通體瓷拋磚深加工技術(shù)的研究*

甄燕萍 夏昌奎,2 李雙文 余劍峰 樊葉利 謝明鋒 王美霞

(1 杭州諾貝爾陶瓷有限公司 浙江 杭州 3111001)(2 浙江大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院 浙江 杭州 310058)

前言

隨著市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們生活水平的日益提高，消費者對于建筑裝飾材料的要求從追求裝飾材料本身的理化性能，到現(xiàn)在的更加注重裝飾后的美學(xué)效果。天然石材質(zhì)感通透，紋理豐富自然，又可加工成各種異型線條，裝飾效果高貴典雅，被認(rèn)為是一種高檔的建筑裝飾材料[1]。

我國銷售的高檔天然石材多以進口為主，價格昂貴，同時天然石材作為自然材料，具有不可再生性，日漸枯竭；另外，天然石材質(zhì)軟，孔隙率較高，導(dǎo)致機械強度低、耐磨性差，加工的異型線條容易斷裂，工業(yè)應(yīng)用為了防止石材線條斷裂會在其背面穿入鋼筋加固，工序復(fù)雜，加工成本高。市場對天然石材裝飾效果的青睞，加之陶瓷磚裝飾手段和裝備技術(shù)的快速發(fā)展，仿天然石材紋理的通體陶瓷磚應(yīng)運而生，并逐漸形成一定規(guī)模[1-4]。

為逼真再現(xiàn)天然石材的立體加工工藝，將通體瓷拋磚制備技術(shù)與深加工技術(shù)相結(jié)合，使瓷拋磚的異型加工得到完美的實現(xiàn)。通過研究適合于通體瓷拋磚異型深加工的磨料和工藝路線，以及異型的設(shè)計，使表面與坯體內(nèi)部具有一致的色彩和紋理，拓展了如各種開槽、倒角等冷加工方式所形成的優(yōu)越裝飾效果，為進一步提升空間裝飾美感提供了可能性。

1 通體瓷拋磚的特點和產(chǎn)品形狀設(shè)計

1.1 通體瓷拋磚的特點

當(dāng)前市場上裝飾線條以天然石材加工線條為主，其主要原因是傳統(tǒng)瓷質(zhì)磚可加工性能差，容易出現(xiàn)開裂、崩瓷等現(xiàn)象，而且通體性也欠缺。通體瓷拋磚針對這些不足部分進行了技術(shù)方案改進提升，主要表現(xiàn)在多維通體布料技術(shù)的應(yīng)用和坯體配方的優(yōu)化。坯體配方盡可能降低氧化硅含量，提高氧化鋁組份并調(diào)整堿金屬及堿土金屬氧化物組成及含量。氧化鋁含量的提高保證了網(wǎng)絡(luò)形成離子的含量，提高了材料的力學(xué)性能，適量提高堿金屬或堿土金屬氧化物組份，可抵消由于氧化鋁的提高帶來的燒結(jié)溫度上升。石英含量的降低，減少了燒成后游離石英的含量，也降低了坯體的膨脹系數(shù)。瓷質(zhì)磚深加工性能差的主要原因是由于瓷磚內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力且分布不均勻。盡管有部分陶瓷企業(yè)通過降低窯爐冷卻帶的降溫速率來緩解由于冷卻過程中導(dǎo)致的應(yīng)力存在導(dǎo)致的深加工切割裂問題[5-9]。

由于配方中二氧化硅的存在，陶瓷磚冷卻至570 ℃溫度點時發(fā)生相變(α-石英轉(zhuǎn)變成β-石英)而產(chǎn)生應(yīng)力。從顯微結(jié)構(gòu)角度分析，二氧化硅在陶瓷結(jié)構(gòu)中的分布是不均勻的，從而導(dǎo)致應(yīng)力的分布不均勻，這是影響瓷拋磚是否具有優(yōu)異的深加工性能的一個重要原因，故在原坯體配方基礎(chǔ)上適當(dāng)降低了二氧化硅含量，提高氧化鋁及堿金屬離子含量有效提高了瓷拋磚的深加工性能。圖1為坯體配方存在礦化劑時的石英晶型轉(zhuǎn)變示意圖。

圖1 坯體配方存在礦化劑時的石英晶型轉(zhuǎn)變示意圖[5]

天然石材按材質(zhì)主要分為大理石、花崗巖、石灰石、砂巖與板石。大理石被定義為“包括結(jié)晶的碳酸鹽類巖石和質(zhì)地較軟的其它變質(zhì)巖類石材”，這類石材的硬度一般較小，屬于軟石材類，且結(jié)構(gòu)粒徑粗細(xì)不一，構(gòu)造成片狀。加工異型線條造型不易過窄，易斷裂。通體瓷拋磚采用瓷質(zhì)材料，具有高致密性、高硬度，結(jié)構(gòu)均一的特性。線條造型最小可達到15 mm，造型設(shè)計可塑性高，提升了瓷拋磚產(chǎn)品的藝術(shù)價值和經(jīng)濟價值。

由表1可知，通體瓷拋磚的吸水率、耐酸堿性能、耐污染性、機械強度和莫氏硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然大理石。表面耐磨性遠(yuǎn)超過天然大理石，如果直接采用天然大理石的原有深加工工藝是不適合通體瓷拋磚的。因此，深加工的磨料需深入研究，這也是解決通體瓷拋磚深加工的關(guān)鍵要點。

表1 通體瓷拋磚與天然大理石理化性能對比[1-6]

圖2 陰角線

1.2 產(chǎn)品形狀設(shè)計

通體瓷拋磚由于采用底面紋理、色澤相近的工藝手段，產(chǎn)品倒邊、開槽通體一致性好。但常規(guī)產(chǎn)品由于厚度的限制適用于弧度平緩的簡易造型。通體瓷拋磚采用通體加厚的工藝方式，厚度達到15 mm，與天然板材厚板最小厚度一致，適合于進一步的深加工，很大程度上提高了瓷拋磚異型線條造型設(shè)計的選擇性，通過反復(fù)試驗，最高點與最低點的立體弧度落差可控制在≤7 mm。如分別設(shè)計了陰角線(見圖2)、鏡框線(見圖3)、瓷拋磚的U型開槽(見圖4)，側(cè)面的法國邊(見圖5)及具有曲線型的踏板磚(見圖6)。產(chǎn)品可與天然石材加工的線條相媲美。

圖3 鏡框線

圖4 U型開槽(上方圖為通欄圖，尺寸27mm*125mm)

圖5 法國邊

圖6 曲線型的踏板磚

3 深加工磨料的研究與開發(fā)

可用于切削、研磨或拋光的材料稱為磨料。磨料是構(gòu)成刀具、磨具的主體，磨料的性能直接影響著刀具、磨具的切削、研磨性能，所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)被加工的類型與性能以及加工質(zhì)量要求來選擇磨料。

通體瓷拋磚制備過程中采用了性能俱佳的瓷質(zhì)材料，采用SIMM-TEC四大核心技術(shù)，新型瓷質(zhì)裝飾面材技術(shù)使產(chǎn)品表面更耐磨；立體噴墨滲花技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)顏料墨水表面噴墨技術(shù)，使得花紋更逼真立體；多維通體布料技術(shù)帶來瓷拋磚的表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)地紋理通體一致且連貫；表面微處理技術(shù)帶來產(chǎn)品光感的多樣性。瓷質(zhì)面料的高耐磨性使得瓷拋磚深加工需要使用的磨料應(yīng)當(dāng)具備以下基本性質(zhì)：

3.1 高硬度

磨料硬度越高，在整個瓷拋磚拋磨過程中，具有更高的研磨效率。在線條加工定型區(qū)段，為了保證一定的研磨效率，磨料的硬度一般應(yīng)高于被加工材料硬度的3～4倍，如果低于這個硬度，如要通過改變磨具性能和使用參數(shù)來提高研磨效率是相對困難的。

3.2 一定的韌性、塑性和抗破碎性

在研磨過程中磨料要有足夠的抗壓、抗折和抗沖擊能力。如果磨料抗破碎能力太弱，加工過程中磨料很快破碎，就難以進行有效的磨削。磨料的柔韌性可以緩沖磨頭垂直角度給予瓷拋磚的應(yīng)力，盡可能提高深加工產(chǎn)品的合格率。同時，一定的柔韌性及在磨削過程中不僅可以有效磨削還可以延長磨料的使用壽命。根據(jù)表2可知，磨料的配方結(jié)構(gòu)采用適量的酚醛樹脂、聚酯樹脂、尼龍纖維等有機物材料與高耐磨性的碳化硅混合，有機物的添加保證了磨料的韌性、塑性及抗破碎性，碳化硅添加起到切削、研磨或拋光作用。

3.3 與被加工材料不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)

磨料與被加工產(chǎn)品之間應(yīng)該不起化學(xué)反應(yīng)，以免造成磨粒鈍化、磨具堵塞產(chǎn)生產(chǎn)品表面顏色、光澤和耐污染性等性質(zhì)的改變。

通過反復(fù)試驗，對磨料的材質(zhì)與組合進行了改進，最終得出下表的排列為最優(yōu)的方案。表2為整個深加工過程中的加工步驟及對應(yīng)磨料的要求。

表2 磨料與材質(zhì)排列表[1-6]

4 生產(chǎn)工藝參數(shù)的確定

異型線條加工工藝流程主要分為三個階段：定型區(qū)段→拋光區(qū)段→修邊區(qū)段。

1、定型：定型機為4頭，線條曲線落差大(定型量大)，需要多次定型才能完成。1#、2#磨頭為粗磨輪(80目左右，磨輪開六道排削槽)如圖7所示。定性的工藝參數(shù)如下：

圖7 原理示意圖

①輸送皮帶帶速：0.5 m/min；

②轉(zhuǎn)速：1440 r/min；

要注意1#、2#磨輪刀的吻合性。同時，3#、4#磨頭為中細(xì)定型磨輪(120目～240目之間)，中定型量控制在0.2～0.3 mm(以消除粗定型的磨痕為準(zhǔn))，細(xì)定型量控制在0.10～0.15 mm(以消除中定型的磨痕為準(zhǔn))。

為了拋光質(zhì)量，經(jīng)過粗、中、細(xì)定型的坯板，要按先后順序排放，并按先后順序輸送至精拋機進行拋光(表2順序)。

2、拋光：線條拋光機，一般配置為6頭，主要完成粗、中、精拋的任務(wù)。

這一區(qū)段主要對異型線條拋光質(zhì)量、光澤度、磨痕進行相應(yīng)的調(diào)整(吻合性、磨削量的調(diào)整等)使產(chǎn)品達到良好的效果。

①輸送帶帶速：0.5 m/min；

②電源表：6 A；

③光澤度：≥55光澤單位。

3、修邊：用雙修邊線條拋光機進行修邊后，產(chǎn)品裝箱包裝即可。

為了更好的展現(xiàn)加厚瓷拋磚(15 mm)冷加工方式帶來的優(yōu)越裝飾效果，提升空間裝飾美感，根據(jù)運用場所的不同需求設(shè)計了不同的產(chǎn)品造型。線條類的異型加工設(shè)備主要采用了YXT-200線條定型機(見圖8)，定型采用定磨深方式進行磨削，由定型輪(不同曲線，視要求定)完成，拋光采用自動控制設(shè)定進給量進行自動補償，防止進給時的沖擊導(dǎo)致工件產(chǎn)生破損，是現(xiàn)時較為成熟的設(shè)備。

圖8 YXT-200線條定型機

曲線型踏板類的開槽產(chǎn)品主要采用了五軸橋式切割機(見圖9)。該設(shè)備是五軸全自動同步運行的切割加工設(shè)備，集合了傳統(tǒng)紅外線和現(xiàn)代數(shù)控橋切機的優(yōu)點，所有運轉(zhuǎn)軸在伺服電機的控制下快速精準(zhǔn)地移動，CNC操控各軸聯(lián)動，以更加簡易、直觀、高效的軟件操作系統(tǒng)進行加工繪圖，并直接輸出數(shù)控程序。用于加工任意形狀線條、圓弧邊、鴨嘴邊、直邊、斜邊、開防滑槽、干掛開槽、洗手臺加工及異形邊成型等。該設(shè)備加工功能強大，一機多用，占地小，能耗低，操作簡單，加工精準(zhǔn)，不同功能轉(zhuǎn)換快捷方便。圖10為通過深加工技術(shù)制備的具有異型規(guī)格尺寸的通體瓷拋磚。

圖9 五軸橋式切割機

圖10 異型通體瓷拋磚

5 結(jié)語

將瓷拋磚制備技術(shù)和全通體多維布料生產(chǎn)技術(shù)結(jié)合，生產(chǎn)出15 mm厚度的全通體瓷拋磚。通過TXT-200線條拋光機和五軸橋式切割機的運用開發(fā)及各種磨料的制備，研究出適合于通體瓷拋磚異型深加工的磨料和工藝路線，以及異型的設(shè)計，使加工面與表面具有一致的色彩、光澤和紋理，拓展了如各種開槽、倒角等冷加工方式所形成的優(yōu)越裝飾效果，可與天然大理石線條相媲美，其理化性能也更超越于天然石材。為進一步提升空間裝飾美感提供了可能性，可使通體瓷拋磚的異型加工得到完美的實現(xiàn)，也給設(shè)計師提供了更多的設(shè)計創(chuàng)意空間，提高了瓷拋磚替代石材的能力。