邵俊鵬，徐 斌

(哈爾濱理工大學(xué) 機械動力工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

陶瓷拋光磚表面平整而且光亮，但是微觀結(jié)構(gòu)確是凹凸不平。對瓷磚微觀結(jié)構(gòu)的研究，國外對此做了大量研究。Hutchings等［1］對瓷磚的微觀結(jié)構(gòu)進行了研究，得出瓷磚微觀結(jié)構(gòu)對磨頭磨損的影響很大。Campos等［2－3］提出利用廢物生產(chǎn)瓷磚，并提出了瓷磚的回收和利用。Rahaman等［4－7］利用分類技術(shù)、智能機器對瓷磚的表面缺陷進行檢測。加工瓷磚的主要設(shè)備是擺動式瓷磚拋光機，Sousa等［8－10］對瓷磚加工過程中的運動進行了分析。李松等［11－12］通過試驗得出瓷磚的拋光軌跡是呈“Z”字形。鐘保民等［13－14］研究得出瓷磚的進磚方向會影響瓷磚的平整度和軌跡。瓷磚在加工過程中，由于擺動式拋光機振動的存在，致使瓷磚產(chǎn)生碎裂。國內(nèi)高校和企業(yè)都對瓷磚拋光機的振動故障進行了大量研究。如:湯迎紅等［15］優(yōu)化了拋光盤的凸輪曲線，解決了柔性沖擊問題。吳南星等［16］用加水方法控制噪聲。陳彩如等［17］對拋光機水平方向的拋光過程進行了建模和仿真，得出了平面拋光時當(dāng)量磨削量的分布規(guī)律。陳麗芬等［18］對利用功率譜分析磨頭的故障。程洪濤等［19－21］磨頭軸的模態(tài)、以及動態(tài)特性進行了分析。上述已對瓷磚的微觀結(jié)構(gòu)、瓷磚的拋光軌跡、拋光機振動進行了研究。瓷磚的微觀結(jié)構(gòu)、瓷磚的拋光軌跡、拋光機振動三者之間的關(guān)系及其影響卻沒有研究，也未見該類文章發(fā)表。而瓷磚微觀結(jié)構(gòu)軌跡對振動卻有著重要影響，這也是企業(yè)所要迫切了解的問題。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，對粗、中、精拋工序中的瓷磚進行了實驗研究，通過SEM實驗得出瓷磚的微觀軌跡;通過振動實驗得出拋光機磨頭的振動，并得出瓷磚微觀軌跡對振動的關(guān)系及其影響。研究結(jié)果對瓷磚、和磨頭的研究提供理論依據(jù)。

1 擺動式磨頭的運動原理

瓷磚的寬度大于磨頭的直徑，為了完整加工瓷磚所需運動有:① 磨頭的轉(zhuǎn)動;② 磨頭的擺動。③瓷磚的進給運動。擺動拋光磨頭的運動原理如圖1所示。傳送帶2驅(qū)動瓷磚給進，同時旋轉(zhuǎn)磨頭1在橫梁的帶動下，在A、B兩極限位置之間來回的擺動。磨頭在瓷磚上的拋光軌跡如圖2所示。拋光軌跡為“Z”形軌跡。

2 磨粒破碎瓷磚模型

瓷磚的破碎過程為:在磨頭壓力F和扭轉(zhuǎn)力矩T的作用下，瓷磚表面首先生成粉屑，并在磨粒前面形成壓實體。在磨粒的擠壓和拉應(yīng)力的作用下，磨粒前方的瓷磚被壓碎成小塊，并飛濺出去。同時，在壓力F的作用下，磨粒下方產(chǎn)生裂紋，裂紋沿著與瓷磚表面垂直的方向和磨粒前進的方向擴展。與瓷磚表面平行的裂紋擴展軌跡為弧形，最終擴展到瓷磚表面，形成大塊磨屑。然后如此循環(huán)下去。如圖3所示。

由磨削破碎瓷磚過程都要經(jīng)歷由小塊脆裂到達塊崩裂的發(fā)展過程?？梢缘贸瞿チＦ扑榇纱u的過程具有間斷性。磨頭的壓力F的扭轉(zhuǎn)力矩T均隨著小塊的碎裂的出現(xiàn)而迅速波動，并在主裂紋擴展成大磨屑崩碎之前達到最大值。作用力迅速下降，磨粒前移，繼而重復(fù)磨削破碎過程。磨頭的壓力F隨著磨削深度H的增加而增加，這個規(guī)律也是磨削脆性材料的普遍規(guī)律。

3 實驗

3.1 瓷磚微觀拋光軌跡

為了研究瓷磚表面不同部位的微觀軌跡，以SD－286型瓷磚拋光生產(chǎn)線為例進行實驗。實驗的工序為粗拋、中拋、精拋，實驗所用瓷磚規(guī)格為800 mm×800 mm。瓷磚成分為:石英、長石、高嶺土。在每道工序加工后的瓷磚中挑一塊瓷磚為對象，在瓷磚上取3個樣點，如圖4所示。樣點①對應(yīng)圖1中的磨頭的極限位置B，樣點②對應(yīng)圖1中的磨頭的極限位置A。對樣點進行電鏡掃描，電鏡型號為:FEI Sirion。實驗結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5(b)，圖5(d)，圖5(f)是分別對圖5(a)，圖5(c)，圖5(e)同一點放大200倍后的微觀形貌圖。

圖5(a)，圖5(b)，圖5(e)，圖5(f)中樣點①、③的軌跡相互平行，并且間隔距離大，軌跡清晰。平行軌跡的深度大于樣點②的交叉軌跡。

圖4 瓷磚取樣點示意圖Fig.4 Schematic diagram of the sampling points of ceramics tile

由磨粒破碎瓷磚模型分析可知，磨頭磨削力F磨削深度的增加而增加。并且磨削力F在破碎瓷磚過程中是波動的。因此，平行軌跡處的磨削力F及其波動性大于軌跡交叉處的磨削力。

圖5(c)、圖5(d)為樣點②的形貌，該處軌跡相互交叉，交叉處的軌跡寬度大于平行寬度，交叉點中間堆積著大小形狀各異的磨屑，縱橫軌跡的扇形裂紋相互連接。裂紋擴展面積進一步擴大，各軌跡間的未加工表面很難辨認。軌跡交叉時，磨粒擠壓瓷磚所產(chǎn)生的裂紋趨向于，與其交叉的溝槽裂紋擴展，因此，交叉處的磨粒在很小的磨削力F的作用下，可將瓷磚破碎。

王成勇等［22－23］利用金剛石對大理石進行劃傷，得出切削軌跡交叉時的磨削力比切削軌跡平行時小30%～50%。大理石和瓷磚同屬脆性材料，該研究結(jié)果也有力的說明了，瓷磚軌跡交叉處的破碎現(xiàn)狀。

圖6、圖7是瓷磚中、精拋后瓷磚取樣點的形貌。從圖中可以看出，中、精拋不再是以裂紋擴展破碎為主，中拋以犁溝為主，精拋以劃擦研磨為主。對比圖5～圖7看出，粗拋是脆性破碎，中、精拋是塑性流變。

從圖6、圖7中樣點①、②、③看出，樣點①、③的軌跡是平行軌跡，取樣點②是交叉軌跡。瓷磚在磨粒的壓力的作用下，平行軌跡發(fā)生塑性流變，將瓷磚的犁溝和劃痕缺陷填充，形成平整的表面。交叉軌跡處，刻痕清晰，無裂紋。

由于中精拋只是研磨，無微裂紋破碎，因此，磨削力F較小且波動性很小。

3.2 磨頭振動實驗

為了確定拋光機粗、中、精拋光加工階段磨頭在瓷磚取樣點上的振動，按照表1參數(shù)進行了磨削振動試驗，對SD－286型拋光生產(chǎn)線中的粗、精瓷磚拋光機磨頭進行實驗，如圖8所示。實驗儀器為TV100測振儀、SD1406壓電式傳感器。利用壓電式傳感器測量X、Y、Z三個方向的振動加速度。分別對粗、中、精拋工序拋光機上的每個磨頭在瓷磚3個樣點上測得X、Y、Z三個方向的振動加速度數(shù)值，求平均數(shù)后的結(jié)果如表2所示。

前面分析得出，粗拋時，以脆性碎裂為主，平行軌跡處的磨削力大并且波動大。交叉軌跡磨削力小，波動也小。從表2的實驗數(shù)據(jù)得出:粗拋磨頭在瓷磚3個取樣點上的振動不一樣，樣點①、③的振動大于樣點②的振動。由前述所知，樣點①、③對應(yīng)著瓷磚的平行軌跡，樣點②對應(yīng)交叉軌跡。

圖8 實驗裝置Fig.8 Schematic diagram of experimental equipment

表1 磨頭振動加速度實驗參數(shù)Tab.1 Vibration acceleration experimental parameter of grinding head

表2 磨頭振動加速值對比表Tab.2 Numerical contrast of vibration acceleration of grinding head

中、精拋也表現(xiàn)出了同樣的特點。中、精拋以研磨拋光為主，磨削力小并波動小。從表2看出，中、精拋的振動小于粗拋。

綜上實驗數(shù)據(jù)和分析得出:平行軌跡處振動大，交叉軌跡處振動小。中、精拋以塑性流變?yōu)橹?，平行軌跡和交叉軌跡處的振動都不大，相差很小。

平行軌跡對應(yīng)著瓷磚的兩端極限位置，交叉軌跡對應(yīng)著瓷磚的中間。即磨頭擺動到兩端位置時，振動大。而擺動到瓷磚中間位置時，振動小。中、精拋時，由于平行軌跡和交叉軌跡處的振動相差很小，磨頭在整個擺動過程比較平穩(wěn)。

4 結(jié)論

(1)瓷磚兩端拋光軌跡為平行軌跡，中間軌跡為交叉軌跡。

(2)平行軌跡處振動大，交叉軌跡處振動小。

(3)粗拋時，瓷磚以脆性碎裂為主。中、精拋時，以塑性流變?yōu)橹鳌?/p>

(4)粗拋時，振動不平穩(wěn)，兩端大，中間小。中、精拋時，振動平穩(wěn)。

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