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(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平的日益提高，消費(fèi)者對(duì)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(guó)銷(xiāo)售的高檔天然石材多以進(jìn)口為主，價(jià)格昂貴，同時(shí)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(jī)械強(qiáng)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(huì)在其背面穿入鋼筋加固，工序復(fù)雜，加工成本高。市場(chǎng)對(duì)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(yùn)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(shí)現(xiàn)。通過(guò)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(jì)，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(kāi)槽、倒角等冷加工方式所形成的優(yōu)越裝飾效果，為進(jìn)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(diǎn)和產(chǎn)品形狀設(shè)計(jì)

1.1 通體瓷拋磚的特點(diǎn)

當(dāng)前市場(chǎng)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(kāi)裂、崩瓷等現(xiàn)象，而且通體性也欠缺。通體瓷拋磚針對(duì)這些不足部分進(jìn)行了技術(shù)方案改進(jìn)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(lái)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(guò)降低窯爐冷卻帶的降溫速率來(lái)緩解由于冷卻過(guò)程中導(dǎo)致的應(yīng)力存在導(dǎo)致的深加工切割裂問(wèn)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(diǎn)時(shí)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(gè)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(shí)的石英晶型轉(zhuǎn)變示意圖。

圖1 坯體配方存在礦化劑時(shí)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(guò)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(dá)到15 mm，造型設(shè)計(jì)可塑性高，提升了瓷拋磚產(chǎn)品的藝術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)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(jī)械強(qiáng)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(guò)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(diǎn)。

表1 通體瓷拋磚與天然大理石理化性能對(duì)比[1-6]

圖2 陰角線

1.2 產(chǎn)品形狀設(shè)計(jì)

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(kāi)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(jiǎn)易造型。通體瓷拋磚采用通體加厚的工藝方式，厚度達(dá)到15 mm，與天然板材厚板最小厚度一致，適合于進(jìn)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(jì)的選擇性，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的立體弧度落差可控制在≤7 mm。如分別設(shè)計(jì)了陰角線(見(jiàn)圖2)、鏡框線(見(jiàn)圖3)、瓷拋磚的U型開(kāi)槽(見(jiàn)圖4)，側(cè)面的法國(guó)邊(見(jiàn)圖5)及具有曲線型的踏板磚(見(jiàn)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(kāi)槽(上方圖為通欄圖，尺寸27mm*125mm)

圖5 法國(guó)邊

圖6 曲線型的踏板磚

3 深加工磨料的研究與開(kāi)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(lái)選擇磨料。

通體瓷拋磚制備過(guò)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(lái)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(lái)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(gè)瓷拋磚拋磨過(guò)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(gè)硬度，如要通過(guò)改變磨具性能和使用參數(shù)來(lái)提高研磨效率是相對(duì)困難的。

3.2 一定的韌性、塑性和抗破碎性

在研磨過(guò)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(guò)程中磨料很快破碎，就難以進(jìn)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(shí)，一定的柔韌性及在磨削過(guò)程中不僅可以有效磨削還可以延長(zhǎng)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(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、尼龍纖維等有機(jī)物材料與高耐磨性的碳化硅混合，有機(jī)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(guò)反復(fù)試驗(yàn)，對(duì)磨料的材質(zhì)與組合進(jìn)行了改進(jìn)，最終得出下表的排列為最優(yōu)的方案。表2為整個(gè)深加工過(guò)程中的加工步驟及對(duì)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(gè)階段：定型區(qū)段→拋光區(qū)段→修邊區(qū)段。

1、定型：定型機(jī)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(kāi)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(shí)，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(guò)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(jī)進(jìn)行拋光(表2順序)。

2、拋光：線條拋光機(jī)，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(duì)異型線條拋光質(zhì)量、光澤度、磨痕進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整(吻合性、磨削量的調(diào)整等)使產(chǎn)品達(dá)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(jī)進(jìn)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(lái)的優(yōu)越裝飾效果，提升空間裝飾美感，根據(jù)運(yùn)用場(chǎng)所的不同需求設(shè)計(jì)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(jī)(見(jiàn)圖8)，定型采用定磨深方式進(jìn)行磨削，由定型輪(不同曲線，視要求定)完成，拋光采用自動(dòng)控制設(shè)定進(jìn)給量進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，防止進(jìn)給時(shí)的沖擊導(dǎo)致工件產(chǎn)生破損，是現(xiàn)時(shí)較為成熟的設(shè)備。

圖8 YXT-200線條定型機(jī)

曲線型踏板類的開(kāi)槽產(chǎn)品主要采用了五軸橋式切割機(jī)(見(jiàn)圖9)。該設(shè)備是五軸全自動(dòng)同步運(yùn)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)，所有運(yùn)轉(zhuǎn)軸在伺服電機(jī)的控制下快速精準(zhǔn)地移動(dòng)，CNC操控各軸聯(lián)動(dòng)，以更加簡(jiǎn)易、直觀、高效的軟件操作系統(tǒng)進(jìn)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(kāi)防滑槽、干掛開(kāi)槽、洗手臺(tái)加工及異形邊成型等。該設(shè)備加工功能強(qiáng)大，一機(jī)多用，占地小，能耗低，操作簡(jiǎn)單，加工精準(zhǔn)，不同功能轉(zhuǎn)換快捷方便。圖10為通過(guò)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(jī)

圖10 異型通體瓷拋磚

5 結(jié)語(yǔ)

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(guò)TXT-200線條拋光機(jī)和五軸橋式切割機(jī)的運(yùn)用開(kāi)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(jì)，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(kāi)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(jìn)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(shí)現(xiàn)，也給設(shè)計(jì)師提供了更多的設(shè)計(jì)創(chuàng)意空間，提高了瓷拋磚替代石材的能力。