水刀切割在檢測陶瓷巖板可加工性中的應用

段蘊峰，區卓琨，吳清良，曹陽

（佛山市質量計量監督檢測中心，佛山 528000）

1 前言

陶瓷巖板是近2年出現的新型材料，是能夠替代天然石材、人造石材、木材、金屬、壁紙、涂料等行業的裝飾產品[1]。陶瓷巖板由于用途的跨界突破，性能指標較陶瓷磚相比更加強調了裝飾效果和力學性能要求。同時也要求陶瓷巖板在應用之前，必須機械加工至要求的形狀與尺寸。因此陶瓷巖板的可機械加工性能成為供需雙方關注的焦點。陶瓷巖板的可機械加工性能是指陶瓷巖板在切削、磨削、穿孔、切斷等機械加工過程中不發生非預期破壞、碎裂的性能。影響陶瓷巖板的可機械加工性能的因素非常復雜，原料配方、燒成制度、原件尺寸都會影響陶瓷巖板的可加工性。筆者提出了一種用水刀在陶瓷巖板表面切割特定圖案的測試方法，用于評價陶瓷巖板的可加工性好壞。

2 陶瓷巖板切割裂紋產生的原因

從微觀角度來看，陶瓷的機械加工是利用微裂紋集中或位錯造成的晶界塞積，以脆性的微崩碎去除材料。陶瓷巖板屬于脆性材料，硬度高但韌性差。在加工時，切割的磨料與巖板相互接觸，產生極高的應力和溫度，使巖板發生變形。由于巖板的韌性較差，所以當變形超過一定限度后，巖板破裂，即完成機械加工。

建立一個簡化的陶瓷巖板直線切割模型。切割點在陶瓷巖板從左到右一維移動。應力在切割點集中，且切割點右側的應力較大（圖1中黑色半橢圓曲線）。當應力超過陶瓷巖板可承受的最大應力（圖1中紅色框線），巖板發生斷裂。對于理想的陶瓷巖板，每個區域的可承受的最大應力都一樣。只有最右側的陶瓷巖板承受的應力超過可承受的最大應力，即陶瓷巖板的裂紋不斷向右側擴展，最終切割成為一條直線。而現實情況中，陶瓷巖板在燒制時，由于釉料與坯料的成分不同、靠內側和外側的冷卻速率不同，導致陶瓷巖板存在著應力。同時陶瓷巖板中存在著大量晶界、氣孔等缺陷。陶瓷巖板由于存在著應力和缺陷，導致某個區域可承受的最大應力各不一樣。而當切割點不是最右側地方可承受的應力比切割點的應力小時（如圖1所示），則裂紋則會選擇可承受的應力最小的地方擴展，即裂紋向著非預想的方向發展。最終就表現出來了陶瓷巖板的切割裂。

圖1 陶瓷巖板直線切割模型

從宏觀角度來看，機械加工造成了陶瓷巖板形狀的改變，打破了陶瓷巖板應力存在的穩定狀態。機械加工巖板后形成的尖角、孔洞、缺口、溝槽以及有剛性約束處及其鄰域會出現應力集中現象。當產生的應力超過了陶瓷巖板可承受的最大應力，即會引發材料斷裂。此外，陶瓷巖板在機械加工時不可避免的會受到來自機器產生的振動，進一步促進裂紋的擴展。

3 水刀切割在陶瓷材料的運用

早在20年前，水刀切割技術被稱為磨料水射流切割技術。2002年趙永贊等人就對磨料水射流切割工程陶瓷進行了理論和實驗分析，得出工程陶瓷切割深度基本上與磨料射作業工藝參數（水射流壓力，水流量），磨料參數（粒度，濃度）混合參數（噴嘴直徑）、切割工藝參數（靶距、噴嘴橫移速度）及被切割材料的物理力學性能等相關因素有一定的關系[2]。隨后馮衍霞等人對磨料水射流切割氧化鋁陶瓷的加工表面質量進行了試驗研究,對磨料水射流切割陶瓷的切口結構形狀進行了論述與分析,并分析了工藝參數對加工表面質量的影響[3]。在前人的理論基礎上，目前水刀已在陶瓷材料的切割得到廣泛的應用。特別是水刀加工精度高，切割面無毛邊，加工速度快，目前已經在陶瓷巖板的企業大范圍推廣使用。

4 水刀切割在檢測陶瓷巖板可加工性中的應用

按照陶瓷巖板切割裂紋產生的原因分析，第一需要在陶瓷巖板表面產生移動的切割點，同時在切割點產生一定的應力；第二需要在陶瓷巖板表面形成應力集中現象。即可進行陶瓷巖板可加工性的檢測。傳統的陶瓷巖板加工設備是橋切機，但是橋切機只能進行直線切割，雖然現在市面上已經出現五軸橋切機，但仍然比不上水刀靈活，水刀可進行挖孔、切圓、銳角切割等操作。

應用水刀檢測陶瓷巖板的可加工性需要選擇合適的加工圖案。分析陶瓷巖板切割裂紋產生的原因，得到兩個結論：1、切割的圖案應盡可能大面積覆蓋；2、切割的圖案能夠形成應力集中。常見在巖板加工時能夠形成應力集中的圖案有圓孔、尖角等。為了簡化測試方式，選擇尖角圖案作為切割的圖案。引用劉慶剛等人對V型缺口平板應力集中系數的結論——缺口處的應力集中系數與開口角度和尖端半徑有關[4]。其中開口角度為陶瓷巖板切割的尖角角度，尖端半徑是水刀切縫的寬度。由于水刀切割縫固定，因此通過調整切割的尖角角度從而滿足。根據劉慶剛等人的結論，當水刀切割縫為2.5mm時，開口角度為30°應力集中系數最大。因此選擇水刀切割尖角圖案為30°。最終得到圖2的切割圖案，用于檢測陶瓷巖板的可加工性。

圖2 陶瓷巖板的可加工性切割圖案

根據工廠實際情況選擇合適的水刀工作條件，將測試的陶瓷巖板使用圖2的切割圖案加工，觀察巖板是否出現碎裂、裂紋等情況。若無碎裂、裂紋等情況，則認為通過陶瓷巖板的可加工性檢測。

5 實驗驗證

收集5家廠商共12批次的陶瓷巖板進行測試，每批次巖板分為2組，第一組用于切割圖2陶瓷巖板的可加工性切割圖案，第二組用于圖3茶幾臺面的切割。經過測試，第一組共11批次巖板通過圖2的測試，1批次未通過；第二組12批次板全部通過圖3的測試。檢測有效率超過90%，說明圖2的陶瓷巖板的可加工性切割圖案能夠較好的反映出陶瓷巖板的可加工性。

圖3 陶瓷巖板茶幾臺面的切割圖案