拋光機(jī)磨頭磨削方式對(duì)磨削效果影響的試驗(yàn)研究

邵俊鵬 徐 斌 李 沖

哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱，150080

0 引言

瓷磚加工表面質(zhì)量問題主要集中在瓷磚表面不平度上，產(chǎn)生表面質(zhì)量問題的原因有兩個(gè)：一是自然形成的原因，即瓷磚磚坯在拋光以及放置過程中吸水產(chǎn)生不可逆的吸濕膨脹，不同部分因膨脹程度不同而產(chǎn)生不同的應(yīng)力，從而使坯體拋光后變形[1]。針對(duì)這些問題，文獻(xiàn)[2]根據(jù)磚坯平整度情況，統(tǒng)一磚坯進(jìn)拋光機(jī)方向，可解決磚坯加工過程中不平整的問題。文獻(xiàn)[3]建立了磨削均勻性的數(shù)學(xué)模型，并從拋光工藝的角度提出了解決磨削均勻性問題的方法。二是加工過程中造成的瓷磚表面不平整。文獻(xiàn)[4-11]通過試驗(yàn)得出拋光瓷磚在拋光過程中表面粗糙度的變化規(guī)律，同時(shí)得出拋光瓷磚氣孔的減少對(duì)機(jī)械加工的難度有很大影響的結(jié)論。李松等[12]通過試驗(yàn)得出瓷磚的拋光軌跡以及磨頭轉(zhuǎn)速對(duì)瓷磚拋光質(zhì)量影響的規(guī)律。針對(duì)這些問題，湯迎紅等[13]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[14]用加水方法控制噪聲。陳彩如等[15]對(duì)拋光機(jī)水平方向的拋光過程進(jìn)行了建模和仿真，得出了平面拋光時(shí)當(dāng)量磨削量的分布規(guī)律。郭立等[16]找出了磨頭、瓷磚、磨頭擺動(dòng)三者之間的水平方向運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系。但拋光機(jī)磨頭在加工過程中造成的不平，以及用何種加工方式去減小加工過程中造成的不平度，卻沒有研究。瓷磚表面加工質(zhì)量一直存在著“磨光不磨平”的問題，尋求更好的加工方式，使瓷磚在加工過程中既磨光又磨平，是目前瓷磚生產(chǎn)企業(yè)和拋光機(jī)設(shè)備生產(chǎn)廠家迫切要解決的問題。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，以擺動(dòng)式拋光機(jī)磨頭為研究對(duì)象，分析目前垂直式磨頭加工存在的問題，采用傾斜式磨頭磨削瓷磚，并通過試驗(yàn)研究來驗(yàn)證該加工方式對(duì)瓷磚表面質(zhì)量的改善效果。

1 垂直式磨頭加工瓷磚存在的問題

1.1 拋光機(jī)磨削瓷磚過程

因瓷磚的寬度大于磨頭的直徑，為了能夠?qū)⒄麄€(gè)瓷磚磨削完整，磨頭在運(yùn)行過程中要進(jìn)行擺動(dòng)。擺動(dòng)式拋光機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣缸10驅(qū)動(dòng)磨頭13壓向瓷磚。同時(shí)，橫梁擺動(dòng)電機(jī)11驅(qū)動(dòng)橫梁擺動(dòng)變速箱12，經(jīng)過變速箱變速后驅(qū)動(dòng)齒輪6旋轉(zhuǎn)，齒輪6與固定在橫梁支承座4上的齒條5嚙合。因此，橫梁擺動(dòng)電機(jī)11便驅(qū)動(dòng)著磨頭在X方向來回?cái)[動(dòng)，將瓷磚磨削完整。

圖1 擺動(dòng)式拋光機(jī)結(jié)

1.2 垂直軸磨頭磨削過程數(shù)學(xué)模型

在磨削過程中，磨頭在dt時(shí)間里，磨削深度從u0變?yōu)閡0＋du。在dt時(shí)間里，磨掉的瓷磚斷面積S如圖2中的剖面線所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[17]

其中，S1為磨頭從A極限位置擺動(dòng)到橫梁中間位置時(shí)，在dt時(shí)間內(nèi)磨入深度為u0的瓷磚被磨掉的斷面積；S2為磨頭從A極限位置擺動(dòng)到橫梁中間位置時(shí)，在dt時(shí)間內(nèi)瓷磚被磨掉的斷面積；S3為磨頭在橫梁中間位置時(shí)，在dt時(shí)間內(nèi)瓷磚被磨掉的斷面積；S4為磨頭從橫梁中間位置擺動(dòng)到B極限位置時(shí)，在dt時(shí)間內(nèi)瓷磚被磨掉的斷面積；S5為磨頭從橫梁中間位置擺動(dòng)到B極限位置時(shí)，在dt時(shí)間內(nèi)磨入深度為u0的瓷磚被磨掉的斷面積；u0為磨頭剛接觸瓷磚時(shí)，磨削瓷磚的深度；du為磨頭隨時(shí)間t變化的磨削深度；D為磨頭磨削的最大直徑；v為磨頭擺動(dòng)速度。

圖2 垂直軸磨頭磨削過程模型

根據(jù)Preston方程，瓷磚表面上某點(diǎn)在0～t時(shí)間內(nèi)的瓷磚磨削深度du為[15]

式中，k為與兩接觸表面的物理和化學(xué)性能有關(guān)的系數(shù)；p為兩接觸表面的壓力，與時(shí)間t無關(guān)；v1為兩接觸表面的相對(duì)速度。

將（2）式代入（1）式得

從建立的瓷磚數(shù)學(xué)模型及圖2可以看出，磨頭擺動(dòng)磨削時(shí)，瓷磚底面不平整。兩邊磨削的面積小，中間磨削的面積大。

1.3 磨削試驗(yàn)

為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果，以SD－281型12磨頭瓷磚拋光機(jī)為例進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)條件如下：磨頭的壓力為0.2MPa，磨頭擺動(dòng)速度為0.2m／s，磨頭轉(zhuǎn)速為475r／min，磨塊的粒度號(hào)為320，精拋瓷磚2塊，瓷磚的規(guī)格為800mm×800mm。試驗(yàn)時(shí)間為2.7min。

試驗(yàn)分兩種情況：磨頭在兩個(gè)極限位置A、B不做停留；磨頭在兩個(gè)極限位置A、B停留3s。在試驗(yàn)后的瓷磚上取10個(gè)點(diǎn)，測(cè)量磨削深度。測(cè)點(diǎn)如圖3所示。試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖4可以看出，磨削后的瓷磚兩端高、中間低，呈U形。從圖5可以看出，即使磨頭在兩極限位置做停留，瓷磚中間的磨削深度依然比兩端大，但是比不停留時(shí)有所改善。

圖3 磨頭磨削軌跡

圖4 磨頭兩端不停留時(shí)的瓷磚磨削深度

因此，垂直式的磨頭磨削瓷磚后，瓷磚兩端高、中間低，即使磨頭在拋光機(jī)兩端做停留，也無法改善瓷磚表面不平整的現(xiàn)狀。同時(shí)也驗(yàn)證了所建垂直式磨頭磨削過程數(shù)學(xué)模型的正確性。

圖5 磨頭兩端停留后的瓷磚磨削深度

2 傾斜式磨頭磨削瓷磚試驗(yàn)

以SD－281型12磨頭瓷磚拋光機(jī)為例進(jìn)行試驗(yàn)。將磨頭傾斜4mm后進(jìn)行試驗(yàn)，分兩種情況：磨頭由氣缸以恒定的壓力壓住瓷磚；磨頭采用定深磨削。

2.1 傾斜軸磨頭磨削過程

按照表1的參數(shù)設(shè)置拋光機(jī)。拋光試驗(yàn)中，每次試驗(yàn)均使用表面涂過納米液的3塊瓷磚，磨削時(shí)間為2.7min。拋光機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，磨頭主軸電機(jī)7、磨頭主軸6及磨頭9旋轉(zhuǎn)，同時(shí)氣缸5帶動(dòng)磨頭壓向瓷磚。氣缸5帶動(dòng)磨頭9下壓的同時(shí)，傳送帶電機(jī)1驅(qū)動(dòng)著主動(dòng)滾筒2轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)滾筒2帶動(dòng)著傳送帶11，以及放置在上面的瓷磚10前進(jìn)。3塊瓷磚挨個(gè)擺放在一起，一次性磨拋出來。傾斜軸磨削原理、磨頭磨削瓷磚過程以及磨削軌跡如圖6、圖7所示。

表1 磨頭實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖6 傾斜軸磨頭運(yùn)行原理

2.2 傾斜軸磨頭磨削深度數(shù)學(xué)模型

傾斜軸磨頭磨削瓷磚的深度為[18]

式中，W 為瓷磚磨削表面寬度；α磨頭傾斜角度。

將磨塊工作面上的磨?？醋魇抢硐霠顟B(tài)的磨粒，磨粒的平均磨削深度為[19-20]

圖7 傾斜軸磨頭磨削過程及軌跡

式中，β為圓錐磨粒頂角；w為磨粒平均間隔；v2為傳動(dòng)帶速度；n2為磨頭轉(zhuǎn)速；SA為磨削區(qū)磨頭工作面積。

從傾斜軸磨頭磨削瓷磚的軌跡可以看出，磨頭磨削軌跡不重疊，瓷磚上每一點(diǎn)的磨削時(shí)間是相同的。磨削后瓷磚表面不會(huì)產(chǎn)生兩端高、中間低的形狀。從式（4）可看出，磨頭的磨削深度和磨頭的接觸面積由磨頭的傾斜角α決定，為了保證瓷磚表面的質(zhì)量，磨頭傾斜4mm，α為0.4°。

由式（5）可知，在磨頭轉(zhuǎn)速n2和傳送帶速度v2確定的前提下，磨粒的磨削深度h主要受到磨頭的磨削深度u和磨削區(qū)磨頭工作面積SA決定，而這兩個(gè)參數(shù)又是由磨頭壓力決定的。磨頭壓力浮動(dòng)時(shí)，磨粒的磨削深度h也是浮動(dòng)的。磨頭的壓力恒定，則磨粒磨削深度h也恒定。

在試驗(yàn)后的瓷磚上取點(diǎn)，用深度測(cè)量?jī)x測(cè)出磨削深度。用游標(biāo)卡尺測(cè)出拋光軌跡的寬度。得出的試驗(yàn)結(jié)果如表2、圖8。

表2 瓷磚測(cè)點(diǎn)磨削深度

圖8 瓷磚磨削后軌跡以及測(cè)點(diǎn)圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

（1）從圖8可以看出，傾斜磨頭磨削的第一塊磚前端大、后端小，呈“喇叭”狀。原因是，磨頭開始運(yùn)行時(shí)，磨頭磨塊磨粒比較鋒利，磨削一段時(shí)間后，磨塊邊緣的磨粒被磨損，磨塊磨削的寬度逐漸變小。

（2）從表2的前3個(gè)試驗(yàn)的瓷磚測(cè)點(diǎn)深度上可以看出，第一塊瓷磚各點(diǎn)的磨削深度一致，瓷磚的底面是一個(gè)平面。第二塊瓷磚磨削深度逐漸變小，其原因是，磨塊上的磨粒逐漸磨損，切入的深度變小，阻力變小，磨頭的氣缸壓力相應(yīng)變小。磨頭具有自適應(yīng)性，微微抬起，導(dǎo)致后面的瓷磚越磨越淺。

（3）試驗(yàn)4采用磨頭定深磨削，從表2試驗(yàn)4的磨削深度可以看出，后兩塊瓷磚磨削深度很均勻，瓷磚磨削底面很平整。但是第一塊瓷磚磨削不均勻，其原因是安裝誤差的存在，安裝后的磨塊不在同一個(gè)高度上，磨削一段時(shí)間之后，磨塊才能保持在一個(gè)高度上。因此，第一塊瓷磚磨削的深度就不一致。

綜上分析可知，傾斜式磨頭定深磨削可以保證瓷磚的平整度，不會(huì)出現(xiàn)U形底面。氣缸壓力式傾斜磨頭在運(yùn)行過程中具有自適應(yīng)性，可保證瓷磚加工深度的均勻性。試驗(yàn)的結(jié)果同時(shí)驗(yàn)證了傾斜軸磨頭磨削瓷磚的數(shù)學(xué)模型的正確性。

3 結(jié)語

建立了垂直式磨頭磨削過程的數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證了其正確性。垂直式磨頭磨削瓷磚后，瓷磚底面不平整，呈U形。在拋光機(jī)兩端位置，垂直式磨頭短時(shí)間的磨削無法改變瓷磚的不平整。傾斜式磨頭定深磨削深度均勻，瓷磚底面平整。只要逐漸加大傾斜式磨頭的氣缸壓力，就可以保證瓷磚磨削的平整度。傾斜式磨頭磨削可以有效地改善瓷磚U形表面缺陷。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了傾斜軸磨頭磨削過程數(shù)學(xué)模型的正確性。

[1]況學(xué)成，馬光華，朱小平，等.大規(guī)格拋光磚拋后變形問題的初步探討[J].中國(guó)陶瓷工業(yè)，2000（7）：8-20.

[2]鐘保民.磚坯拋光進(jìn)磚方向?qū)伖獯u平整度的影響[J].佛山陶瓷，2000（4）：23－25.

[3]馮浩，張柏清.墻地磚拋光機(jī)磨削均勻性分析及建模[J].陶瓷學(xué)報(bào)，1999，20（4）：220－225.

[4]Orts M J，Sanchez E，Gareia－Ten，et al.Porcelain Tile Behavior during Polishing[J].Bol.delaSoe.EsP.de Ceramicay Vidrio，2001，40：447－455.

[5]Hutchings I M，Xu Y，Sanchez E，et al.Porcelain Tile Microstructure：Implications for Polishability[J].Journal of the European Ceramic Society，2006，26（6）：1035－1042.

[6]Sanchez E，Ibanez M J，Garcia－Ten J，et al.Porcelain Tile Microstructure：Implications for Polished Tile Properties[J].Journal of the European Ceramic Society，2006，26（13）：2533－2540.

[7]Sousa J P F，Aurich J C，Weingaertner L，et al.Kinematics of a Single Abrasive Particle during the Industrial Polishing Process of Porcelain Stoneware Tiles[J].Journal of the European Ceramic Society，2007，27（10）：3183－3190.

[8]Xu X P，Huang H，Gao Ying，et al.Processes for the Generation of Glossiness on Ground Granites and Ceramics[J].Key Engineering Materials，2003，238（2）：99－104.

[9]Wang C Y，Kang T C，Qin Z，et al.How Abrasive Machining Affects Surface Characteristics of Vitreous Ceramic Tile[J].American Ceramic Society Bulletin，2003，82（10）：9201－9208.

[10]Tucci A，Esposito L，Malmusi L，et al.Wear Resistance and Stain Resistance of Porcelain Stoneware Tiles[J].Key Engineering Mater.，2002，206（2）：1759－1762.

[11]Braganca S R，Bergmann C P.A View of Whitewares Mechanical Strength and Microstructure[J].Ceramics Intenational，2003，29：801－806.

[12]李松，鄭超.拋光磚面磨拋均勻性淺析[J].陶瓷，2005（7）：19－22.

[13]湯迎紅，吳運(yùn)新，周鵬.陶瓷拋光機(jī)拋光盤凸輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2006（3）：58－60.

[14]吳南星，朱金貴，肖任賢.陶瓷用拋光機(jī)磨頭聲－結(jié)構(gòu)分析及噪聲控制[J].陶瓷學(xué)報(bào)，2009，30（1）：101－105.

[15]陳彩如，譚建平.大規(guī)格陶瓷磚拋光過程仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)陶瓷，2008，44（2）：45－48.

[16]郭立，李偉平.瓷質(zhì)磚拋光機(jī)磨削效率分析[J].中國(guó)陶瓷工業(yè)，1999（6）：14－20.

[17]李立，孫容熙，徐燕申，等.考慮切入效應(yīng)的立軸平磨再生穩(wěn)定性分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，1988，21（4）：78－86.

[18]王德全.砂輪特性與磨削加工[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[19]于振明.高效立軸磨削的一些實(shí)驗(yàn)室研究 [D].沈陽：東北大學(xué)，1989.

[20]于振明，宋振武.立軸平面磨削方式對(duì)磨削效果的影響[J].磨料磨具與磨削，1990（4）：6－10.