瓷磚拋光軌跡對(duì)振動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究

邵俊鵬，徐 斌

(哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

陶瓷拋光磚表面平整而且光亮，但是微觀結(jié)構(gòu)確是凹凸不平。對(duì)瓷磚微觀結(jié)構(gòu)的研究，國外對(duì)此做了大量研究。Hutchings等［1］對(duì)瓷磚的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，得出瓷磚微觀結(jié)構(gòu)對(duì)磨頭磨損的影響很大。Campos等［2－3］提出利用廢物生產(chǎn)瓷磚，并提出了瓷磚的回收和利用。Rahaman等［4－7］利用分類技術(shù)、智能機(jī)器對(duì)瓷磚的表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。加工瓷磚的主要設(shè)備是擺動(dòng)式瓷磚拋光機(jī)，Sousa等［8－10］對(duì)瓷磚加工過程中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析。李松等［11－12］通過試驗(yàn)得出瓷磚的拋光軌跡是呈“Z”字形。鐘保民等［13－14］研究得出瓷磚的進(jìn)磚方向會(huì)影響瓷磚的平整度和軌跡。瓷磚在加工過程中，由于擺動(dòng)式拋光機(jī)振動(dòng)的存在，致使瓷磚產(chǎn)生碎裂。國內(nèi)高校和企業(yè)都對(duì)瓷磚拋光機(jī)的振動(dòng)故障進(jìn)行了大量研究。如:湯迎紅等［15］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［16］用加水方法控制噪聲。陳彩如等［17］對(duì)拋光機(jī)水平方向的拋光過程進(jìn)行了建模和仿真，得出了平面拋光時(shí)當(dāng)量磨削量的分布規(guī)律。陳麗芬等［18］對(duì)利用功率譜分析磨頭的故障。程洪濤等［19－21］磨頭軸的模態(tài)、以及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析。上述已對(duì)瓷磚的微觀結(jié)構(gòu)、瓷磚的拋光軌跡、拋光機(jī)振動(dòng)進(jìn)行了研究。瓷磚的微觀結(jié)構(gòu)、瓷磚的拋光軌跡、拋光機(jī)振動(dòng)三者之間的關(guān)系及其影響卻沒有研究，也未見該類文章發(fā)表。而瓷磚微觀結(jié)構(gòu)軌跡對(duì)振動(dòng)卻有著重要影響，這也是企業(yè)所要迫切了解的問題。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，對(duì)粗、中、精拋工序中的瓷磚進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過SEM實(shí)驗(yàn)得出瓷磚的微觀軌跡;通過振動(dòng)實(shí)驗(yàn)得出拋光機(jī)磨頭的振動(dòng)，并得出瓷磚微觀軌跡對(duì)振動(dòng)的關(guān)系及其影響。研究結(jié)果對(duì)瓷磚、和磨頭的研究提供理論依據(jù)。

1 擺動(dòng)式磨頭的運(yùn)動(dòng)原理

瓷磚的寬度大于磨頭的直徑，為了完整加工瓷磚所需運(yùn)動(dòng)有:① 磨頭的轉(zhuǎn)動(dòng);② 磨頭的擺動(dòng)。③瓷磚的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。擺動(dòng)拋光磨頭的運(yùn)動(dòng)原理如圖1所示。傳送帶2驅(qū)動(dòng)瓷磚給進(jìn)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)磨頭1在橫梁的帶動(dòng)下，在A、B兩極限位置之間來回的擺動(dòng)。磨頭在瓷磚上的拋光軌跡如圖2所示。拋光軌跡為“Z”形軌跡。

2 磨粒破碎瓷磚模型

瓷磚的破碎過程為:在磨頭壓力F和扭轉(zhuǎn)力矩T的作用下，瓷磚表面首先生成粉屑，并在磨粒前面形成壓實(shí)體。在磨粒的擠壓和拉應(yīng)力的作用下，磨粒前方的瓷磚被壓碎成小塊，并飛濺出去。同時(shí)，在壓力F的作用下，磨粒下方產(chǎn)生裂紋，裂紋沿著與瓷磚表面垂直的方向和磨粒前進(jìn)的方向擴(kuò)展。與瓷磚表面平行的裂紋擴(kuò)展軌跡為弧形，最終擴(kuò)展到瓷磚表面，形成大塊磨屑。然后如此循環(huán)下去。如圖3所示。

由磨削破碎瓷磚過程都要經(jīng)歷由小塊脆裂到達(dá)塊崩裂的發(fā)展過程?？梢缘贸瞿チＦ扑榇纱u的過程具有間斷性。磨頭的壓力F的扭轉(zhuǎn)力矩T均隨著小塊的碎裂的出現(xiàn)而迅速波動(dòng)，并在主裂紋擴(kuò)展成大磨屑崩碎之前達(dá)到最大值。作用力迅速下降，磨粒前移，繼而重復(fù)磨削破碎過程。磨頭的壓力F隨著磨削深度H的增加而增加，這個(gè)規(guī)律也是磨削脆性材料的普遍規(guī)律。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 瓷磚微觀拋光軌跡

為了研究瓷磚表面不同部位的微觀軌跡，以SD－286型瓷磚拋光生產(chǎn)線為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的工序?yàn)榇謷?、中拋、精拋，?shí)驗(yàn)所用瓷磚規(guī)格為800 mm×800 mm。瓷磚成分為:石英、長石、高嶺土。在每道工序加工后的瓷磚中挑一塊瓷磚為對(duì)象，在瓷磚上取3個(gè)樣點(diǎn)，如圖4所示。樣點(diǎn)①對(duì)應(yīng)圖1中的磨頭的極限位置B，樣點(diǎn)②對(duì)應(yīng)圖1中的磨頭的極限位置A。對(duì)樣點(diǎn)進(jìn)行電鏡掃描，電鏡型號(hào)為:FEI Sirion。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5(b)，圖5(d)，圖5(f)是分別對(duì)圖5(a)，圖5(c)，圖5(e)同一點(diǎn)放大200倍后的微觀形貌圖。

圖5(a)，圖5(b)，圖5(e)，圖5(f)中樣點(diǎn)①、③的軌跡相互平行，并且間隔距離大，軌跡清晰。平行軌跡的深度大于樣點(diǎn)②的交叉軌跡。

圖4 瓷磚取樣點(diǎn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the sampling points of ceramics tile

由磨粒破碎瓷磚模型分析可知，磨頭磨削力F磨削深度的增加而增加。并且磨削力F在破碎瓷磚過程中是波動(dòng)的。因此，平行軌跡處的磨削力F及其波動(dòng)性大于軌跡交叉處的磨削力。

圖5(c)、圖5(d)為樣點(diǎn)②的形貌，該處軌跡相互交叉，交叉處的軌跡寬度大于平行寬度，交叉點(diǎn)中間堆積著大小形狀各異的磨屑，縱橫軌跡的扇形裂紋相互連接。裂紋擴(kuò)展面積進(jìn)一步擴(kuò)大，各軌跡間的未加工表面很難辨認(rèn)。軌跡交叉時(shí)，磨粒擠壓瓷磚所產(chǎn)生的裂紋趨向于，與其交叉的溝槽裂紋擴(kuò)展，因此，交叉處的磨粒在很小的磨削力F的作用下，可將瓷磚破碎。

王成勇等［22－23］利用金剛石對(duì)大理石進(jìn)行劃傷，得出切削軌跡交叉時(shí)的磨削力比切削軌跡平行時(shí)小30%～50%。大理石和瓷磚同屬脆性材料，該研究結(jié)果也有力的說明了，瓷磚軌跡交叉處的破碎現(xiàn)狀。

圖6、圖7是瓷磚中、精拋后瓷磚取樣點(diǎn)的形貌。從圖中可以看出，中、精拋不再是以裂紋擴(kuò)展破碎為主，中拋以犁溝為主，精拋以劃擦研磨為主。對(duì)比圖5～圖7看出，粗拋是脆性破碎，中、精拋是塑性流變。

從圖6、圖7中樣點(diǎn)①、②、③看出，樣點(diǎn)①、③的軌跡是平行軌跡，取樣點(diǎn)②是交叉軌跡。瓷磚在磨粒的壓力的作用下，平行軌跡發(fā)生塑性流變，將瓷磚的犁溝和劃痕缺陷填充，形成平整的表面。交叉軌跡處，刻痕清晰，無裂紋。

由于中精拋只是研磨，無微裂紋破碎，因此，磨削力F較小且波動(dòng)性很小。

3.2 磨頭振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

為了確定拋光機(jī)粗、中、精拋光加工階段磨頭在瓷磚取樣點(diǎn)上的振動(dòng)，按照表1參數(shù)進(jìn)行了磨削振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)SD－286型拋光生產(chǎn)線中的粗、精瓷磚拋光機(jī)磨頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)儀器為TV100測(cè)振儀、SD1406壓電式傳感器。利用壓電式傳感器測(cè)量X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)加速度。分別對(duì)粗、中、精拋工序拋光機(jī)上的每個(gè)磨頭在瓷磚3個(gè)樣點(diǎn)上測(cè)得X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)加速度數(shù)值，求平均數(shù)后的結(jié)果如表2所示。

前面分析得出，粗拋時(shí)，以脆性碎裂為主，平行軌跡處的磨削力大并且波動(dòng)大。交叉軌跡磨削力小，波動(dòng)也小。從表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出:粗拋磨頭在瓷磚3個(gè)取樣點(diǎn)上的振動(dòng)不一樣，樣點(diǎn)①、③的振動(dòng)大于樣點(diǎn)②的振動(dòng)。由前述所知，樣點(diǎn)①、③對(duì)應(yīng)著瓷磚的平行軌跡，樣點(diǎn)②對(duì)應(yīng)交叉軌跡。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.8 Schematic diagram of experimental equipment

表1 磨頭振動(dòng)加速度實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Vibration acceleration experimental parameter of grinding head

表2 磨頭振動(dòng)加速值對(duì)比表Tab.2 Numerical contrast of vibration acceleration of grinding head

中、精拋也表現(xiàn)出了同樣的特點(diǎn)。中、精拋以研磨拋光為主，磨削力小并波動(dòng)小。從表2看出，中、精拋的振動(dòng)小于粗拋。

綜上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析得出:平行軌跡處振動(dòng)大，交叉軌跡處振動(dòng)小。中、精拋以塑性流變?yōu)橹?，平行軌跡和交叉軌跡處的振動(dòng)都不大，相差很小。

平行軌跡對(duì)應(yīng)著瓷磚的兩端極限位置，交叉軌跡對(duì)應(yīng)著瓷磚的中間。即磨頭擺動(dòng)到兩端位置時(shí)，振動(dòng)大。而擺動(dòng)到瓷磚中間位置時(shí)，振動(dòng)小。中、精拋時(shí)，由于平行軌跡和交叉軌跡處的振動(dòng)相差很小，磨頭在整個(gè)擺動(dòng)過程比較平穩(wěn)。

4 結(jié)論

(1)瓷磚兩端拋光軌跡為平行軌跡，中間軌跡為交叉軌跡。

(2)平行軌跡處振動(dòng)大，交叉軌跡處振動(dòng)小。

(3)粗拋時(shí)，瓷磚以脆性碎裂為主。中、精拋時(shí)，以塑性流變?yōu)橹鳌?/p>

(4)粗拋時(shí)，振動(dòng)不平穩(wěn)，兩端大，中間小。中、精拋時(shí)，振動(dòng)平穩(wěn)。

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