異型石材制品加工技術(shù)與設備發(fā)展概述

　　摘要:為了解和分析國內外異型石材制品加工技術(shù)與設備的發(fā)展現狀與趨勢，研發(fā)新一代具有自主知識產(chǎn)權和國際水準的異型石材制品加工技術(shù)與設備提供理論依據，通過(guò)分析和比較不同種類(lèi)異型石材制品的加工方法和不同類(lèi)別的異型石材加工技術(shù)與設備的功能，得出異型石材加工設備正向著(zhù)高速高效化、智能化、人性化和單機設備多功能化的方向發(fā)展的結果。

　　結論是目前國內異型石材制品加工技術(shù)與設備與國外存在較大差距，研發(fā)新一代具有自主知識產(chǎn)權和國際水準的異型石材制品加工技術(shù)與設備是提升我國石材加工業(yè)整體水平的戰略需求。

　　近年來(lái)，隨著(zhù)人們生活水平的提高，石材制品越來(lái)越廣泛地被應用于建筑裝飾業(yè)。

　　伴隨著(zhù)石材制品業(yè)向著(zhù)高質(zhì)量、藝術(shù)化、多樣化方向的發(fā)展，市場(chǎng)對異型石材制品的種類(lèi)、形狀、精度和產(chǎn)品尺寸的要求愈來(lái)愈高、需求愈來(lái)愈大，異型石材加工裝備也向著(zhù)高速高效化、智能化、人性化和單機設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)體回轉體制品和雕刻制品等四大類(lèi)。

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

　　平面異型石材的加一般采用傳統的機械加工設備。設備通常配備-一個(gè)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(gè)方向運動(dòng)，配以圓盤(pán)銑刀或雕銑刀頭，可完成花線(xiàn)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2.2米。配備專(zhuān)門(mén)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對稱(chēng)中線(xiàn)的曲面板材制品，如內外圓弧板、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機械加工、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(gè)方向進(jìn)給，配以先進(jìn)的計算機仿形控制技術(shù)，可實(shí)現連續的加工。

　　圖1為山東大學(xué)石材工程技術(shù)研究中心研制的SSQ系列數控石材曲面加工設備。該設備采用了可靠的三坐標數控系統，刀具軸水平布置，鋸片或磨輪垂直切割。該設備可加工任意曲率、形狀的內、外曲面。

　　工作時(shí)，通過(guò)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)體回轉體制品及其加工技術(shù)實(shí)體回轉體制品指具有對稱(chēng)中線(xiàn)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)體可轉體制品一-般采用車(chē)削或鋸切加工工藝， 工件繞中心軸回轉，刀具沿X軸、Z軸方向進(jìn)給。由于石材為硬脆材料，主軸回轉速度不能太高，所以一般采用圓盤(pán)鋸。

　　鋸片動(dòng)刀頭與制品反方向回轉，實(shí)現 高速切削。在制品不發(fā)生回轉的情況下，使鋸片動(dòng)刀 頭在0° ~360° 之間轉動(dòng)，就可以加工出復雜的多棱體石柱。

　　國內石材圓柱體的成形--般采用柱帽機加 工，通過(guò)機械仿形技術(shù)加工復雜的回轉體形狀。國外 先進(jìn)的加工技術(shù)采用計算機仿形控制技術(shù)。

　　石材雕刻制品是指沒(méi)有對稱(chēng)中線(xiàn)以及具有復雜形 面的異型制品，包括復雜的平面浮雕和各種立體雕刻 制品。如復雜的畫(huà)框、壁爐飾面、各種樓梯扶手、立體人像、動(dòng)植物雕刻品等。

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

　　立體浮雕一般采用數控加工中心，可實(shí)現多軸聯(lián)動(dòng)， 擁有先進(jìn)的三維激光掃描系統、CAD/CAM圖形處理. 技術(shù)和多軸數控加工系統。

　　仿形加工是以制品模型為依據進(jìn)行的一-種機械加 工方式。國內用于石材加工的仿形設備多采用機械仿 形機構、液壓仿形系統等方式。機械仿形采用由連桿機構或平行四邊形機構組合 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體異型制品。

　　液壓仿形是將幾個(gè)液壓油缸和液壓閥組合而成- . 套液 壓仿形油路系統的一種加工方式，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(chē)床，可用于加 工圓柱、欄桿住、花瓶等母線(xiàn)是任意曲線(xiàn)的回轉體制 品，通過(guò)選配不同的動(dòng)力頭和配套機構，該機還可以 加工多棱柱、羅馬柱和球類(lèi)石材制品。

　　國外先進(jìn)的仿形加工設備使用激光掃描成像技術(shù) 和計算機仿形控制加I技術(shù)120，可以對較復雜的或不 易采用機械觸頭進(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軸的數字化機械仿型加工中心， 這套加工中心集鋸、雕刻、打磨、轉銑于一體。

　　繩鋸加工是在石材加工中的廣泛應用，主要是應為它具有顯著(zhù)提高了生產(chǎn)率和改善勞動(dòng)條件、保護環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。

　　主要表現在:串珠繩鋸用途多、線(xiàn)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(shí)、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在一-般都采用數控加工技術(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動(dòng)和工件與串珠鋸水平方向的相對運動(dòng)。

　　豎直方向的相對運動(dòng)有兩種實(shí)現方式，一種是采用串珠鋸上下移動(dòng)的方式，第二種方式采用工件底部頂升機構。第一種方式由于串珠鋸相對質(zhì)量較低，所以比較節約能源，且方便對進(jìn)給速度進(jìn)行調節，但是由于串珠鋸鋸架需要上下移動(dòng)，所以增加克鋸機的整體結構尺寸;

　　第二種方式則比較節省空間。水平方向的相對運動(dòng)也有兩種實(shí)現方式，一種是框架據沿固定導軌的平移運動(dòng)，同樣具有節約能源和速度可調節的特點(diǎn)，但是由于固定導軌不能移動(dòng)，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(dòng)的方式，同時(shí)框架據兩側可沿垂直導軌運動(dòng)，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，可以同時(shí)安裝三根金剛石串珠繩，主要用于加工石材圓弧板。同時(shí)該公司生產(chǎn)的VINCA-6型鋸機采用了先進(jìn)的五軸聯(lián)動(dòng)數控技術(shù)。

　　其外形結構、運動(dòng)方式與一般的金剛石串珠繩鋸整體機的形式基本相似，不同的是每側的飛輪可單獨升降，使金剛石串珠繩鋸與水平面成-定的角度，同時(shí)工件在工作臺上可以360°旋轉，可鋸切加工出空心螺旋柱等復雜的回轉立體石材制品。

　　除常見(jiàn)的串珠繩鋸異型石材鋸切設備外，還有一-些小型臺式串珠鋸機，專(zhuān)門(mén)用于加工拼花、曲線(xiàn)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(jiǎn)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(guò)程連續、切削力穩定、振動(dòng)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(lèi)石材標志加工，而且產(chǎn)品批量大，精度高。

　　數控高壓水射流切割機是由高壓水泵、工作主機和數控系統三部分組成。這種技術(shù)裝備造價(jià)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。

　　異型石材加工用數控車(chē)床主要用于加工簡(jiǎn)單的回轉體異型石材制品。加工工件繞固定軸轉動(dòng)，刀具相對工件作軸向運動(dòng)和垂直軸向進(jìn)給。因為石材是脆性材料，回轉轉速不易太高，為保證正常切削所需線(xiàn)速度，通常采用圓盤(pán)鋸代替普通的車(chē)刀。

　　圓盤(pán)鋸由高速電機帶動(dòng)旋轉固定在隨動(dòng)刀架上。數控系統采用普通二軸聯(lián)動(dòng)機床數控系統即可。由于其結構簡(jiǎn)單，直接對一般車(chē)床作簡(jiǎn)單的改進(jìn)就能夠使用，所以在國內被廣泛使用。

　　數控雕銑機主要用于簡(jiǎn)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(dòng)運動(dòng)控制。

　　圖3為國產(chǎn)美杰特MJT-1812D型石材雕銑機主 要用于墓碑加工，其最大加工尺寸為:寬2700mm、 長(cháng)2100mm、高1800mm,最大加工質(zhì)量為: 1500kg。

　　隨著(zhù)數控技術(shù)和多軸聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，五軸 聯(lián)動(dòng)控制的數控車(chē)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(chē)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(kāi)放式數控系統，可以加工人體石雕像等復雜的藝術(shù)制品。

　　圖4 為意大利OMAG公司設計的formacolonne--CN型加工中心，該加工中心采用4軸聯(lián)動(dòng)數字控制加工技術(shù)， 同時(shí)配有兩個(gè)工作頭。

　　異型石材數控加工中心一般采用龍門(mén)支柱式結 構，除水平工作臺外- -般還配有旋轉工作臺，主要用 于加工大型、復雜的異型石材制品。以美國North- wood公司Satellite XL型數控加工中心為例，該機采 用五軸聯(lián)動(dòng)數字控制技術(shù)，可以以任何角度加工5個(gè) 外形表面。其特點(diǎn)是快速、高效、可靠、安全，并且 具有自動(dòng)加緊裝置四。

　　隨著(zhù)多軸聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，異型石材加工設 備正在向單機設備多功能方向發(fā)展。如六維聯(lián)動(dòng)數控 繩鋸機、五軸聯(lián)動(dòng)車(chē)銑加工中心、五軸聯(lián)動(dòng)數控加工 中心等多軸加工設備，由先進(jìn)的CNC系統控制，可完成切割、鉆孔、車(chē)削、雕銑、磨削、拋光等功能于一體。

　　現代CAD/CAM軟件的發(fā)展加速了機床CAC技術(shù) 的發(fā)展速度。應用先進(jìn)的Pro/Engineer、 MasterCAM 等軟件進(jìn)行CAD/CAM設計加工，生成CAM程序可 直接用于CAC機床的加工。使用激光掃描與電腦成 像技術(shù)和基于PC的開(kāi)放式數控系統可以對珍貴的文 物等制品進(jìn)行仿真加工。

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

　　國外異型石材制品加工設備的開(kāi)發(fā)越來(lái)越重視對 加工環(huán)境的改善在設備的除塵、減震;設備的防護是; 工作環(huán)境更加安全，設備的外形設計上更加注重人性 化設計。

　　如意大利PELLEGRINI公司的S系列噴砂加! 工設備，配備專(zhuān)門(mén)的粉塵收集裝置，防止沙塵對工作 環(huán)境和操作者的污染。在設備外形設計上運動(dòng)人機工 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50年代德國CarlSalomon博士首次 提出高速切削概念以來(lái)，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀的發(fā)展，到I 本世紀初，高速切削技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國家得到普遍應用。

　　因為高速切削加工具有切削力降低、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(zhù)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、 高速切削機床、與石材高速切削相適應的刀具和對于 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)現顯 著(zhù)提高了工件的加工效率。同時(shí)國外在繩鋸加工中同 時(shí)使用多股繩鋸，在數控加T中心中同時(shí)使用多個(gè)工 作頭等方法的應用。

　　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用發(fā)展得很快。這是一種刀具簡(jiǎn)單，無(wú)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(lèi)石材標志的加工，而且產(chǎn)品批量大、精度高。

　　數控高壓水射流切，割機由高壓水泵，工作主機和數控系統三部分組成。這一技術(shù)裝備遠比現在生產(chǎn)使用的加工設備造價(jià)低，產(chǎn)品加工成本低，能耗低，而且磨損料和水可回收利用，設備應用范圍廣，是我國石材工業(yè)發(fā)展中值得重視的一項很有前景的新技術(shù)。

　　由于有關(guān)技術(shù)和關(guān)鍵的問(wèn)題還未得到完全徹底解決，故在國內石材加工中還沒(méi)得到廣泛應用，也顯著(zhù)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(shí)配備了4個(gè)工作頭。

　　目前，異型石材制品加工設備正向著(zhù)高速高效化、智能化、人性化和單機設備多功能化方向發(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)權的異型石材加工技術(shù)與設備對于推動(dòng)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)的機器產(chǎn)品也要不斷地創(chuàng )新，不斷 地推出新產(chǎn)品緊跟當今國際石材業(yè)發(fā)展的步伐。

　　石材的新產(chǎn)品如時(shí)尚的超薄板、石刻工藝等的生產(chǎn)，就需 要石材數控技術(shù)及機器裝備，今后如何開(kāi)發(fā)計算機數 字控制石材機械實(shí)現智能化、自動(dòng)化雕刻方向發(fā)展是 各個(gè)石材機械企業(yè)的技術(shù)創(chuàng )的新的課題。

　　從石材機械的發(fā)展趨勢可以看出，目前石材機械 設備的發(fā)展趨勢主要體現在三個(gè)方面:

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

　　可以預見(jiàn)，本世紀高效、環(huán)保、低能耗及自動(dòng)化依然是石 材機械發(fā)展和技術(shù)創(chuàng )新的主題。