石材樓梯扶手加工專用設備的設計

李濤，張進生，王經(jīng)坤，王志

(1.山東大學機械工程學院，山東濟南250061;2.山東省石材工程技術研究中心，山東濟南250061)

隨著建筑裝飾業(yè)的發(fā)展以及人們對大自然的崇尚，石材樓梯扶手以其天然華麗的飾面效果、穩(wěn)定的物理化學性能在建筑裝飾業(yè)得到廣泛應用。但是樓梯扶手加工復雜，設備操作繁瑣，工人勞動強度較大，生產(chǎn)效率低，制約著樓梯扶手加工技術的發(fā)展，難以滿足市場的要求[1];同時由于進口加工設備價格昂貴，很難被我國市場和客戶接受，因此，迫切需要研發(fā)適合國內(nèi)市場的加工石材樓梯扶手的專用設備來滿足市場需求。為此，作者在工序集成及模塊化設計研究的基礎上，開發(fā)了一種加工石材樓梯扶手的專用設備。

1 石材樓梯扶手的加工技術現(xiàn)狀

1.1 石材樓梯扶手的加工工藝

石材樓梯扶手形狀、圖案各異，截面形狀歸納起來大體有以下幾種，如表1所示。

表1 樓梯扶手截面形狀分類

根據(jù)樓梯扶手的特點以及市場需求狀況，選擇了一種比較典型的樓梯扶手進行研究，其橫截面是由曲線與若干直線段構成的直線形樓梯扶手，長度一般在1 000 mm 左右，最寬處不超過100 mm，長徑比大約為10，如圖1所示。下面主要以此類樓梯扶手為例進行討論。

此類直線型樓梯扶手在石材制品中屬于花線制品，加工特點為通過銑刀進行單側(cè)銑削加工[2]，具體的加工流程如圖2所示。

圖2 石材樓梯扶手主要加工流程

根據(jù)市場調(diào)研，采用現(xiàn)有的加工工藝，加工大理石樓梯扶手，從毛坯(1 200 mm×60 mm×100 mm)至如圖1所示，生產(chǎn)率計算卡如表2所示。

表2 生產(chǎn)率計算卡

根據(jù)生產(chǎn)率計算卡，可以統(tǒng)計出一些相關的主要加工數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 現(xiàn)有扶手加工設備主要加工數(shù)據(jù)

1.2 加工中普遍存在的問題

目前傳統(tǒng)的石材樓梯扶手加工是利用石材磨拋設備，根據(jù)橫截面的特征及外廓曲面制定或選用相應的銑磨輪對毛坯進行加工[3]。

通過對現(xiàn)有石材市場樓梯扶手加工的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有加工工藝流程及設備普遍存在以下問題:

(1)加工工藝路線長，需多次更換工具和人工調(diào)整，相應地增加了工人的勞動強度。

(2)加工設備功能單一，組成生產(chǎn)線需要多臺設備，占地面積大，搬運量大，效率低，勞動強度大。

(3)多數(shù)企業(yè)的加工工藝參數(shù)一般是憑經(jīng)驗摸索的，生產(chǎn)成本高，保證質(zhì)量穩(wěn)定較難。

2 專用設備的設計

2.1 設計原則

設備的設計應滿足的基本要求:

(1)功能多，適應性強，能夠適應常見截面形狀樓梯扶手的自動化加工;

(2)加工精度高，加工效率高，生產(chǎn)成本低;

(3)造型美觀大方，符合人機工程學要求，操作應便捷，容易掌握;

(4)便于維護。

根據(jù)上述設計原則，需要對樓梯扶手加工工藝進行合理改進，提高生產(chǎn)效率;在保證設備性能要求的情況下，考慮設備的成本，包括材料、加工制造費用，從而提高使用經(jīng)濟效益;考慮人機關系，保證操作的方便、省力，解決使用維護中的問題[4]。

2.2 加工工藝方案的確定

針對現(xiàn)有樓梯扶手加工工藝流程繁瑣、加工效率不高等問題，根據(jù)樓梯扶手在長度方向上較大的特點，加工工藝采用工序集成，將粗加工、半精加工、精加工、拋光等工序集成在一起，并且有效利用自身重力固定加工位置，大大減少輔助時間，從而提高加工質(zhì)量和效率。具體加工流程如圖3所示。

圖3 石材樓梯扶手主要加工流程

綜上分析，可以最終確定樓梯扶手的加工工藝方案為:選擇石材坯料材質(zhì)→坯料的加工→坯料的工序集成加工(粗加工、半精加工、精加工、拋光)→清洗→檢驗→入庫。

2.3 功能規(guī)劃

根據(jù)上述工藝方案，那么刀具與工件在加工時的相對運動也隨之確定，而機床運動功能模塊的分配是由多方面因素決定的，一般是本著滿足性能要求的同時，以有利于提高加工效率和質(zhì)量、操作、維護方便為原則[4]。

石材樓梯扶手的加工關鍵是型面的成型加工，需要成形刀具相對于工件水平方向、豎直方向和前后方向(簡稱x、y、z 方向)運動，那么相應的設備應具備x、y、z 3個方向的運動部件，以滿足其加工要求。

為了快速響應市場、降低產(chǎn)品開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，便于設計、生產(chǎn)組織及使用、維護，機械部分采用模塊化設計[5－7]。通過功能和運動分析，參考其他石材異型制品的加工設備，可設計出設備的整個功能體系，其中包括設備的功能、功能元、功能模塊以及各功能模塊對應的實現(xiàn)部件等，如圖4所示。

圖4 專用加工設備功能分解

綜上所述，樓梯扶手加工設備分為五大功能模塊:支撐框架模塊、輸送帶模塊、豎直托板模塊、水平托板模塊和動力頭模塊。通過各功能模塊的標準接口連接組裝[7]，即可組成具有樓梯扶手加工功能的設備。

2.4 主要參數(shù)擬定

根據(jù)機床的設計原則，參照常用制品的規(guī)格參數(shù)，結合加工工藝，同時依據(jù)建筑結構載荷規(guī)范(GB 50009)、中國建材行業(yè)標準(JC 202-92)、石材加工用金剛石磨具標準(JB 5205-1991)等，確定了設備的主要規(guī)格和技術參數(shù)，見表4。

表4 設備的主要規(guī)格和技術參數(shù)

2.5 方案設計

(1)設備的布局

設備的總體布局如圖5所示。該設備采用臥式布局形式，支撐模塊5為基本的支撐框架，工件7 依靠自身重力放置在工作臺上，動力頭模塊4 固定在豎直托板模塊2 上，同時帶動銑刀6 作主運動，實現(xiàn)樓梯扶手的加工。輸送帶模塊1 帶動工件，實現(xiàn)工件x 向的進給運動，把傳統(tǒng)加工樓梯扶手的固定式工作臺轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢宰詣舆M給的工作臺，方便流水線作業(yè)，有利于批量生產(chǎn);豎直拖板模塊2 帶動動力頭模塊4 作上下移動，從而實現(xiàn)了刀具的y 向進給運動;人工調(diào)節(jié)水平托板模塊3可以實現(xiàn)工件的z 向進給運動[8－12]。

圖5 石材樓梯扶手專用加工機床簡圖

(2)設備的主要部件

根據(jù)機床的經(jīng)濟性能原則，機床床身的支撐模塊主要采用焊接件，大大降低了機床的成本。

輸送帶模塊采用高強度樹脂作為工作臺面，從而避免了目前的加工設備以鑄鐵為工作臺帶來的銹跡難以處理的難題。

(3)生產(chǎn)率的計算

在同一加工條件下，根據(jù)擬定的設備主要參數(shù)，結合現(xiàn)有加工設備加工樓梯扶手的具體數(shù)據(jù)，采用工序集成，加工相同毛坯(尺寸為1 200 mm×60 mm×100 mm)的大理石至同一形狀(如圖1所示)，得出生產(chǎn)率計算卡如表5所示。

表5 生產(chǎn)率計算卡

由此，可以統(tǒng)計出一些相關的主要加工數(shù)據(jù)，如表6所示。

表6 加工專用設備主要加工數(shù)據(jù)

對比表3與表6可以看出:在同樣的加工條件下，加工相同毛坯(尺寸為1 200 mm×60 mm×100 mm)的大理石，采用工序集成方法，工件的轉(zhuǎn)換、裝夾固定次數(shù)比傳統(tǒng)工藝加工時各減少3次，加工效率約為原來的3.5倍，相應地工人勞動強度、加工成本會大幅度降低，加工質(zhì)量會有很大程度的提高。

3 結束語

(1)采用工序集成，優(yōu)化了現(xiàn)有的加工工藝路線，減少了輔助時間，提高了加工效率;同時減少了加工過程中人工調(diào)整次數(shù)，減少了人為因素的影響，改善了加工質(zhì)量，也減輕了工人的勞動強度。

(2)采用模塊化設計，通過功能、運動分析，將設備結構劃分為支撐框架模塊、水平傳送帶模塊、豎直托板模塊、水平托板模塊和動力頭模塊，便于設備的設計、生產(chǎn)以及維護;同時改變現(xiàn)有設備功能單一的缺陷，使一臺加工設備具有從粗加工到成品的功能集成的優(yōu)點，縮小占地面積，便于批量生產(chǎn)，提高效率，降低成本。

(3)主要部件采用焊接件，工藝性好，具有良好的經(jīng)濟性，降低了制造成本;輸送帶模塊采用高強度PVC 聚氯乙烯樹脂作工作臺面，使用方便、可靠，同時解決了臺面的防銹難題。

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