乞= r a r c s i n 0 ( 2 1 ) = ( 只) 厶 ( 2 2 ) 6 = ( 哆只) 0 ( 2 - 3 ) = a + 6 ( 2 4 ) 式中i 广锯切过程锯切弧弧长； r 圆锯片半径： o - 川切角； k ，i 广锯齿圆弧表面弧长与齿槽圆弧弧长； v 广石材进给速度； 旷圆锯片角速度； 萄一圆锯片锯切深度； 锯齿铣削作用获得的进给量； 卜每个锯齿的进给量： r 锯切过程总进给量。 根据图2 2 ，我们可以得到锯切加工有以下几种情况： 1 ) 当l 。l 。时，金刚石圆锯片有且仅有一个锯齿参与对石材板材铣削、磨削 过程，此时锯切振动大，n - r 时极易造成超薄型板材破碎，因此不适合花岗石超 1 5 山东大学硕士学位论文 薄板加工。 2 ) 当k l a l d + l 。时，金刚石圆锯片在每一个锯齿脱离石材工件后的 ( 2 l 。+ k l , ) ( r c o ) 时间内，仅有一个锯齿参与石材锯切过程，之后( l s + l p l a ) ( 1 硒) 时间内有两个锯齿同时与石材接触，并且每个锯齿开始与石材接触的时间为前一 个锯齿脱离石材前( l , - l 。) 限) 。此时锯片锯切振动仍较大，但相比l 。l 。时，平 稳性较好。 3 ) 当k ( l 。+ b ) l a + 1 ) ( l s + l p ) 时，k 为大于0 的整数。 如果k ( l s + b ) l a 1 00 20 3 t i m e a ) x 向分力 c o n t a c ti d j l s l l 1 “l 卜ih ； ， n l1mff 6 1 u【| i r l1 i f 。f v f l vi i j 30 40 0 10 20 第5 章花岗石超薄板加t 锯切力仿真 5 3 本章小结 本章主要对金刚石圆锯片锯切花岗石超薄板的加工特性以及加工过程进行了 分析，主要包括以下几个方面。 ( 1 ) 对非线性有限元分析方法及分析软件a n s y s l s d y n a 进行了介绍， 本课题研究的花岗石超薄板锯切过程，岩石材料发生了非常显著的非线性破坏， 属于材料非线性，用a n s y s l s d y n a 来模拟圆锯片切割花岗石，可以比较真实 的模拟圆锯片和花岗石的实际状况。 ( 2 ) 通过分析软件a n s y s l s d y n a 模拟圆锯片切割花岗石，通过在 a n s y s 中建立圆锯片和花岗石板材的有限元模型，施加载荷、初始条件及边界条 件，得到切削过程动态结果。 ( 3 ) 采用* m a t111 ( * m a tj o h n s o nh o l m g u i s tc o n c r e t e ) 材料模型 仿真花岗石，该模型引入损伤因子描述岩石的挤压断裂过程。 ( 4 ) 模拟结果与金刚石圆锯片切割花岗石板材实际状况基本相符合，证明了 模型的正确性。模型比较清楚的展示了金刚石圆锯片锯切花岗石超薄型板材的过 程，对于加深理解金刚石圆锯片锯切机理以及超薄板材内部的应力应变状况有很 大的帮助。 结论与展望 结论与展望 大规格花岗石超薄板材的需求量将越来越大，但受机械设备、工艺技术、石 材品质等的限制，容易使花岗石超薄板在加工或施工中因本身或外界原因而发生 开裂、断裂，成为制约花岗石超薄型板材加工实现降低成本、提高生产率的关键 因素。通过本课题的写作与研究，主要完成了花岗石超薄板锯切过程中锯切力以 及振动力的分析，对锯切过程中板材的破碎现象进行了研究并建立破碎模型，磨 削过程中板材的边缘破碎模型也进行了讨论。对本论文进行总结主要得到以下结 论： ( 1 ) 通过对花岗石锯切过程的分析以及锯切模型的建立，得到了锯切过程中 锯切应力与轴向振动应力分布。得到金刚石受力与金刚石切入被加工材料的深度 呈一定比例关系，锯切应力在锯切弧内三角形分布。 ( 2 ) 花岗石超薄板发生破碎的因素分为内部因素及外部因素，内部因素包括 板材本身较弱的抗弯强度及缺陷，外部因素包括设备性能以及金刚石圆锯片的振 动、冲击等性能。通过对锯切过程力学模型的建立讨论了锯切力及轴向振动力的 变化以及应力的分布情况，研究板材的破碎机理。微观上表现为裂纹的生成与扩 展，最终导致材料局部的破坏；宏观破碎过程为冲击动能使材料依次达到材料的 屈服极限和强度极限，并最终断裂破坏、失效。 ( 3 ) 通过有限元软件a n s y s 构建锯片切入花岗石超薄板有限元模型，获得 板材危险点的应力状态，通过数值分析得到拉应力最大处为危险点，且可能发生 的破坏模式为拉伸破坏，并且随着板材厚度的减小，危险点拉应力不断增大。 ( 4 ) 对金刚石圆锯片产生振动的原因端面跳动、冲击振动、摩擦振动以 及加工与装夹误差等，以及国内外提高锯片稳定性的方法进行了分析，根据m o t e 理论通过一系列的小挠度理论基本假设，建立金刚石圆锯片振动模型及振动微分 方程，同时利用有限元软件a n s y s 对锯片进行了模态仿真，得到结论：随着锯片 直径的增大，锯片的固有频率不断减小，并且同一锯片不同阶数的频率变化幅度 逐渐降低。分析了加工参数的变化对于轴向振动力的影响大小，轴向力随着进给 速度的增大而增大，随着转速的增大而呈线性降低的趋势，随着锯切深度的增大 山东大学硕七学位论文 而明显增大。 本论文有以下创新之处： ( 1 ) 本论文基于岩石力学理论对花岗石超薄板加工过程中发生破碎的机理进 行了分析，建立超薄板材破碎模型，讨论了板材的破坏形式以及板材厚度的影响。 ( 2 ) 利用a n s y s l s d y n a 模块利用非线性有限元方法建立锯片切入花岗 石板材的瞬时动态特性，研究锯片不间断磨削过程中锯片的受力和岩石的破坏状 况。 通过研究，取得了上述的一些成果，然而由于各种因素的限制，以上的研究 存在一定的不足，今后还需在以下几个方面开展工作： ( 1 ) 对花岗石超薄板材的加工破碎机理尤其是磨削破碎机理进行深入研究， 对破碎问题更深入的探讨。 ( 2 ) 建立不同幅面的临界经济厚度的数学模型，对临界经济厚度与加工参数 之间的关系得到更为准确的成果。 ( 3 ) 对理论成果进行实验验证，并进行完善。 参考文献 参考文献 【1 】王炳源石材加工机械的现状及发n j i 石材2 0 0 4 ( 1 ) ：2 1 2 4 【2 杨杰，严荣荫，陈厚伦，等中国石材 m 】北京：中国建材工业出版社，1 9 9 4 【3 张进生，王学哲，王日君，等花岗石精密平台与构件制品高效加工技术与设备开发【j 】石 材2 0 0 6 ( 1 ) ：6 9 【4 】 张进生，王日君新型石材雕刻制品加工设备开发【j 】石材2 0 0 6 ，( 3 ) ：4 6 - 4 8 【5 】齐自成薄型、超薄型石材的加工与应用【j 】石材2 0 0 5 ，( 9 ) ：3 8 - 4 1 【6 】 s y l u o c h a r a c t e r i s t i c so fd i a m o n ds a w