拋光機(jī)磨頭磨削方式對磨削效果影響的試驗研究

邵俊鵬 徐 斌 李 沖

哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱，150080

0 引言

瓷磚加工表面質(zhì)量問題主要集中在瓷磚表面不平度上，產(chǎn)生表面質(zhì)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(chǎn)生不可逆的吸濕膨脹，不同部分因膨脹程度不同而產(chǎn)生不同的應(yīng)力，從而使坯體拋光后變形[1]。針對這些問題，文獻(xiàn)[2]根據(jù)磚坯平整度情況，統(tǒng)一磚坯進(jìn)拋光機(jī)方向，可解決磚坯加工過程中不平整的問題。文獻(xiàn)[3]建立了磨削均勻性的數(shù)學(xué)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(xiàn)[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(jī)械加工的難度有很大影響的結(jié)論。李松等[12]通過試驗得出瓷磚的拋光軌跡以及磨頭轉(zhuǎn)速對瓷磚拋光質(zhì)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(jī)水平方向的拋光過程進(jìn)行了建模和仿真，得出了平面拋光時當(dāng)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(guān)系。但拋光機(jī)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(zhì)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(chǎn)企業(yè)和拋光機(jī)設(shè)備生產(chǎn)廠家迫切要解決的問題。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，以擺動式拋光機(jī)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(zhì)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(jī)磨削瓷磚過程

因瓷磚的寬度大于磨頭的直徑，為了能夠?qū)⒄麄€瓷磚磨削完整，磨頭在運行過程中要進(jìn)行擺動。擺動式拋光機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣缸10驅(qū)動磨頭13壓向瓷磚。同時，橫梁擺動電機(jī)11驅(qū)動橫梁擺動變速箱12，經(jīng)過變速箱變速后驅(qū)動齒輪6旋轉(zhuǎn)，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(jī)11便驅(qū)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(jī)結(jié)

1.2 垂直軸磨頭磨削過程數(shù)學(xué)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(xué)表達(dá)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(xué)性能有關(guān)的系數(shù)；p為兩接觸表面的壓力，與時間t無關(guān)；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(xué)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(jié)果，以SD－281型12磨頭瓷磚拋光機(jī)為例進(jìn)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(zhuǎn)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(jié)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(jī)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(xué)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(jī)為例進(jìn)行試驗。將磨頭傾斜4mm后進(jìn)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(shè)置拋光機(jī)。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(jī)開始運行時，磨頭主軸電機(jī)7、磨頭主軸6及磨頭9旋轉(zhuǎn)，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(jī)1驅(qū)動著主動滾筒2轉(zhuǎn)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(jìn)。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(xué)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粒看作是理想狀態(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(zhuǎn)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(chǎn)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(zhì)量，磨頭傾斜4mm，α為0.4°。

由式（5）可知，在磨頭轉(zhuǎn)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(biāo)卡尺測出拋光軌跡的寬度。得出的試驗結(jié)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(jié)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(yīng)變小。磨頭具有自適應(yīng)性，微微抬起，導(dǎo)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(yīng)性，可保證瓷磚加工深度的均勻性。試驗的結(jié)果同時驗證了傾斜軸磨頭磨削瓷磚的數(shù)學(xué)模型的正確性。

3 結(jié)語

建立了垂直式磨頭磨削過程的數(shù)學(xué)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(jī)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(jié)果驗證了傾斜軸磨頭磨削過程數(shù)學(xué)模型的正確性。

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