石材工艺学 第四章 石材的加工工艺与设备1.docx
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石材工艺学第四章石材的加工工艺与设备1
第四章石材的加工工艺与设备
第一节影响石材加工性能的因素
一.工艺内容:
锯切、定厚(铣平)、表面加工(研磨、抛光、机刨、火烧、锤击、剁斧、喷砂、酸洗…)、切断、铣边、磨边、倒角、钻孔、开槽、修补、优化处理…
二.影响石材加工性能的因素
1.岩石类型、矿物成分与含量:
(1)花岗石与大理石在锯切工艺参数上的差异,在磨抛材料上的不同;
(2)花岗岩与辉长岩、玄武岩、角岩在火烧效果上的差异
(3)岩石结构构造的影响:
粗粒结构易崩边,条带构造易断裂…
(4)石英含量高低对锯切效率的影响…;
(5)片状矿物对磨抛效果的影响
(6)沉积岩中胶结物成分对锯切磨耗率的影响,P63表1、表2中的试样8
2.切削力的大小与方向
试验结果表明:
(1)锯切石材时水平方向的切削力大大地小于垂直方向的切削力
(2)锯片磨耗率的大小与垂直切削力的大小有着完全一致的关系
3.加工设备与工具
三.加工工艺
表4.1-3石材的加工工艺分类
石材类别
特征
实例
大理石
一类
石质软、SiO2含量小于5%
汉自玉、松香黄、雪花白
二类
石质不均匀、含硅酸盐矿物、SiO2含量大于5%
丹东绿、莱阳绿、大花绿
花岗石
一类
HS<90,不含或只含少量石英,SiO2含量较低
济南青、山西黑、芝麻黑
二类
HS=85~100,石英含量中等,SiO2含量中等
芝麻白、崂山灰、惠东红
三类
HS>95,SiO2含量高,石英含量高且颗粒粗
石棉红、龙田黄、九龙璧
表4.1-4金刚石圆锯片锯切花岗石工艺参数
花岗石
类型
指
数
典型石材
圆周速度
(m/s)
吃刀深度
(mm)
走刀速度
(m/min)
锯切效率
(m2/h)
一类
1
非洲黑、蓝珍珠、济南青
35~40
12.5
3
2.3
二类
1.8
粉红麻、英国棕、蓝翡翠
30~35
8.5
3
1.5
三类
3.5
南非红、印度红、四川红
25~30
5
3
0.9
表3、表4对于购买设备时比较设备技术性能的作用
四.石材可锯性的综合影响因素
综合测评的经验公式为:
Y=27.77-0.168B-0.12C-0.10D
式中:
Y-锯片的抗磨损性能;
B-岩石的磨蚀性;
C-岩石的肖氏硬度;
D-石英体积的百分含量。
上述公式表明石材的磨蚀性、肖氏硬度和石材中石英的含量都影响到石材的可锯性,在这三者中尤以石材的磨蚀性对石材的可锯性影响最大(举例开刃材料与大洋红锯切)。
第二节石材的通用加工设备与主要技术性能
一.石材的锯切设备
1.框架式砂锯
(1)上摆式砂锯
1基本结构:
主电机、飞轮、连杆、曲柄;
锯框悬臂、锯框、锯条、四立柱框架、螺杆、升降电机
辅助设备:
砂浆泵、洒浆车、钢砂添加器、钢砂分离器、液压张紧器、荒料台车
2工作原理
3技术性能:
优点:
可使用较薄的锯片,低能耗、低锯耗,出材率高,运动方式简单、设备磨损较小,成本低。
缺点:
空行程占比例大(3/4~4/5)、效率低(10~20mm/h)
(2)平移式砂锯
①基本结构:
主电机、飞轮、连杆、曲柄;
锯框、锯框导轨、锯条、四立柱框架、螺杆、升降电机
辅助设备:
砂浆泵、洒浆车、钢砂添加器、钢砂分离器、液压张紧器、荒料台车。
②工作原理
③技术性能:
缺点:
应使用较厚的锯片,高能耗、高锯耗,高成本,低出材率。
优点:
无空行程、效率高(30~40mm/h)。
(3)复摆式砂锯
1运动特点:
2结构特点:
如何实现复合曲线运动(图示说明)
a.交叉式杠杆悬吊系统——Breton砂锯
b.安装悬臂活节——Pellegrini砂锯
c.增大或缩小锯框悬挂点——Gaspari下摆式砂锯
d.由吊臂箱改变运动曲线——Tema、Simec砂锯
3技术性能:
集中了上述两类砂锯的优点,克服了这两类砂锯的缺点,因而具有高效率、低能耗、低锯耗、高出材率的优点,但是由于摆动系统结构较复杂,磨损大,维护工作量大。
(4)框架式砂锯存在的问题与改进方向(观看录象)
2.金刚石框架锯(图)
(1)基本结构
(2)锯条
(3)技术性能
3.金刚石圆盘锯
(1)分类:
1结构分类:
单臂式、双柱式(龙门式)、框架式(四柱式或六柱式)
2根据锯片直径:
普通型(≤160cm)、中型(160~200cm)、大型(200~250cm)、巨型(≥250cm)
3根据锯片数量:
单片锯、组合锯
(2)单臂式金刚石圆盘锯
1基本结构(图)
2工作原理
3技术性能
(3)双柱式金刚石圆盘锯(图)
(4)框架式(双向)金刚石圆盘锯(图)
4.金刚石绳锯(观看录象)
①基本结构(图)
②工作原理
③技术性能
4优点:
P76
a.锯机的结构与安装基础比较简单,辅助设备少,厂房占地面积可减少1/2~2/3;
b.锯切效率高,锯切中等硬度的花岗石板材,一天可锯切250m2,相当于两台各装有120根锯条的大型框架锯的效率;
c.操作方便,锯切精度高,多绳式金刚石串珠锯可快速地变換加工板材的厚度;
d.板材的锯切面平整,而且杜绝了钢砂残粒嵌入板材锯切面的可能性,因此使磨抛的时间降低20%;
e.锯切噪音小,工作环境好;
f.能耗低,与框架式砂锯相比约可降低30%的电能消耗;
g.消耗材料大为减少,对环境污染小。
框架锯每锯切l㎡的花岗石板材需消耗3kg钢砂、1.5kg锯条、2kg石灰,而金刚石绳锯只消耗0.01kg金刚石绳。
粗略估计,使用框架锯每年需弃置32.5万公斤废砂浆,对环境污染的严重性可想而知。
以年产5万㎡的花岗石大板为例,金刚石绳锯产生的废渣只有框架式砂锯的1.5%左右,且废渣成分单一、外理方便。
所以说金刚石绳锯是锯切石材大板的环保型机械设备。
5.金刚石带锯
6.金刚石筒锯
二.石材的磨抛设备
1.磨抛的目的与要求
2.检测方法与标准
3.影响因素
4.有关清晰度问题
5.石材的抛光机理
6设备类型
(1)手扶摇臂磨机
①基本结构(普通磨机与升降磨机)(图示)
②工作原理
③技术性能
④适用条件
(2)小圆盘磨机
①基本结构(图示)
②工作原理
③技术性能
④适用条件
(3)桥式磨机
①基本结构(图示)
②工作原理
③技术性能
④适用条件
(4)自动化连续磨机(观看录象)
①基本结构(图示)
②工作原理(重点分析磨头摇动的作用机理)
③技术性能
④适用条件
⑤基本要求:
当连续磨机用于花岗石的研磨抛光时磨机的磨头数应不少于12个,而用于大理石磨抛加工的连续磨机磨头数不少于8个就可以了。
磨头的加压方式有液压的或气压的,当加工花岗石时宜用液压式加压,当加工大理石时宜用气压式加压。
(5)定厚机(铣平机——GrindingMachine)
①用途:
纠正厚度误差;消除沟槽纠正平整度;为磨光作准备。
②类型:
盘式与辊式
③基本结构
④工作原理
(介绍意大利布拉公司、Barsanti公司和Pedrini公司以及长荣公司的五种定厚机的结构、原理并比较其优缺点)
三.石材的切断设备
1.切断工艺对设备的要求(切断与锯切的差异):
切断是低功率的精加工,对材料的规格尺寸、角度误差有较高的精度要求,并要求切面平整不崩边掉角,切断工序对成材率的高低影响较大。
2.常用设备
(1)桥式切机
1主要用途:
2基本结构(图)工作原理
3技术性能
(2)纵向切机
1主要用途:
2基本结构(图)(单刀或多刀切机)
3工作原理
4技术性能
(3)横向切机
1主要用途:
2基本结构(图)(单刀或多刀切机)
3工作原理(比较纵向切机在运动原理上的差异)
4技术性能
(4)手拉切机
1主要用途:
除了可用于切断工序外还是碑石、外栅、条石、灯笼、台板等异形石材的重要造形设备。
2基本结构(图)
3工作原理
4技术性能
四.异形加工设备
1.数控金刚石绳锯(图)
(1)用途
(2)性能
(3)优缺点
2.数控铣床(图)
(1)用途:
异形边部加工
(2)性能
(3)优缺点
3.电脑水射流切割机(图)
(1)用途
(2)性能
(3)优缺点
4.电脑加工中心(图)
(1)用途
(2)性能
(3)优缺点
第三节薄板的加工设备与工艺过程(配合录象)
薄板:
指厚度小于2cm的规格板
一.薄板的加工工艺及其适用条件
A工艺(先切后磨):
选料装車—锯切毛条板—定厚—研磨抛光—切断(纵切、横切)—磨边倒角—清洗—烘干—检验—修补—分色—包装。
B工艺(先磨后切):
选料装車—锯切毛条板—切断(纵切、横切)—定厚、研磨、抛光—磨边倒角—清洗—烘干—检验—修补—分色—包装。
C工艺(MAKRON加工法):
选料装車—锯切块料—锯切规格毛条板—定厚、研磨、抛光—横切—磨边倒角—清洗—烘干—检验—修补—分色—包装。
二.选料装车
原则:
1.荒料的最大尺寸不能超过锯切设备的加工能力,荒料的最小尺寸必须满足锯切稳定性的要求;
2.工程用料应根据工程所需的品种选用荒料,应使得同一工程的荒料在花色上协调一致,以保证良好的装饰效果。
3.工程用料应根据所需的数量、荒料的成材率、加工中产品的合格率选用数量适宜的荒料,在保证工程用量的前提下尽量减少多余的加工量,以免造成浪费。
4.根据产品的规格尺寸选用几何尺寸适宜的荒料,以免在荒料的长度和高度方向上留有过多的余量,使得荒料的利用率最高,提高成材率。
5.装車时荒料的大面应当平行于锯切面,以保证板材的花纹一致,并具有较好的力学性能,同时能提高锯切效率。
6.荒料装車时,底部必须备有垫木,垫木必须垂直于锯切方向。
垫木的截面应不小于20×15cm,以保证垫木能够承受荒料的压力;垫木的长度应与台車的宽度基本相等。
7.当荒料表面不规整时,应当对荒料进行整形,以提高锯切效率,并减少无用的锯切。
三.锯切
1.选择锯片
要点:
根据板材的规格选择直径适宜的锯片;
根据荒料的岩石类型和矿物成分选用适宜的刀头。
2.安装锯片
(1)砝兰盘的作用与直径选择
(2)锯片的旋转方向要始终一致
(3)锯片的安装精度要求与检测方法(P97)(图示说明)
3.锯切
(1)操作要点
(2)参数设定(P97)
四.定厚
控制厚度、修正平度
定厚的厚度控制=薄板的标准厚度+允许的正公差+磨抛工艺的加工余量
五.研磨抛光
1.选择磨石:
粒度、结合剂、组织、硬度;
要点:
磨石性能应与毛板的粗糙度、成品板的光泽度以及磨抛设备、磨抛工艺相适合。
2.磨抛工艺:
(1)磨盘转速:
高硬度、高石英含量的石材取低转速(6~12m/s)(P99第22行订正)
(2)压力:
粗磨与抛光压力增大,石英含量高、硬度高压力大(4~6kg/cm2)
(3)磨盘移动速度:
磨盘运动轨迹应当尽量少重叠,但不能不复覆盖。
石英含量高、硬度高移动速度慢(0.2~0.6/min)
(4)用水量:
水的用途:
冷却、排屑、调节磨石硬度。
六.切断
1.技术要求:
根据GB/T18601—2001标准规定
2.设备要求:
高精度、高稳定性、振动偏摆小、切缝细、直、平、不崩边
3.锯片选择:
常用直径200~400mm,窄槽型、锋利型锯片,配置大直径砝兰盘(约为锯片直径的1/2)
4.锯片安装:
精度要求与检测方法(P100表5)
5.工艺参数:
6.切割定位:
重点介绍(图示说明)
七.磨边倒角:
(略)(看录象解说)
八.粘结修补:
(略,在优化处理时详述)
九.检验:
1.标准依据:
2.可量化标准与不可量化标准:
由天然材料的特点作重点讲述;与贸易纠纷的关系。
3.检验方法:
十.分色包装:
1.分色的依据与技巧:
(以G682为例)
2.包装的目的:
保护石材不受损、保证分色效果、便于搬运、贮存、保管、销售、使用…
3.包装的要求:
牢固、科学、经济、适销、方便、环保(塑料泡沫盒的白色污染与木质包装箱的熏蒸要求)
4.包装形式:
以外贸出口标准的305mm薄板为例。
第四节大板的加工设备与工艺过程(配合录象)
一.锯切
1.重要性:
成本比例与成材性比例,重点分析P109表5.3-1
2.设备:
大直径金刚石圆盘锯、多绳式金刚石绳锯、框架式砂锯分别评述其优缺点与适用性;以框架式砂锯为主。
3.工艺过程:
框图表明十一道工序的关系。
(1)选料:
重点介绍
1根据工程需求量与产品成材率备料,防止不足与过剩;
2根据设备的技术性能与产品的规格尺寸选择荒料规格,既避免无用锯切、提高成材率,又使设备满负荷工作提高生产效率。
3同一台车的荒料必须高度相近、可锯性相同。
(以P110、P111例1、例2说明)
4荒料大面平行于锯切面(从荒料的力学特征与石材的使用性能分析)。
5先整形、后锯切,减少无用加工量。
(成方性与相对成方性概念及计算方法,P112-113)
(2)吊装荒料(略)
(3)固定荒料:
详述三部分混凝土的作用与优缺点。
(4)安装锯条:
简介安装精度要求与锯条技术性能要求,详述两种安装方法的利弊。
间隔板的计算方法,新安装的锯条先锯较长的荒料,第二、三车荒料长度递减。
(5)下锯:
简述锯切参数选择,分析锯切早期的下锯速度
(6)出台车:
分析为什么不能在锯镗内彻底清洗毛板
(7)吊卸、清洗、检验毛板同时进行(检验的要点,以G611荒料为例)
(8)清洗锯台、卸锯片、保养润滑…
二.砂锯的辅助设备及操作要点
1.砂浆泵
(1)作用
(2)使用技术:
1重点分析功率选择的重要意义,解析为什么配置与实用不一致;
2通过计算说明选用适宜功率的砂浆泵对节能的意义;
3砂浆需求量计算方法说明
(3)砂浆回流管与砂浆井的位置关系
2.钢砂添加器
(1)作用
(2)影响钢砂需求量的因素
①荒料的长度;
②锯条数;
③落锯速度;
④岩石类型与力学性质;
⑤钢砂的硬度与耐磨性。
(3)计算方法
Y=5N·L·W·V
式中:
Y-砂浆需求量;m3/h
N-锯条数;条
L-荒料长度;m
W-锯缝宽度;m
V-下锯速度;m/h
3.钢砂回收器(分离器)
(1)作用:
(2)钢砂的最佳粒度范围
(3)钢砂回收器调控技术
当废浆中大于0.4mm钢砂多于8%时表明排浆持续时间太长;
当砂浆中小于0.4mm钢砂多于55%时表明排浆间隔时间太长。
4.石灰混合器和灰浆搅拌桶(略)
5.液压张紧系统
(1)作用:
(2)结构:
(图示说明)
(3)锯条受力分析:
计算方法见P122~123要求学生重点掌握。
(4)使用要点:
1根据剩余锯条宽度选择适宜的荒料高度
2根据剩余锯条截面积调整液压张紧器拉力,使得既能张紧锯条,又不拉断锯条。
3选用宽度不同的锯条减少锯条浪费。
例题:
已知每锯切下1m高度的荒料锯条宽度磨损18mm,厚度磨损0.25mm假设锯条的磨损是均匀的,如果液压张紧器使每根锯条受到55000N的拉力,锯条的抗拉强度为750MPa,当锯条的宽度为65mm,厚度为3.5mm时请计算这种锯条能锯下高度为多少的荒料?
如果要锯切高度为1.50m高度的石材应如何调整液压张紧器?
(设锯条的极根強度为抗拉強度的0.5)10%
(1)锯条的极根強度σp=750×0.5=375Mpa
(2)锯条断裂时的极限截面积A=F/σp=55000/375=146.67mm2
(3)设该锯条可锯切Xm高的荒料,则:
(65-18X)(3.5-0.25X)=146.67
X1=1.087X2=16.524(不合题意)
(4)锯切1.50m高度的石材后锯条截面积为:
(65-18×1.5)(3.5-0.25×1.5)=118.75mm2
(5)锯条张紧力F=σp×A=375×118.75=44531.25N
三.砂浆工艺
1.砂浆的成分:
水:
38.12%;钢砂:
23.74%;石灰:
5.56%;石粉:
32.39%;比重1.749
2.钢砂
(1)成分:
钢砂∶钢丸=85∶15
(2)粒度控制:
P126以25号钢砂为例说明
3.石灰:
(1)作用:
(2)石灰添加量的确定———石灰钢砂系数(K)的计算
(3)例题:
已知使用摆式砂锯锯切比重为2.73的闪长岩时每锯切1平方米毛板消耗钢砂2.45kg,测得锯缝宽度为7.6mm,请计算每锯切1m2毛板需要添加多少石灰才能使砂浆始终保持在最佳状态?
求石灰钢砂系数?
(1)锯切1m2毛板生成的石粉重量:
0.0076×2.73×1000=20.748kg
(2)锯切1m2毛板需要添的石灰量:
20.748×5.56/32.39=3.56kg
(3)K=3.56/2.45=1.45(即每添加1kg钢砂必须添加1.45kg石灰)
4.水量的控制:
砂浆井液位感应器(图)
5.贮浆池:
钢砂粒度级配的控制保障
详述作用原理
四.花岗石大板的磨光
1.影响大板磨光的因素
(1)设备性能——磨头数
(2)毛板粗糙度
(3)成品板的光泽度要求
(4)磨抛工艺
(5)磨具的性能与磨具号的配置
2.连续磨机各磨头上磨具号的配置
(1)磨具号与磨料的粒径:
P132表5.3-8
(2)计算方法
1根据毛板的粗糙度确定第一个磨头上磨料粒径a1a1=R2
②根据磨光板所要达到的光泽度确定最后一个精磨磨块中磨料的粒径an
精磨光泽度为55,磨料粒径应当为0.013,磨具号为1200号,抛光后可达85度
精磨光泽度为60,磨料粒径应当为0.010,磨具号为1500号,抛光后可达90度
精磨光泽度为65,磨料粒径应当为0.009,磨具号为1800号,抛光后可达95度
③计算等比系数Q
④计算其他磨头上的磨料粒径
an=an-1Q
(3)例题
使用16磨头的自动化连续磨机研磨加工粗糙度为0.95mm的花岗石板材,要求磨抛后板材的光泽度达到90度,請计算磨机上各磨头所用磨料的粒径。
(设:
使用3个磨头作抛光用)8%
(1)第1个磨头上磨料的粒度:
α1=R2=0.952=0.9025
(2)最后一个磨光磨头上磨料的粒度:
因为抛光板光泽度为90度,所以最后磨光的光泽度为60度,第13个磨头上磨料的粒度α13=0.01
(3)各磨头上磨料粒度的等比系数:
(4)各磨头上磨料粒度:
α1=0.9025(mm)
α2=α1·Q=0.9025×0.6871=0.6201(mm)
α3=α2×Q=0.6201×0.6871=0.4261(mm)
α4=α3×Q=0.4261×0.6871=0.2928(mm)
α5=α4×Q=0.2928×0.6871=0.2012(mm)
α6=0.1383
…
3.磨削工艺要素
根据根据国际机械生产工程研究组织〔CIRP〕提出的“当量切削厚度”的概念,可表示为以下关系:
式中:
A-可以认为是磨具以一定速度从石材上切削下的切屑的厚度;
t-切削深度;
V1-磨盘相对于石材的移动速度;
V2-磨盘转速。
上式表明:
要改善磨削质量,提高光泽度应当减小A;如果要提高磨削效率,刚应当提高A。
所以粗磨时应增大磨盘压力(即增大t),同时降低磨盘转速(即减小V2),加快磨盘相对于石材的移动速度(即增大V1),即可提高磨削效率;反之细磨和精磨时,为了提高磨削质量应当减小磨盘压力,提高磨盘转速和降低磨盘相对于石板的移动速度。
实际上在连续磨机上无论是粗磨还是精磨,磨盘相对于石板的运动速度都是相同的。
因此磨削工艺参数的选择主要考虑以下几点:
①磨削压力的大小与磨石的消耗成正比,也与磨削效率成正比。
粗磨工序的磨头压力约为5~8bar,细磨和精磨时磨头压力约为3~6bar。
②传送带的前进速度与磨抛质量有关,应当按毛板的粗糙程度和石材的类型性质来选择,一般磨抛花岗石类板材时传送带的进给速度为0.2~0.6m/min;磨抛辉长岩、玄武岩类板材时传送带的进给速度为0.5~0.8m/min。
③磨机横梁的往复摆动速度约为4~10m/min,当石板较宽时取高值,石板较窄时取低值。
五.切断(略)
1.设备:
桥式切机
2.工艺参数:
3.要点:
放线——提高成材率
配色——保证装饰效果
第五节异形石材的加工设备与工艺过程(配合录象)
一.异形石材的类型
二.异形石材的加工特点
三.加工设备
四.工艺过程
五.质量标准
六.包装特点
第六节石材厂的设计依据与设计方法
一.石材厂的类型及设备配置
1.薄板厂
2.大板厂
3.碑石厂
4.石雕厂(传统工艺与现代技术相结合的发展方向)
5.异形石材厂(福建省异形石材的地位与优势)
…
二.石材厂的组成
1.生产设施
2.生活设施
3.管理设施
4.仓库
三.设计内容
1.厂区平面布置(以福州永德吉石材厂和莆田仁兴石材厂为例)
2.车间平面工艺布置(以圣和、裕盛石材厂为例)
3.生产工艺设计
4.设备的选型与配套
5.主体构筑物设计
6.水循环系统设计
7.环保措施
8.技术经济分析
四.设计依据
1.委托方的要求:
产品结构
规格尺寸(最大与最小尺寸)
产量
质量标准
荒料品种及其可加工性能
投资总额
服务年限
基建时间
2.设计方应收集的资料:
基建用地面积、形状及周边环境
水、电、路三通条件与给排水条件
建厂所在地的工资标准
地方政府的有关规定
环保要求
生产设备的技术参数、工艺性能、价格、质量、安装与操作要求、装机容量、能耗高低
交通运输条件
原材料供应条件
设备维修保养条件
技术工人的工艺素质与供应情况
五.设备选型依据:
产品纲领与产品的规格尺寸
产量与质量要求
生产工艺要求与车间的工艺布置
原材料的可加工性能
设备的技术性能与价格
资金来源、投资金额
服务年限
六.厂区布置原则
生产、生活、管理分区明确,有利各自使用目的,互不干扰;
美观、整洁、环保
例如:
荒料堆场不宜安排在厂区正面,应靠近锯切车间
生活区应远离锯切、造形等噪音大、粉尘多的车间
管理区(办公楼)应安排在厂区前面,污水沉淀池应靠近厂区后部或边部
仓库应紧临通道
宿舍楼应坐北朝南
…
七.车间工艺布置原则:
节省投资
缩短基建周期
整齐有序、满足生产工艺要求、提高生产效率
总图运输合理,避免重复、交叉运输
生产安全、满足环保要求、合理的水循环系统
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- 石材工艺学 第四章 石材的加工工艺与设备1 石材 工艺学 第四 加工 工艺 设备