（机械制造及其自动化专业论文）花岗石薄型板材高效研磨技术研究.pdf

捅要 摘要 花岗石薄型板材因为其“薄”，使其强度降低，在研磨加工过程中极易产生破 碎断裂现象，严重制约了花岗石薄型板材的高效生产。本文在分析了目前花岗石 薄型板材的研磨加工技术及存在问题的基础上，研究了研磨时花岗石薄型板材的 临界经济厚度，全面探讨了花岗石薄型板材研磨加工时的破碎断裂问题及高效研 磨加工技术。 通过对目前花岗石薄型板材的生产工艺及设备的分析，进行市场调研与生产 分析，提出了出花岗石薄型板材研磨过程中影响其加工效率及成本的问题一薄型 板材的破碎断裂问题。 以断裂力学为基础，从材料内部缺陷及裂纹的产生与扩展角度来解释了花岗 石薄型板材在研磨过程中的去除断裂机理，分析了花岗石组分对花岗石薄型板材 研磨时裂纹扩展的影响，总结出花岗石薄型板材常见的破碎断裂形式，并分析了 其影响因素，为花岗石薄型板材的破碎断裂准则的研究奠定了基础。 通过花岗石薄型板材研磨的正交实验对花岗石薄型板材研磨过程中的受力进 行分析，得到了各磨削力与研磨工艺参数的关系模型。通过对花岗石薄型板材的 尺寸效应进行分析，在此基础上，根据研磨时花岗石薄型板材的破碎形式，提出 了适合的破碎断裂判据，最后结合材料力学理论得出了临界经济厚度的数学模型。 对花岗石薄型板材的研磨过程中磨具在板材表面的研磨轨迹、研磨加工工艺 参数进行了优化，得到了研磨加工工艺参数的选择原则，并提出了关于研磨设备 的几点改进措施，使之达到高效研磨的目的。 本课题的研究目的在于研究花岗石薄型板材研磨时的临界经济厚度，找出研 磨工艺参数与板材幅面尺寸和厚度的关系，解决其破碎断裂问题，对于指导实际 生产和达到高效研磨有重要的意义。 关键词花岗石；薄型板材；研磨加工；断裂；临界厚度 a b s t r a c 下 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eg r a n i t et h i ns l a bi ss o ”t h i n ”，i t ss t r e n g t hi sr e d u c e da n de a s i l yt o h a v eb e e nb r o k e ni nt h eg r i n d i n gp r o c e s s ，w h i c hs e r i o u s l yr e s t r i c tt h eh i g he f f e c t i v e p r o d u c t i o no ft h eg r a n i t et h i ns l a b b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eg r i n d i n gp r o c e s so ft h e g r a n i t et h i ns l a ba n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m so fi t ，w es t u d yt h ec r i t i c a le c o n o m i c t h i c k n e s so ft h eg r a n i t et h i ns l a bw h e ng r i n d i n g ，a n df u l le x p l o r e dt h eb r o k e np r o b l e m s w h e ng r i n d i n gt h eg r a n i t et h i ns l a ba n de f f i c i e n tg r i n d i n gt e c h n o l o g y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n to ft h eg r a n i t e t h i ns l a b ，w em a k em a r k e tr e s e a r c ha n dp r o d u c t i o na n a l y s i s ，a n da n a l y s i st h ep r o b l e mo f t h eb r o k e np h e n o m e n o ni nt h eg r i n d i n gp r o c e s so ft h eg r a n i t et h i ns l a b ，w h i c ha f f e c tt h e m a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n dt h ec o s to fp r o d u c i n gt h eg r a n i t et h i ns l a b t h e nb a s e do nt h ef r a c t u r em e c h a n i c s ，w ee x p l a i nt h er e m o v a lm e c h a n i s mi nt h e g r i n d i n gp r o c e s so ft h eg r a n i t et h i ns l a bf r o mm a t e r i a li n t e m a ld e f e c t sa n dt h ec r a c k s a n di t se x p a n d i n g a n da n a l y z et h ee f f e c to ft h eg r a n i t ec o m p o n e n t so nt h ec r a c k sa n d i t s e x p a n d i n g ，s u m m a r i z et h ec o m m o nb r o k e nf o r m so ft h eg r a n i t et h i ns l a b ，a n d a n a l y s e st h ei n f l u e n c ef a c t o r s ，s ol a yaf o u n d a t i o nf o rt h ef r a c t u r ec r i t e r i o nr e s e a r c ho f t h eg r a n i t et h i ns l a b t h r o u g ht h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n to fg r i n d i n gt h eg r a n i t et h i ns l a b ，w ea n a l y z e t h eg r i n d i n gf o r c e ，a n dg e tt h er e l a t i o n s h i pm o d e lb e t w e e nt h eg r i n d i n gf o r c ea n dt h e g r i n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s t h e nt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h es i z ee f f e c ta b o u tt h e g r a n i t et h i ns l a b ，w ep u tf o r w a r dt h ef r a c t u r ec r i t e r i o nt h a ti ss u i t a b l ef o rt h eg r a n i t et h i n s l a ba n dg e tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec r i t i c a le c o n o m i ct h i c k n e s sb a s e do nt h e c o m m o nb r o k e nf o r i l l s i nt h ee n d ，w em a k eo p t i m i z a t i o nd e s i g na b o u tt h eg r i n d i n gp a t ho ft h ea b r a s i v e w h e ng r i n d i n gt h eg r a n i t et h i ns l a b ，a n dg e tt h ep r i n c i p l eo ft h es e l e c t i o na b o u tt h e g r i n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r w ep u tf o r w a r ds o m ei m p r o v e m e n t so ng r i n d i n ge q u i p m e n t t oa c h i e v et h ep u r p o s eo fh i g he f f i c i e n tp r o c e s s i n g t h ep u r p o s eo f t h i ss u b j e c ti st os t u d yt h ec r i t i c a le c o n o m i ct h i c k n e s so fg r i n d i n g t h eg r a n i t et h i ns l a b ，b u i l tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lb e t w e e nt h et h i c k n e s so ft h eg r a n i t e t h i ns l a ba n dg r i n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，s o l v et h ep r o b l e mo fb r o k e np h e n o m e n o ni n t h eg r i n d i n gp r o c e s so ft h eg r a n i t et h i ns l a b i th a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c et ot h e i i i 山东大学硕士学位论文 h i g he f f i c i e n tp r o c e s s i n ga n dt og u i d et h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n k e yw o r d sg r a n i t e ；t h i ns l a b ；g r i n d i n g ；f r a c t u r e ；c r i t i c a lt h i c k n e s s i v 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景 第1 章绪论 由于天然石材具有质地优良、物理力学及化学性能良好( 如抗压、耐磨及耐 腐蚀性强等) 、研磨加工后外观美观等诸多优点，自古以来它就成为一种常用的优 良建筑装饰材料。近几年来，随着房地产、建筑装饰业等行业的快速发展，天然 石材板材的应用领域也在不断的扩大，其社会需求量也不断增加，加之节约型社 会理念的深入人心，也将促使石材资源的充分利用和节约环保成为了今后石材行 业的关键课题，其中天然石材制品中社会需求量及产量最大的板材产品的薄型化 发展已经成为了一种趋势，花岗石薄型板材也正因其薄、轻，可以有效的节约有 限的天然石材资源等优良特性被普遍认为是未来最理想的绿色环保建筑装饰材料 专一【i 】 一 。 根据统计数据显示，截至到2 0 1 1 年1 2 月份，我国生产天然花岗石板材2 6 2 6 8 6 万平方米，同比增长6 0 7 6 。数据显示：2 0 11 年全年，我国天然花岗石板材的产 量达到了2 8 亿平方米，比去年增长1 6 8 0 。但是，随着国内环保经济的发展， 低碳环保已经成为“十二五规划 中的主题，而新的行业制度等政策的颁布和实 施，将促使我国石材行业将向着清洁、节约的方向发展，因此，花岗岩薄型板材 行业的产业升级已经迫在眉睫【2 】。在石材板材加工过程中，研磨加工占有重要地位， 石材板材只有通过对其表面的研磨加工和对花纹、色泽的选配，才能具有观赏、 装饰价值，从而能满足建筑设计和建筑艺术方面的要求【3 】。因此，石材研磨技术是 石材加工过程中的关键技术，它影响到了板材的破碎率和加工效率，也影响到了 企业的经济效益和竞争力。 薄型石材板材的生产有效的利用了有限的天然石材资源，也降低了石材的加 工成本，提高了天然石材的装修装饰档次，符合社会的发展趋势。花岗石薄型板 材，尤其是幅面大的薄型板材与其他幅面小的普通厚度石材板材相比，具有单位 面积重量比较轻，施工较方便；有效节约有限的天然石材资源且绿色环保；生产 效益好、利润率高等诸多优势。随着国际消费市场上石材产品的需求向天然化、 薄型化的方向发展以及现在国家政策提倡建筑材料应用绿色环保、放心石材等举 山东大学硕士学位论文 措的实施，花岗石薄型板材的社会需求量也必将越来越大。但是，目前由于受到 石材机械加工设备、天然石材品质、加工工艺技术等条件的限制，在花岗石薄型 板材在研磨加工中容易产生裂纹、破碎甚至断裂的现象，这也成为了制约花岗石 薄型板材研磨加工实现高效化的关键因素。因此，花岗石薄型板材的研磨加工技 术严重影响着企业的经济效益甚至影响了石材行业的发展水平。 目前国内花岗石薄型板材的成材率，常规尺寸( 6 0 0 m m 6 0 0 m m 以内) 的薄型 板材在9 5 9 8 之间，而大幅面花岗石薄型板材的成材率只有不到8 5 ，这样就 会造成一定程度的石材资源的浪费。虽然近几年国内外学者对花岗石等天然石材 的锯切及研磨机理、可加工性等方面进行了不断深入的研究，但如何在保证经济 效益的同时降低研磨时板材的厚度及确保板材不破碎，即确保成材率和加工精度 的研究依然是薄型板材加工的难点，也将成为今后石材业的重要课题。 1 2 花岗石薄型板材研磨加工技术 石材研磨设备包括很多种，如桥式磨机、手扶摇臂磨机、连续磨机等【4 】。在石 材板材的研磨加工过程中，由主轴磨头带动专用磨具对石材板材板面进行研磨加 工，磨具在板材表面做有规则的波形运动并且随着主轴自转，其中多头连续磨机 能对几块石材板材依次的进行粗磨、细磨、抛光等几道加工工序。石材板材只有 通过研磨加工才能显示出其色彩纹理，才能具有观赏装饰价值，满足建筑装饰艺 术的要求。因此，石材研磨加工技术是石材加工过程中的关键技术。 1 2 i 花岗石薄型板材研磨工艺 花岗石板材研磨所用的磨具是研磨工具的总称，种类较多。 ( 1 ) 按磨料品种，可分为碳化物系磨具( 如碳化硅磨具) 、金刚石磨具( 如 金刚石磨盘) 和自然磨料( 如石榴子石) 等三类。 ( 2 ) 按结合剂，磨具可分为无机结合剂磨具( 如菱苦土结合剂磨具) 和有机 结合剂磨具( 如树脂结合剂磨具) 两类。 ( 3 ) 按形状，磨具可分为磨石( 磨块) 、磨盘和磨片等三种，常见的磨盘、 磨石见图1 1 。 2 第1 章绪论 q 驴 9 纩园 图1 - 1 常见磨盘磨石 磨石和磨盘按具体形态又可分为：碟形、圆环形、辊筒形、梯形、圆柱形和 圆锥形等磨具。 ( 4 ) 按用途，可分为加工平板用磨具、磨边倒角磨具和异型加工磨具。 ( 5 ) 按磨具相对于主轴的运动方式，可分为碟形固定式、滚铣式、行星磨轮 式、行星圆柱式、行星圆锥式、梯形固定式、梯形摆动式、圆盘式、行星环式、 行星圆环式、行星圆环摆动式等各种磨具，见图1 2 所示。 a ) 行星磨轮b ) 摆动式磨轮 图卜2 两种常见的磨轮 天然石材只有经过磨具的研磨表达加工才能表现出其色彩纹理等特性，研磨 加工技术的发展影响着薄型板材的质量。 花岗石薄型板材的研磨方式可以根据磨具在磨盘表面的布置及其相对磨盘的 运动方式，分为固定磨块研磨和转动磨具研磨。固定磨块研磨磨头是指磨块固定 在磨盘上，相对磨盘不运动，仅随磨头旋转。固定磨块主要有马蹄形碳化硅磨块， 条形金刚石磨块和圆形金刚石磨块。转动磨具主要有行星磨轮，摆复磨块和滚动 磨柱。其运动方式就是磨轮，磨块和磨柱不仅随磨头旋转，而且还以磨头上某一 轴作转动，摆动和滚动。本课题研究的是固定磨块研磨方式。 山东大学硕士学位论文 一般来说，花岗石板材研磨加工依次要经过：粗磨、半细磨、细磨、精磨和 抛光等五至六道工序才能完成【5 1 。各个工序的作用分别是：粗磨主要用来去除掉板 面凸起的部分，保证花岗石板面的厚度和平面度：半细磨、细磨、精磨是通过逐 次减小所用磨具磨粒尺寸，去除板材表面上道工序留下的沟痕，使板面达到所要 求的平面度并保证一定的光泽度，为抛光j n - r 作好准备：抛光是将板面抛出镜面 光泽，显示出花岗石的色泽纹理。 石材研磨加工工艺参数包括：磨头的工作压力尸，磨头的转速”，工作台的进 给速度圪和磨具的磨削深度幽等。石材薄型板材由于抗拉压能力下降，在研磨过 程中要注意工作压力不能过大，要综合考虑研磨效率以及降低板材破碎率。 一般来说，粗磨、半细磨削石材板材时，为保证有较高的板材去除率，同时 研磨磨具损耗又不能太快，可选取较大的磨头压力和较高的磨削速度，为提高生 产效率，应选取较大的板材进给速度。但在选择研磨压力时要综合考虑磨具的硬 度及花岗石板材的抗压强度，防止研磨压力过大造成的板材破碎断裂；在选择磨 削速度时，也是由研磨设备及磨头主轴的性能来决定的。在花岗石板材的细磨、 精磨阶段，为保证板材的表面质量，要选取较高的主轴转速、较慢的板材进给速 度以及较低的磨头压力。 1 2 2 研磨设备及发展趋势 对于花岗石板材的加工，常用的研磨设备有手扶磨机、单头桥式磨机、多头 桥式磨机和多头连续磨机。此外，还有学者研究用砂带磨床及e l i d 磨削技术来加 工石材等硬脆材料 6 - 9 1 。 手扶磨机因其组成结构较为简单、价格也比较低廉且易于操作，比较适合于 企业小批量的生产作业。但是，手扶磨机研磨加工板材，工人的操作水平对产品 的质量影响较大，磨机的磨削压力和磨头的移动速度是由人工控制的，具有很大 的随意性且磨削转速不能随意进行调整，因此手扶磨机生产效率低下，工人劳动 强度也较大，无法形成批量的规模生产。 单头桥式磨机的结构型式有两种。一种是桥固定，工作台移动( 如图1 3 ) ： 另一种是工作台固定而桥移动。就这两种结构型式比较而言，后者较为合理。因 4 第1 覃绪论 为工作台固定占地空间要小些，而移动式工作台不可能做的太大，也限制了它的 磨削尺寸的范围。单头桥式磨机可以有效的提高石材板材磨削质量，其生产效率 和生产质量都要高于手扶磨机，但是单头桥式磨机的效率相比多头桥式磨机来说 要低一些【l o 】。 图1 3 单头桥式磨机 目前国内已经有不少石材加工企业在普遍使用多头桥式磨抛机( 如图1 4 所 示) ，这种研磨设备的广泛应用大大提高了石材板材的研磨加工效率，也减轻了工 人的劳动强度，降低了劳动力成本。但多头桥式磨抛机也存着一些缺点，如：更 换磨盘需要频繁的停机；不能同时加工不同长度的板材；用多片组合锯加工出来 的板材厚度不均匀，使用多头桥式磨抛机磨削时，需要先逐一对单块板材进行铣 平，费时又费力。多头连续磨机是一种适合石材企业生产大批量板材的自动连续 生产设备，最大的好处就是企业生产效率和自动化水平的提高，大幅度提高了石 材磨抛效率，但也存在板材磨削量不均匀，研磨加工工作状况复杂等一些弊病】。 山东华兴机械股份有限公司在分析了目前石材行业市场需求和国内外石材机 械行业的发展趋势的基础上，根据客户需求自主开发了一种自动化程度高，且能 够实现自动、连续磨抛加工石材板材功能的磨抛加工生产线设备一r p m h r m 系列 山东大学硕士学位论文 图1 - 4 多头桥式磨抛机 树脂磨盘连续磨机。该设备的基本工作原理是：首先花岗石板材要依次通过过渡 辊道进入磨机的进料端，然后检测开关先检测板材前后端形状后反馈给设备的 p l c 控制器，等板材的前沿到达每个磨头下面时，磨头便开始自动降下，与此同 时磨机横梁沿端梁来回的摆动，从而使高速旋转的树脂磨盘对花岗石板材进行研 磨加工；当板材的后沿到达每个磨头下面时，磨头便会停止研磨并自动升起，当 最后一个磨头升起后，板材的研磨加工过程完毕，最后通过出板端过渡辊道后即 结束次研磨加工程序。在研磨过程中，当树脂磨盘磨料用完时，磨机磨头将自动 升起发出警报，以便工作人员及时更换磨盘。树脂磨盘连续磨机的推广使用使饰 面石材研磨加工的能耗降低，将板材的生产质量和效率提高，具有节能、高效、 低污染的优点。 1 2 3 花岗石薄型板材的应用 石材薄型板材是指厚度为1 0 1 5 m m 的板材，其种类可分为大理石薄板和花 岗岩薄板，见图1 5 。经过多年的生产实践和研究，目前大理石板材最薄厚度可达 2 m m ( 其最大幅面规格为12 0 0 r a m 2 4 0 0 m m ，厚度随幅面规格增大而增加) ；花 岗岩板材最薄厚度可达3 m m ( 最大幅面规格3 0 0 0 m mx1 5 0 0 m m ，厚度也随幅面 尺寸的规格增加而增大) 。 花岗石薄型板材以其“薄”为主要特色，其具有占地小、重量轻，而且坚实 耐用的特点，即保持了天然石材的特有的纹理自然、花色美观大方、色泽优雅的 6 第1 章绪论 优点，又克服了天然石材普通板材笨重的缺点，因此广泛应用于建筑物室内、室 外的装修和装饰【1 2 】。其用途归结起来有以下几点： ( 1 ) 作为常见的建筑材料，花岗石薄型板材可以用于贴地面、墙面装饰等。 ( 2 ) 可用于家具行业：应用于家具如餐桌、茶几、办公桌、门窗等的贴面装 饰，既美观又耐用。 ( 3 ) 用来雕刻石材工艺品：因为花岗石薄板薄且轻，可在一定范围内替代陶 瓷、竹木、金属板来制作招牌、字画、石简、对联等，同时薄板具有天然石材独 有的质感和花色，比金属板更具有观赏性。 ( 4 ) 复合材料：花岗石薄型石材板材易碎，可以通过选取基材与石材薄型板 材粘结形成复合材料，达到提高板材强度的目的。 竺竺! i 燮 一一 二 夔堕 蔓塑 二 一一1 步 图1 5 花岗石薄型板材 7 山东大学硕十学位论文 1 3 花岗石薄型板材研磨加工存在的问题 目前，国内生产花岗石薄型板材的质量不均匀，成材率也不高，由于薄型板 材的厚度减小，强度降低，再加之其缺陷的影响，在研磨过程中极易产生破碎断 裂现象，而且随着板材幅面的增加，其破碎断裂概率也随之增加。 1 3 1 花岗石薄型板材的特点 花岗石薄型板材的厚度一般为l o - 1 5 m m ，最薄的超薄板可达到3 m m ，而且 随着板材厚度的减少，板材的幅面尺寸也随之减小。 由于要研磨的花岗石薄型板材的毛板都是由天然花岗石石材经锯切制成的， 而天然石材由于其生成条件及生成后亿万年的地质构造作用及大气风化作用等， 在石材的内部形成了各种类型的空隙、微裂纹甚至肉眼可见的各种缺陷，它们将 直接影响板材的物理力学性质【1 3 】【1 4 】。 与普通石材板材相比，花岗石薄型板材具有以下特点： ( 1 ) 由于受到材料的尺寸效应影响，板材的力学性能不是一个稳定的常数， 而是随着板材的几何尺寸的变化而改变【l 引，石材强度( 抗拉强度、抗剪强度等) 无法完全体现花岗石薄型板材的力学性质，花岗石薄型板材的强度是受板材的几 何尺寸影响的参数。 ( 2 ) 由于天然石材不可避免的存在缺陷，因此花岗石薄型板材内部也会存在 原生缺陷，而且在锯切过程中也会产生微观裂纹，这些都会对花岗石薄型板材抗 拉压能力产生影响【1 6 1 。因此，薄型板材在加工过程中极易产生破碎现象，而且随 着板材幅面尺寸的增加其破碎率也出现上升。 1 3 2 研磨加工中存在的问题 在花岗石薄型板材研磨过程中，磨具上磨粒的磨削轨迹在板材表面的分布情 况直接影响了研磨的均匀性，而磨具的研磨轨迹也会影响到板材崩边现象的发生。 另外，磨机主轴的磨头将压力直接施加在花岗石薄型板材上( 如图1 - 6 所示) ，在 这个过程中薄型板材要受单轴压缩状态的影响。磨头施加的压力大小对花岗石薄 型板材的加工质量有很大的影响，压力过大容易使薄型板材产生崩边现象【1 7 l 【1 8 】， 8 第1 章绪论 将板材压碎，而压力过小则不能达到研磨的目的。因此，在花岗石薄型板材研磨 过程中，存在着一个临界压力，在这个临界压力下，既能保证薄型板材不破碎， 又能达到研磨的目的，这时的研磨效果才能达到最佳。 i l f x 一两 花岗石薄板 图1 - 6 板材研磨受力不葸图 ( 1 ) 花岗石薄型板材研磨表面的均匀性问题。花岗石薄型板材的研磨加工常 用的是多头连续磨机，其磨头是横向往复磨削，研磨过程中磨具在板材表面的研 磨轨迹实际上是模具上的许多颗粒在花岗石薄型板材表面上的磨削轨迹的组合。 磨粒的磨削轨迹在板材表面的分布情况直接影响了研磨的均匀性，而磨具的研磨 轨迹也会影响到板材崩边现象的发生。因此，我们既要防止板材的部分区域没有 经过磨削情况的发生，又要防止重复磨削的区域过多。 ( 2 ) 花岗石薄型板材研磨过程中的破碎断裂问题。在花岗石薄型板材的研磨 加工过程中，由于板材自身的特点及研磨设备的振动，极易产生板材破碎及崩边 问题甚至板材的断裂，目前国内小幅面( 6 0 0 m m x 6 0 0 m m 以内) 花岗石薄板成材率 在9 5 9 8 ，而大幅面花岗石薄型板材的成材率只有8 5 ，这样就会造成一定程 度的石材资源浪费。 1 4 课题研究目的及意义 随着国家“十二五规划的实施和转变经济发展方式政策的贯彻，在拉动石 材板材需求大幅增长的同时，也加快了石材行业生产由“粗放型 向“集约型 发展的步伐，促进向“节约资源、提高效益、保护环境、循环利用 的目标迈进。 而薄型板材因其“薄 而降低了成本，降低能耗，减少废弃物，所以，石材薄型 板材的生产在“十二五 期间必将蓬勃发展【1 9 j 。 由于花岗石薄型板材的研磨过程复杂、研磨工艺参数变化不定，给研究带来 很大的复杂性以及操作上的控制性难度的加大，但随着我们对石材研磨加工的不 9 山东大学硕士学佗论文 断深入研究，新的研究成果也将会不断的涌现，石材的高效j h - r _ 理论也将不断丰 富和完善，以满足目前石材加工企业的迫切需要，提高石材薄型板材研磨加工的 效率和质量，达到高效加工的目的。 本课题就是主要研究了花岗石薄型板材的研磨技术，以花岗石的研磨去除机 理和断裂破碎机理为基础，通过研究研磨时板材的受力及影响磨削力的各种因素， 建立起研磨时的磨削力模型及经验公式，构建花岗石薄型板材高效研磨的工艺优 化模型，优化花岗石薄型板的研磨工艺参数，提出薄型板材高效研磨时的临界经 济厚度公式，即研磨工艺参数与板材幅面尺寸的关系模型，以此提供高效研磨时 的工艺参数组合，指导生产。 1 5 课题内容及章节安排 课题首先通过对目前花岗石薄型板材的研磨加工工艺和设备进行分析，指出 了研磨过程中存在的问题，即薄型板材破碎断裂问题。然后以花岗石的研磨去除 机理和断裂破碎机理为基础，通过研究研磨时板材的受力及影响各个磨削力的各 种因素，建立起研磨时的磨削力模型及经验公式，提出了适合花岗石薄型板材的 破碎断裂判据，并据此研究薄型板材高效研磨时的临界经济厚度公式，构建花岗 石薄型板材高效研磨的工艺优化模型，优化花岗石薄型板材的研磨工艺参数，指 导生产，使石材加工企业在保证花岗石薄型板材不破碎的前提下，达到高效研磨 的目的，提高经济效益。 第l 章：介绍了目前石材行业的发展方向薄型化及花岗石薄型板材的应 用，分析了花岗石板材的研磨工艺及研磨设备，提出了在研磨过程中花岗石薄型 板材的破碎断裂问题，即本课题主要解决的问题，最后分析了论文的研究意义和 目的。 第2 章：以断裂力学和岩石断裂力学为基础，分析了花岗石薄型板材的研磨 过程及研磨加工中裂纹的扩展现象，接着分析了花岗石的组分及其对裂纹扩展的 影响，最后，根据目前石材加工企业常见的花岗石薄型板材的破碎断裂问题，对 断裂形式及其影响因素进行了总结，为花岗石薄型板材的破碎断裂准则的研究奠 定了基础。 i o 第1 章绪论 第3 章：对花岗石薄型板材在研磨过程中的受力进行分析。首先，分析了研 磨方式对板材的影响及单颗粒磨削时的受力及磨削深度与工艺参数的关系，然后， 在s p e e dy 2 0 0 0 型数控加工中心上进行花岗石薄型板材的研磨实验，在此基础上 研究工艺参数与各个方向上的磨削力的关系的数学模型，为临界经济厚度的数学 模型做好铺垫。 第4 章：对研磨过程中花岗石的临界经济厚度进行研究。先分析了花岗石薄 型板材的尺寸效应，然后分析了脆性材料的破碎断裂判据，并根据板材的破碎断 裂形式提出了2 个适合花岗石薄型板材研磨加工的断裂判据，最后得出了花岗石 薄型板材的临界经济厚度的数学模型。 第5 章：本章是在前面研究的基础上进行的对花岗石薄型板材的研磨技术改 进，包括：花岗石薄型板材的研磨过程中磨具在板材表面的研磨轨迹的优化，研 磨工艺参数与磨削力关系的研究及其优化，最后提出了几点关于花岗石薄型板材 的研磨设备改进的措施。 第2 章花岗石薄板破碎断裂机理研究 第2 章花岗石薄型板材破碎断裂机理研究 对于脆性材料，破碎断裂是最危险的失效形式，在大型的工程应用中材料的 突然断裂可能会造成灾难性的后果。但是，脆性材料的断裂又是一个十分复杂的 过程，受到很多因素的影响，如材料本身的物理力学性质、环境因素、工作应力 状态、材料的尺寸、结构及缺陷等，所以破碎断裂现象一般是多种因素综合作用 的结果【2 们。这也使得我们对破碎断裂过程的分析研究增加了许多的不确定因素， 也增加了我们对断裂控制的难度。本课题通过对断裂力学的分析，试从材料内部 缺陷及裂纹的产生与扩展角度来解释花岗石薄型板材在研磨过程中的破碎断裂机 理，并为花岗石薄型板材的破碎断裂准则的研究奠定基础。 2 1 花岗石破碎断裂理论 大量的实践事实证明，脆性材料在断裂时的应力强度要远小于理论强度，我 们研究的花岗石薄型板材在研磨过程中破碎断裂时所受的应力强度也是远小于其 计算的理论强度的。为了弄清工程材料在远低于其计算强度的低应力下发生脆性 断裂的原因，探讨如何控制和防止材料的断裂破坏现象，我们首先要对材料的破 碎断裂机理进行研究。 岩石断裂力学是专门研究岩石、混凝土、陶瓷等脆性材料断裂机理的学科【2 1 1 ， 它来源于实践，是在材料力学的基础上产生以及发展起来的，但它又不完全承认 材料力学的均匀连续性假说，即认为材料或结构总是会有缺陷的，并会由此引发 材料的低应力脆断现象。断裂力学在继承了材料力学、弹性力学的基本理论的基 础上，扩充发展了这些理论，找到了材料产生断裂与破坏现象的原因，从而提供 了一个可以防止材料断裂与破坏的理论，极大地丰富了以前的强度理论，防止了 材料低应力脆性断裂的可能性。 断裂力学理论经过g f i f f i t h 和i r w i n 的发展，已经逐渐完善起来。g f i f f i t h 得出 了一个对于断裂力学的发展非常重要的理论结果【2 2 之4 1 ： 8 c 4 a = 常数 ( 2 1 ) 1 3 山东大学硕士学位论文 式中，沈是材料中裂纹开始扩展时的临界状态应力；a 为该裂纹的半长度。 其理论成功的解释了玻璃等一些脆性材料的裂纹开裂的现象。 i r w i n 在早起断裂力学理论的基础上提出了应力场强度因子k 的概念，随后几 年在应力场强度因子k 的基础上又形成了断裂韧性的概念，并成功建立起了用来测 量材料断裂韧性的实验技术，从而形成了线弹性断裂力学的理论基础 2 5 - 2 9 。 本课题是研究脆性材料一花岗石薄型板材在研磨加工中的破碎断裂问题，需 要采用线弹性断裂力学这一类型。 2 2 花岗石研磨过程分析 石材的研磨加工与已经深入地研究过的玻璃、金属的研磨加工相比，表面上 看起来好像只是在关心的目标上有极细微的差别，但实际上石材的研磨加工过程 更为复杂一些。这是因为石材是由晶粒组成的，而石材晶粒的大小、矿物的组成、 强度等因受力的方向不同而异，即我们所加工的花岗石薄型板材是各向异性材料， 这些特性都影响着花岗石薄型板材的研磨过程。 2 2 1 花岗石板材的研磨过程 1 4 、厂7 。 图2 1 花岗石薄型板材研磨过程示意图 第2 章花岗石薄板破碎断裂机珲研究 花岗石板材磨削过程可以根据磨具磨粒磨削深度的大小，把磨削过程分为四 个阶段( 如图2 1 所示) ：l 、滑擦阶段。在这一过程中由于磨粒切深很小，石材 发生弹性变形；2 、犁沟阶段。随着磨粒磨削深度的增大，石材进入塑性变形阶段， 且在塑性变形的后期由于石材板材基体的弹性恢复力增强，可能产生横向裂纹， 甚至引起沟槽及边缘崩碎现象；3 、压实阶段。塑性变形超过限度后，石材将被压 实，此时由横向裂纹引起的崩碎将更加严重；4 、崩碎切削阶段。当磨粒切入石材 板材深度较大时，岩石在磨粒棱面推挤下发生崩碎，而与磨粒尖部接触的沟底石 材则被压实。整个研磨过程中，断裂裂纹优先沿着矿物解理面、晶界、天然裂隙 等弱面发生，石材板材材质越软，沟槽底部的压实层越厚【3 2 1 【3 3 】。 花岗石薄型板材研磨加工所用的金刚石研磨工具是由结合剂将金刚石颗粒粘 结在一起组成的，因此这种工具的在研磨加工中，可以看作成各个单颗金刚石颗 粒磨削加工的总和，而其中每一颗金刚石颗粒都是在主轴传给磨具的旋转力的作 用下以一定的速度进行磨削加工，每一颗金刚石颗粒都可以看作是带有任意角度 的切削角的刀具【3 4 】( 3 5 】。由于研磨所得的花岗石薄型板材的表面质量与研磨加工所 用的金刚石颗粒的粒度相关，所以要想得到所需的表面光泽度，采用的研磨磨具 的金刚石的粒度必须在一个连续的研磨加工过程中逐渐减小，而为了实现这一目 标，目前企业多是采用不断更换不同粒度磨具的方法来进行研磨加工。每一阶段 研磨的任务是将原来粗糙的表面变成新的与所用磨具金刚石粒度相对应的板面。 研磨过程中每一阶段研磨表面新的微小不平度的形成过程如图2 2 所示，图中当曲 线急剧地沿纵坐标降低时就是表示要更换磨具的粒度。从该图可以看出：研磨过 程的每个阶段也可以在这样的瞬间停止，即这时上一次磨具研磨过之后所留下的 研磨痕迹刚好变成了新的磨具所形成的研磨痕迹【3 6 1 。这就是从最佳的研磨加工工 作过程的观点来分析，正确的组织研磨加工过程所必须遵循的基本原则。 誊 岳 懈 图2 2 不同粒度的磨具在石材表面形成不平度的过程图 1 5 山东大学硕十学位论文 2 2 2 裂纹的产生及扩展 根据岩石断裂理论，对于花岗石薄型板材这一脆性材料，存在一个临界载荷 p 决定着材料的去除变形方式3 9 】【4 0 1 。当外加的载荷p 大于时，板材的材料破碎 是由侧边裂纹扩展过程所控制的，而当外加的载荷p 小于只时，则由花岗石薄型 板材表面磨削部位的塑性变形程度所控制，这时侧边裂纹就不会出现，板材也不 会破碎断裂。 对于花岗石薄型板材来说，这一决定其材料去除变形方式的临界载荷是固定 的，我们可以表述如下式： p c - f 档) 协2 ， 其中，k c 为材料的断裂韧性，h 为材料的硬度，7 。l h 2 x 1 0 5 。根据公 f 厂f 兰1 式我们可以粗略估算出研磨加工花岗石薄型板材时，薄型板材产生破碎断裂现象 时的临界载荷。 对应于这个临界载荷，存在一个临界的允许最大深度见，在研磨过程中即为 临界磨削厚度见。在临界磨削厚度以下，磨粒所承受的力低于产生侧边裂纹的临 界载荷只，板材研磨中材料去除变形机理以塑性变形为主，而当外加载荷p 大于 时，就会产生侧向裂纹，板材研磨中材料去除变形机理也变为脆性变形为主。 图2 - 3 侧向裂纹示意图 m a r s h a l ldb 用半理论半经验的方法得到了中间、径向裂纹长度c 与载荷p 的关系为【4 1 】： p c 班= k 。x ( 2 - 3 ) 1 6 第2 章花岗石薄板破碎断裂机理研究 式中：疋为材料的断裂韧性，x 为包括石材板材性质、磨粒形状、尺寸及角 度影响在内的一个待定函数。 通过研究表明：随着冲击载荷p 的增大，中间裂纹和径向裂纹的长度也随之 增大，反之则短。 由图2 3 侧向裂纹示意图可以看出，我们假设当侧向裂纹和自由面平行时，忽 略掉中间裂纹和径向裂纹的形成以及多层开裂问题的出现的影响，我们可以得到 平衡状态时侧向裂纹的长度c 与侵入的外力载荷p 的关系如下： c l ：c l * f 一瞬吓 协4 ， lj 式中：乙为p p c 时的最大裂纹长度。 在研磨加工过程中，随着外加载荷p 的增大，中间、径向裂纹也随之增大， 当p 大于只时就会产生侧向裂纹，磨削过程也由塑性变形变为脆性变形，产生崩 碎切削。研磨过程中，侧向裂纹的产生是有利用磨削去除材料，但是会影响研磨 表面质量。而中间、径向裂纹的产生则会降低材料的强度，影响到板材的破碎率， 当中间裂纹的长度大于薄型板材的厚度时，板材就会断裂。 2 3 花岗石组织成分及对研磨加工的影响 石材按照其基本特点或组成成分可以分为三大类：花岗石( g ) 、大理石( m ) 和板石( s ) 。一般，天然石材都是由一种或几种主要的矿物组成的，它们主要包 括：正长石、斜长石、辉石、橄榄石、白云母、黑云母、角闪石、蛇纹石、高岭 土、石英、白云石、方解石等。 花岗石在商业上一般是指以花岗岩为代表的一类装饰石材，包括各类岩浆岩 和花岗岩的变质岩，一般质地比较硬。其矿物组成主要有长石、云母、石英等。 这些矿物的分子式、莫氏硬度及晶形如表2 - 1 所示，各种花岗石的组分表如表2 - 2 ，一一 所不。 通过观察花岗石薄板的破碎断裂过程会发现，花岗石薄型板材研磨过程中的 破坏是由局部发生的，一旦裂纹在一个区域出现，随着) j n - r 的继续，它们的扩展 1 7 山东大学硕十学位论文 表2 1 组成花岗石的各矿物的分子式、莫氏硬度及晶形 和相互连接就成为了板材整个断裂破坏过程中首要予以考虑的因素。其余部分则 基本保持完整直到板材突然发生断裂破坏【4 2 4 3 1 。分析其原因主要是由于花岗石属 于天然的非连续性的、非均匀性的脆性材料，它的内部不可避免的会存在一些原 生缺陷，如原生裂纹、颗粒边界、微孔洞等，这些缺陷都会在花岗石薄型板材研 磨受力时在有缺陷的地方引起局部的应力集中现象。而当这一区域的集中应力值 超过该区域的材料强度时，便会发生局部破碎断裂。而一旦有了局部区域的开裂， 根据岩石断裂力学的理论，应力集中将移至板材中裂纹的尖端，从而迸一步促使 破碎断裂现象在该区域不断的发展。这就是花岗石薄型板材研磨过程中局部破坏 发生发展的主要原因。 另外，我们还发现花岗石薄型板材的局部破坏具有明显的矿物种类的选择性。 用显微镜观察花岗石薄板的破碎断裂过程结果显示，花岗石局部破坏的发生总是 以石英作为局部破坏源，板材的开裂与石英息息相关，而与长石的相关性并不大。 甚至发现，花岗石中完整的石英颗粒也总是优先于有不利裂纹存在的长石颗粒而 发生破坏。仔细观察会发现，花岗石板材中的裂纹的产生首先是沿着石英颗粒的 边界。在花岗石薄型板材加工中，随着研磨加工的继续，边界裂纹逐渐扩展、连 1 8 第2 章花岗石薄板破碎断裂机理研究 表2 2 花岗石组分表 结，最后形成轴向的宏观裂纹。除了轴向的扩展外，裂纹也会沿着水平方向的石 英石英的颗粒边界发展。由于石英表现出典型的脆性特征，在一定的应力水平下， 裂纹会在其中大量出现。由此看来，石英对花岗石薄型板材的研磨j j 口- r 不利，它 的存在容易使板材产生破碎断裂。 通过对花岗石薄型板材的生产研究发现，石材材质越硬，加工时产生的裂纹 扩展就越多，磨具上的金刚石颗粒越尖锐，产生裂纹所需的载荷值越小，板材破 碎断裂的概率也越高。 1 9 山东大学硕十学位论文 2 4 花岗石薄型板材研磨过程中的断裂问题分析 现在石材加工企业生产的一般幅面的花岗石薄型板材的成材率在8 5 左右， 在研磨加工过程中，花岗石薄型板材的破碎断裂问题时常发生，而且随着板材幅 面的增加破碎断裂问题也越来越严重。我们研究研磨过程中板材的破碎断裂形式 及其影响因素对分析花岗石薄型板材研磨加工时的破碎问题及建立起研磨时的薄 型板材的临界厚度模型和研磨工艺优化都有重要的意义。 2 4 1 薄型板材研磨加工破碎的形式 通过对目前国内企业研磨加工花岗石薄型板材的现状调研分析得出，板材的 破碎断裂形式主要有以下几种： ( 1 ) 薄型板材的局部崩碎破裂：由于花岗石属于天然的非连续性的、非均匀 性的脆性材料，它的内部不可避免的会存在一些原生缺陷，如原生裂纹、颗粒边 界、微孔洞等，这些缺陷都会在花岗石薄型板材研磨受力时引起局部的应力集中 现象。而当中应力值超过该区域的材料强度时，便会发生局部破碎断裂。薄型板 材研磨时由于磨头振动和研磨时切向和径向磨削力的影响，造成薄型板材研磨时 承受的压力和切削力时大时小，在内部缺陷处造成应力集中，产生崩碎切削，容 易使板材产生局部的崩碎破裂，造成研磨出来的薄型板材板面不平。 ( 2 ) 薄型板材崩边现象：花岗石薄型板材研磨过程中，当磨盘移动到板材的 边缘时，磨盘与板材的接触面积会减小，磨盘颗粒与板材边缘的剧烈碰撞，从而 造成边缘局部的压力过大，加之磨头振动的影响，易对板材边缘产生破坏，造成 崩边现象。 ( 3 ) 薄型板材宏观裂纹的产生及断裂：由于板材内部存在微观裂纹、节理及 弱面等缺陷，在研磨加工过程中，随着载荷的增大，裂纹会随之扩展，而且由于 累积效果，裂纹会在宏观上显现出来，造成板材承载力下降，实用性受到影响。 如果产生宏观裂纹的板材继续加工就可能会产生板材的断裂。 这几种破碎断裂形式是在研磨加工花岗石薄型板材过程中常见的，它们严重 影响了板材的成材率和企业的经济效益。 第2 章花岗石薄板破碎断裂机理研究 2 4 2 影响薄型板材破碎断裂的因素 通过目前国内石材加工企业研磨加工花岗石薄型板材的现状分析及对花岗石 薄型板材的研磨破碎断裂问题进行分析，加上对花岗石薄型板材研磨过程和裂纹 出现扩展的分析，我们认为影响薄型板材研磨加工破碎的主要因素有： ( 1 ) 花岗石薄型板材自身的特性：主要是板材的内部存在的裂纹、缺陷及其 尺寸效应的影响。由于尺寸效应及板材内部存在裂纹、节理及弱面等缺陷造成花 岗石薄型板材的承载能力下降，一些力学参数，如强度、断裂能、断裂韧度等并 非常数，而是随着几何尺寸的不同而发生改变。薄型板材由于其厚度下降，承受 载荷的能力降低，加工中破碎的概率升高。 ( 2 ) 花岗石薄型板材研磨时的轴向磨削力：薄板研磨