異型石材制品加工技術(shù)與設(shè)備發(fā)展概述

　　摘要:為了解和分析國內(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，研發(fā)新一代具有自主知識產(chǎn)權(quán)和國際水準(zhǔn)的異型石材制品加工技術(shù)與設(shè)備提供理論依據(jù)，通過分析和比較不同種類異型石材制品的加工方法和不同類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)論是目前國內(nèi)異型石材制品加工技術(shù)與設(shè)備與國外存在較大差距，研發(fā)新一代具有自主知識產(chǎn)權(quán)和國際水準(zhǔn)的異型石材制品加工技術(shù)與設(shè)備是提升我國石材加工業(yè)整體水平的戰(zhàn)略需求。

　　近年來，隨著人們生活水平的提高，石材制品越來越廣泛地被應(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，市場對異型石材制品的種類、形狀、精度和產(chǎn)品尺寸的要求愈來愈高、需求愈來愈大，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。

　　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。

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

　　平面異型石材的加一般采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工設(shè)備。設(shè)備通常配備-一個工作平臺供安放和固定工件用，刀具可沿x軸、Y軸、Z軸三個方向運(yùn)動，配以圓盤銑刀或雕銑刀頭，可完成花線切割和文字雕刻。

　　部分毛面花紋的加工采用噴砂加工技術(shù)，如意大利PELLECRINI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。配備專門的粉塵收集裝置，防止沙塵對工作環(huán)境和操作者的污染。

　　曲面異型制品指具有公共母或?qū)ΨQ中線的曲面板材制品，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T等多種技術(shù)。

　　曲面異型制品加工設(shè)備的工作臺一般能夠前后平移，刀具相對工件作X軸、Y軸、Z軸三個方向進(jìn)給，配以先進(jìn)的計算機(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，通過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)體制品指具有對稱中線的柱體制品。如圓柱、欄桿住、羅馬柱、風(fēng)水球、工藝花瓶等。

　　實(shí)體可轉(zhuǎn)體制品一-般采用車削或鋸切加工工藝， 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，所以一般采用圓盤鋸。

　　鋸片動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，使鋸片動刀 頭在0° ~360° 之間轉(zhuǎn)動，就可以加工出復(fù)雜的多棱體石柱。

　　國內(nèi)石材圓柱體的成形--般采用柱帽機(jī)加 工，通過機(jī)械仿形技術(shù)加工復(fù)雜的回轉(zhuǎn)體形狀。國外 先進(jìn)的加工技術(shù)采用計算機(jī)仿形控制技術(shù)。

　　石材雕刻制品是指沒有對稱中線以及具有復(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)雜的畫框、壁爐飾面、各種樓梯扶手、立體人像、動植物雕刻品等。

　　平面浮雕加工設(shè)備的刀具一般除能沿X軸、Y 軸、Z軸三個方向進(jìn)給，有的刀具還可繞Y軸擺動。

　　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， 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)。

　　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。

　　液壓仿形是將幾個液壓油缸和液壓閥組合而成- . 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床，可用于加 工圓柱、欄桿住、花瓶等母線是任意曲線的回轉(zhuǎn)體制 品，通過選配不同的動力頭和配套機(jī)構(gòu)，該機(jī)還可以 加工多棱柱、羅馬柱和球類石材制品。

　　國外先進(jìn)的仿形加工設(shè)備使用激光掃描成像技術(shù) 和計算機(jī)仿形控制加I技術(shù)120，可以對較復(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0MAG公 司MLL4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。

　　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、線切割速度快、生產(chǎn)效率高、對環(huán)境污染小、噪聲低、省電省時、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運(yùn)動和工件與串珠鋸水平方向的相對運(yùn)動。

　　豎直方向的相對運(yùn)動有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是采用串珠鋸上下移動的方式，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質(zhì)量較低，所以比較節(jié)約能源，且方便對進(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，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。水平方向的相對運(yùn)動也有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是框架據(jù)沿固定導(dǎo)軌的平移運(yùn)動，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，所以對加工尺寸有一定要求。

　　第二種方式采用工作臺水平移動的方式，同時框架據(jù)兩側(cè)可沿垂直導(dǎo)軌運(yùn)動，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)，可以同時安裝三根金剛石串珠繩，主要用于加工石材圓弧板。同時該公司生產(chǎn)的VINCA-6型鋸機(jī)采用了先進(jìn)的五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)。

　　其外形結(jié)構(gòu)、運(yùn)動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-定的角度，同時工件在工作臺上可以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。

　　除常見的串珠繩鋸異型石材鋸切設(shè)備外，還有一-些小型臺式串珠鋸機(jī)，專門用于加工拼花、曲線邊等異型石材制品。

　　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)7-10。

　　高壓水射流具有道具簡單、為粉塵污染、低噪音、切口狹窄等特點(diǎn)。相對繩鋸加工而言，高壓水射流切削過程連續(xù)、切削力穩(wěn)定、振動較小，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。

　　異型石材加工用數(shù)控車床主要用于加工簡單的回轉(zhuǎn)體異型石材制品。加工工件繞固定軸轉(zhuǎn)動，刀具相對工件作軸向運(yùn)動和垂直軸向進(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速度，通常采用圓盤鋸代替普通的車刀。

　　圓盤鋸由高速電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)固定在隨動刀架上。數(shù)控系統(tǒng)采用普通二軸聯(lián)動機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)即可。由于其結(jié)構(gòu)簡單，直接對一般車床作簡單的改進(jìn)就能夠使用，所以在國內(nèi)被廣泛使用。

　　數(shù)控雕銑機(jī)主要用于簡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)動運(yùn)動控制。

　　圖3為國產(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2100mm、高1800mm,最大加工質(zhì)量為: 1500kg。

　　隨著數(shù)控技術(shù)和多軸聯(lián)動控制技術(shù)的發(fā)展，五軸 聯(lián)動控制的數(shù)控車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)計的formacolonne--CN型加工中心，該加工中心采用4軸聯(lián)動數(shù)字控制加工技術(shù)， 同時配有兩個工作頭。

　　異型石材數(shù)控加工中心一般采用龍門支柱式結(jié) 構(gòu)，除水平工作臺外- -般還配有旋轉(zhuǎn)工作臺，主要用 于加工大型、復(fù)雜的異型石材制品。以美國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)動數(shù)字控制技術(shù)，可以以任何角度加工5個 外形表面。其特點(diǎn)是快速、高效、可靠、安全，并且 具有自動加緊裝置四。

　　隨著多軸聯(lián)動控制技術(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)動數(shù)控 繩鋸機(jī)、五軸聯(lián)動車銑加工中心、五軸聯(lián)動數(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、車削、雕銑、磨削、拋光等功能于一體。

　　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的開放式數(shù)控系統(tǒng)可以對珍貴的文 物等制品進(jìn)行仿真加工。

　　同時采用激光描技術(shù)提取 石材材料特性及紋理特征，通過CAD優(yōu)化設(shè)計軟件 可惜有效地利用石材天然的紋理和節(jié)約材料。

　　國外異型石材制品加工設(shè)備的開發(fā)越來越重視對 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)計上更加注重人性 化設(shè)計。

　　如意大利PELLEGRINI公司的S系列噴砂加! 工設(shè)備，配備專門的粉塵收集裝置，防止沙塵對工作 環(huán)境和操作者的污染。在設(shè)備外形設(shè)計上運(yùn)動人機(jī)工 程學(xué)的思想，在外款、色彩搭配等方面都別具一格。

　　自二十世紀(jì)50年代德國CarlSalomon博士首次 提出高速切削概念以來，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，到I 本世紀(jì)初，高速切削技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到普遍應(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-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)的刀具和對于 具體加工對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。

　　高速切削加T的實(shí)現(xiàn)顯 著提高了工件的加工效率。同時國外在繩鋸加工中同 時使用多股繩鋸，在數(shù)控加T中心中同時使用多個工 作頭等方法的應(yīng)用。

　　手段的石材加工技術(shù)，以異型石材制品的加工為突破口進(jìn)入石材加工領(lǐng)域并在石材加工中應(yīng)用發(fā)展得很快。這是一種刀具簡單，無粉塵污染，低噪音，切口狹窄的切割技術(shù)。

　　在石材行業(yè)，它主要用于石材拼花板材的加;工，各種平板類石材標(biāo)志的加工，而且產(chǎn)品批量大、精度高。

　　數(shù)控高壓水射流切，割機(jī)由高壓水泵，工作主機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)三部分組成。這一技術(shù)裝備遠(yuǎn)比現(xiàn)在生產(chǎn)使用的加工設(shè)備造價低，產(chǎn)品加工成本低，能耗低，而且磨損料和水可回收利用，設(shè)備應(yīng)用范圍廣，是我國石材工業(yè)發(fā)展中值得重視的一項(xiàng)很有前景的新技術(shù)。

　　由于有關(guān)技術(shù)和關(guān)鍵的問題還未得到完全徹底解決，故在國內(nèi)石材加工中還沒得到廣泛應(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，該加工中心同時配備了4個工作頭。

　　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。

　　與國外先進(jìn)技術(shù)相比，我國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產(chǎn)權(quán)的異型石材加工技術(shù)與設(shè)備對于推動我國石材制造裝備業(yè)的發(fā)展，提高我國石材產(chǎn)業(yè)的整體競爭能力具有十分重要的意義。

　　械制造企業(yè)所生產(chǎn)的機(jī)器產(chǎn)品也要不斷地創(chuàng)新，不斷 地推出新產(chǎn)品緊跟當(dāng)今國際石材業(yè)發(fā)展的步伐。

　　石材的新產(chǎn)品如時尚的超薄板、石刻工藝等的生產(chǎn)，就需 要石材數(shù)控技術(shù)及機(jī)器裝備，今后如何開發(fā)計算機(jī)數(shù) 字控制石材機(jī)械實(shí)現(xiàn)智能化、自動化雕刻方向發(fā)展是 各個石材機(jī)械企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)的新的課題。

　　從石材機(jī)械的發(fā)展趨勢可以看出，目前石材機(jī)械 設(shè)備的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在三個方面:

　　3、石材機(jī)械向環(huán)?；l(fā)展。如金剛石串珠繩 鋸，高壓水射流等環(huán)保加工設(shè)備的研制與應(yīng)用。

　　可以預(yù)見，本世紀(jì)高效、環(huán)保、低能耗及自動化依然是石 材機(jī)械發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新的主題。