李濤，張進(jìn)生，王經(jīng)坤，王志

(1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061;2.山東省石材工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)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(xué)性能在建筑裝飾業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但是樓梯扶手加工復(fù)雜，設(shè)備操作繁瑣，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大，生產(chǎn)效率低，制約著樓梯扶手加工技術(shù)的發(fā)展，難以滿足市場的要求[1];同時(shí)由于進(jìn)口加工設(shè)備價(jià)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(shè)備來滿足市場需求。為此，作者在工序集成及模塊化設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種加工石材樓梯扶手的專用設(shè)備。

1 石材樓梯扶手的加工技術(shù)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(diǎn)以及市場需求狀況，選擇了一種比較典型的樓梯扶手進(jìn)行研究，其橫截面是由曲線與若干直線段構(gòu)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(jìn)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(diǎn)為通過銑刀進(jìn)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(jì)算卡如表2所示。

表2 生產(chǎn)率計(jì)算卡

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

表3 現(xiàn)有扶手加工設(shè)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(shè)備，根據(jù)橫截面的特征及外廓曲面制定或選用相應(yīng)的銑磨輪對毛坯進(jìn)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(shè)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(yīng)地增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(2)加工設(shè)備功能單一，組成生產(chǎn)線需要多臺(tái)設(shè)備，占地面積大，搬運(yùn)量大，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

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

2 專用設(shè)備的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求:

(1)功能多，適應(yīng)性強(qiáng)，能夠適應(yīng)常見截面形狀樓梯扶手的自動(dòng)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(jī)工程學(xué)要求，操作應(yīng)便捷，容易掌握;

(4)便于維護(hù)。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，需要對樓梯扶手加工工藝進(jìn)行合理改進(jìn)，提高生產(chǎn)效率;在保證設(shè)備性能要求的情況下，考慮設(shè)備的成本，包括材料、加工制造費(fèi)用，從而提高使用經(jīng)濟(jì)效益;考慮人機(jī)關(guān)系，保證操作的方便、省力，解決使用維護(hù)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(diǎn)，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(shí)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(yàn)→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(shí)的相對運(yùn)動(dòng)也隨之確定，而機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(shí)，以有利于提高加工效率和質(zhì)量、操作、維護(hù)方便為原則[4]。

石材樓梯扶手的加工關(guān)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(yùn)動(dòng)，那么相應(yīng)的設(shè)備應(yīng)具備x、y、z 3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)部件，以滿足其加工要求。

為了快速響應(yīng)市場、降低產(chǎn)品開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，便于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組織及使用、維護(hù)，機(jī)械部分采用模塊化設(shè)計(jì)[5－7]。通過功能和運(yùn)動(dòng)分析，參考其他石材異型制品的加工設(shè)備，可設(shè)計(jì)出設(shè)備的整個(gè)功能體系，其中包括設(shè)備的功能、功能元、功能模塊以及各功能模塊對應(yīng)的實(shí)現(xiàn)部件等，如圖4所示。

圖4 專用加工設(shè)備功能分解

綜上所述，樓梯扶手加工設(shè)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(dòng)力頭模塊。通過各功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)接口連接組裝[7]，即可組成具有樓梯扶手加工功能的設(shè)備。

2.4 主要參數(shù)擬定

根據(jù)機(jī)床的設(shè)計(jì)原則，參照常用制品的規(guī)格參數(shù)，結(jié)合加工工藝，同時(shí)依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范(GB 50009)、中國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JC 202-92)、石材加工用金剛石磨具標(biāo)準(zhǔn)(JB 5205-1991)等，確定了設(shè)備的主要規(guī)格和技術(shù)參數(shù)，見表4。

表4 設(shè)備的主要規(guī)格和技術(shù)參數(shù)

2.5 方案設(shè)計(jì)

(1)設(shè)備的布局

設(shè)備的總體布局如圖5所示。該設(shè)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(tái)上，動(dòng)力頭模塊4 固定在豎直托板模塊2 上，同時(shí)帶動(dòng)銑刀6 作主運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)樓梯扶手的加工。輸送帶模塊1 帶動(dòng)工件，實(shí)現(xiàn)工件x 向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，把傳統(tǒng)加工樓梯扶手的固定式工作臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢宰詣?dòng)進(jìn)給的工作臺(tái)，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(dòng)動(dòng)力頭模塊4 作上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了刀具的y 向進(jìn)給運(yùn)動(dòng);人工調(diào)節(jié)水平托板模塊3可以實(shí)現(xiàn)工件的z 向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)[8－12]。

圖5 石材樓梯扶手專用加工機(jī)床簡圖

(2)設(shè)備的主要部件

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

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

(3)生產(chǎn)率的計(jì)算

在同一加工條件下，根據(jù)擬定的設(shè)備主要參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)有加工設(shè)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(jì)算卡如表5所示。

表5 生產(chǎn)率計(jì)算卡

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

表6 加工專用設(shè)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(shí)各減少3次，加工效率約為原來的3.5倍，相應(yīng)地工人勞動(dòng)強(qiáng)度、加工成本會(huì)大幅度降低，加工質(zhì)量會(huì)有很大程度的提高。

3 結(jié)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(shí)間，提高了加工效率;同時(shí)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(dòng)強(qiáng)度。

(2)采用模塊化設(shè)計(jì)，通過功能、運(yùn)動(dòng)分析，將設(shè)備結(jié)構(gòu)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(dòng)力頭模塊，便于設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及維護(hù);同時(shí)改變現(xiàn)有設(shè)備功能單一的缺陷，使一臺(tái)加工設(shè)備具有從粗加工到成品的功能集成的優(yōu)點(diǎn)，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(jì)性，降低了制造成本;輸送帶模塊采用高強(qiáng)度PVC 聚氯乙烯樹脂作工作臺(tái)面，使用方便、可靠，同時(shí)解決了臺(tái)面的防銹難題。

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