邵俊鵬 徐 斌 李 沖

哈爾濱理工大學，哈爾濱，150080

0 引言

瓷磚加工表面質量問題主要集中在瓷磚表面不平度上，產生表面質量問題的原因有兩個：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生不可逆的吸濕膨脹，不同部分因膨脹程度不同而產生不同的應力，從而使坯體拋光后變形[1]。針對這些問題，文獻[2]根據(jù)磚坯平整度情況，統(tǒng)一磚坯進拋光機方向，可解決磚坯加工過程中不平整的問題。文獻[3]建立了磨削均勻性的數(shù)學模型，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[4-11]通過試驗得出拋光瓷磚在拋光過程中表面粗糙度的變化規(guī)律，同時得出拋光瓷磚氣孔的減少對機械加工的難度有很大影響的結論。李松等[12]通過試驗得出瓷磚的拋光軌跡以及磨頭轉速對瓷磚拋光質量影響的規(guī)律。針對這些問題，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、磨頭擺動三者之間的水平方向運動幾何關系。但拋光機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，是目前瓷磚生產企業(yè)和拋光機設備生產廠家迫切要解決的問題。

筆者在前人研究的基礎上，以擺動式拋光機磨頭為研究對象，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，并通過試驗研究來驗證該加工方式對瓷磚表面質量的改善效果。

1 垂直式磨頭加工瓷磚存在的問題

1.1 拋光機磨削瓷磚過程

因瓷磚的寬度大于磨頭的直徑，為了能夠將整個瓷磚磨削完整，磨頭在運行過程中要進行擺動。擺動式拋光機結構如圖1所示。氣缸10驅動磨頭13壓向瓷磚。同時，橫梁擺動電機11驅動橫梁擺動變速箱12，經過變速箱變速后驅動齒輪6旋轉，齒輪6與固定在橫梁支承座4上的齒條5嚙合。因此，橫梁擺動電機11便驅動著磨頭在X方向來回擺動，將瓷磚磨削完整。

圖1 擺動式拋光機結

1.2 垂直軸磨頭磨削過程數(shù)學模型

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

其中，S1為磨頭從A極限位置擺動到橫梁中間位置時，在dt時間內磨入深度為u0的瓷磚被磨掉的斷面積；S2為磨頭從A極限位置擺動到橫梁中間位置時，在dt時間內瓷磚被磨掉的斷面積；S3為磨頭在橫梁中間位置時，在dt時間內瓷磚被磨掉的斷面積；S4為磨頭從橫梁中間位置擺動到B極限位置時，在dt時間內瓷磚被磨掉的斷面積；S5為磨頭從橫梁中間位置擺動到B極限位置時，在dt時間內磨入深度為u0的瓷磚被磨掉的斷面積；u0為磨頭剛接觸瓷磚時，磨削瓷磚的深度；du為磨頭隨時間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，瓷磚表面上某點在0～t時間內的瓷磚磨削深度du為[15]

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

將（2）式代入（1）式得

從建立的瓷磚數(shù)學模型及圖2可以看出，磨頭擺動磨削時，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

為了驗證這個結果，以SD－281型12磨頭瓷磚拋光機為例進行試驗。試驗條件如下：磨頭的壓力為0.2MPa，磨頭擺動速度為0.2m／s，磨頭轉速為475r／min，磨塊的粒度號為320，精拋瓷磚2塊，瓷磚的規(guī)格為800mm×800mm。試驗時間為2.7min。

試驗分兩種情況：磨頭在兩個極限位置A、B不做停留；磨頭在兩個極限位置A、B停留3s。在試驗后的瓷磚上取10個點，測量磨削深度。測點如圖3所示。試驗測量結果如圖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，但是比不停留時有所改善。

圖3 磨頭磨削軌跡

圖4 磨頭兩端不停留時的瓷磚磨削深度

因此，垂直式的磨頭磨削瓷磚后，瓷磚兩端高、中間低，即使磨頭在拋光機兩端做停留，也無法改善瓷磚表面不平整的現(xiàn)狀。同時也驗證了所建垂直式磨頭磨削過程數(shù)學模型的正確性。

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

以SD－281型12磨頭瓷磚拋光機為例進行試驗。將磨頭傾斜4mm后進行試驗，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)設置拋光機。拋光試驗中，每次試驗均使用表面涂過納米液的3塊瓷磚，磨削時間為2.7min。拋光機開始運行時，磨頭主軸電機7、磨頭主軸6及磨頭9旋轉，同時氣缸5帶動磨頭壓向瓷磚。氣缸5帶動磨頭9下壓的同時，傳送帶電機1驅動著主動滾筒2轉動，主動滾筒2帶動著傳送帶11，以及放置在上面的瓷磚10前進。3塊瓷磚挨個擺放在一起，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 磨頭實驗參數(shù)

圖6 傾斜軸磨頭運行原理

2.2 傾斜軸磨頭磨削深度數(shù)學模型

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為傳動帶速度；n2為磨頭轉速；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，瓷磚上每一點的磨削時間是相同的。磨削后瓷磚表面不會產生兩端高、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量，磨頭傾斜4mm，α為0.4°。

由式（5）可知，在磨頭轉速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，而這兩個參數(shù)又是由磨頭壓力決定的。磨頭壓力浮動時，磨粒的磨削深度h也是浮動的。磨頭的壓力恒定，則磨粒磨削深度h也恒定。

在試驗后的瓷磚上取點，用深度測量儀測出磨削深度。用游標卡尺測出拋光軌跡的寬度。得出的試驗結果如表2、圖8。

表2 瓷磚測點磨削深度

圖8 瓷磚磨削后軌跡以及測點圖

2.3 試驗結果分析與討論

（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，磨頭開始運行時，磨頭磨塊磨粒比較鋒利，磨削一段時間后，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個試驗的瓷磚測點深度上可以看出，第一塊瓷磚各點的磨削深度一致，瓷磚的底面是一個平面。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變小。磨頭具有自適應性，微微抬起，導致后面的瓷磚越磨越淺。

（3）試驗4采用磨頭定深磨削，從表2試驗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高度上，磨削一段時間之后，磨塊才能保持在一個高度上。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，不會出現(xiàn)U形底面。氣缸壓力式傾斜磨頭在運行過程中具有自適應性，可保證瓷磚加工深度的均勻性。試驗的結果同時驗證了傾斜軸磨頭磨削瓷磚的數(shù)學模型的正確性。

3 結語

建立了垂直式磨頭磨削過程的數(shù)學模型，并驗證了其正確性。垂直式磨頭磨削瓷磚后，瓷磚底面不平整，呈U形。在拋光機兩端位置，垂直式磨頭短時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。試驗結果驗證了傾斜軸磨頭磨削過程數(shù)學模型的正確性。

[1]況學成，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].中國陶瓷工業(yè)，2000（7）：8-20.

[2]鐘保民.磚坯拋光進磚方向對拋光磚平整度的影響[J].佛山陶瓷，2000（4）：23－25.

[3]馮浩，張柏清.墻地磚拋光機磨削均勻性分析及建模[J].陶瓷學報，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，吳運新，周鵬.陶瓷拋光機拋光盤凸輪的改進設計[J].機械設計，2006（3）：58－60.

[14]吳南星，朱金貴，肖任賢.陶瓷用拋光機磨頭聲－結構分析及噪聲控制[J].陶瓷學報，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驗研究[J].中國陶瓷，2008，44（2）：45－48.

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

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

[18]王德全.砂輪特性與磨削加工[M].北京：中國標準出版社，2001.

[19]于振明.高效立軸磨削的一些實驗室研究 [D].沈陽：東北大學，1989.

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