瓷磚拋光軌跡對振動影響的實驗研究

邵俊鵬，徐 斌

(哈爾濱理工大學 機械動力工程學院，哈爾濱 150080)

陶瓷拋光磚表面平整而且光亮，但是微觀結構確是凹凸不平。對瓷磚微觀結構的研究，國外對此做了大量研究。Hutchings等［1］對瓷磚的微觀結構進行了研究，得出瓷磚微觀結構對磨頭磨損的影響很大。Campos等［2－3］提出利用廢物生產瓷磚，并提出了瓷磚的回收和利用。Rahaman等［4－7］利用分類技術、智能機器對瓷磚的表面缺陷進行檢測。加工瓷磚的主要設備是擺動式瓷磚拋光機，Sousa等［8－10］對瓷磚加工過程中的運動進行了分析。李松等［11－12］通過試驗得出瓷磚的拋光軌跡是呈“Z”字形。鐘保民等［13－14］研究得出瓷磚的進磚方向會影響瓷磚的平整度和軌跡。瓷磚在加工過程中，由于擺動式拋光機振動的存在，致使瓷磚產生碎裂。國內高校和企業都對瓷磚拋光機的振動故障進行了大量研究。如:湯迎紅等［15］優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］對拋光機水平方向的拋光過程進行了建模和仿真，得出了平面拋光時當量磨削量的分布規律。陳麗芬等［18］對利用功率譜分析磨頭的故障。程洪濤等［19－21］磨頭軸的模態、以及動態特性進行了分析。上述已對瓷磚的微觀結構、瓷磚的拋光軌跡、拋光機振動進行了研究。瓷磚的微觀結構、瓷磚的拋光軌跡、拋光機振動三者之間的關系及其影響卻沒有研究，也未見該類文章發表。而瓷磚微觀結構軌跡對振動卻有著重要影響，這也是企業所要迫切了解的問題。

本文在前人的研究基礎上，對粗、中、精拋工序中的瓷磚進行了實驗研究，通過SEM實驗得出瓷磚的微觀軌跡;通過振動實驗得出拋光機磨頭的振動，并得出瓷磚微觀軌跡對振動的關系及其影響。研究結果對瓷磚、和磨頭的研究提供理論依據。

1 擺動式磨頭的運動原理

瓷磚的寬度大于磨頭的直徑，為了完整加工瓷磚所需運動有:① 磨頭的轉動;② 磨頭的擺動。③瓷磚的進給運動。擺動拋光磨頭的運動原理如圖1所示。傳送帶2驅動瓷磚給進，同時旋轉磨頭1在橫梁的帶動下，在A、B兩極限位置之間來回的擺動。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體。在磨粒的擠壓和拉應力的作用下，磨粒前方的瓷磚被壓碎成小塊，并飛濺出去。同時，在壓力F的作用下，磨粒下方產生裂紋，裂紋沿著與瓷磚表面垂直的方向和磨粒前進的方向擴展。與瓷磚表面平行的裂紋擴展軌跡為弧形，最終擴展到瓷磚表面，形成大塊磨屑。然后如此循環下去。如圖3所示。

由磨削破碎瓷磚過程都要經歷由小塊脆裂到達塊崩裂的發展過程。可以得出磨粒破碎瓷磚的過程具有間斷性。磨頭的壓力F的扭轉力矩T均隨著小塊的碎裂的出現而迅速波動，并在主裂紋擴展成大磨屑崩碎之前達到最大值。作用力迅速下降，磨粒前移，繼而重復磨削破碎過程。磨頭的壓力F隨著磨削深度H的增加而增加，這個規律也是磨削脆性材料的普遍規律。

3 實驗

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型瓷磚拋光生產線為例進行實驗。實驗的工序為粗拋、中拋、精拋，實驗所用瓷磚規格為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象，在瓷磚上取3個樣點，如圖4所示。樣點①對應圖1中的磨頭的極限位置B，樣點②對應圖1中的磨頭的極限位置A。對樣點進行電鏡掃描，電鏡型號為:FEI Sirion。實驗結果如圖5～圖7所示。

圖5(b)，圖5(d)，圖5(f)是分別對圖5(a)，圖5(c)，圖5(e)同一點放大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②的交叉軌跡。

圖4 瓷磚取樣點示意圖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的。因此，平行軌跡處的磨削力F及其波動性大于軌跡交叉處的磨削力。

圖5(c)、圖5(d)為樣點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。裂紋擴展面積進一步擴大，各軌跡間的未加工表面很難辨認。軌跡交叉時，磨粒擠壓瓷磚所產生的裂紋趨向于，與其交叉的溝槽裂紋擴展，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］利用金剛石對大理石進行劃傷，得出切削軌跡交叉時的磨削力比切削軌跡平行時小30%～50%。大理石和瓷磚同屬脆性材料，該研究結果也有力的說明了，瓷磚軌跡交叉處的破碎現狀。

圖6、圖7是瓷磚中、精拋后瓷磚取樣點的形貌。從圖中可以看出，中、精拋不再是以裂紋擴展破碎為主，中拋以犁溝為主，精拋以劃擦研磨為主。對比圖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①、②、③看出，樣點①、③的軌跡是平行軌跡，取樣點②是交叉軌跡。瓷磚在磨粒的壓力的作用下，平行軌跡發生塑性流變，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較小且波動性很小。

3.2 磨頭振動實驗

為了確定拋光機粗、中、精拋光加工階段磨頭在瓷磚取樣點上的振動，按照表1參數進行了磨削振動試驗，對SD－286型拋光生產線中的粗、精瓷磚拋光機磨頭進行實驗，如圖8所示。實驗儀器為TV100測振儀、SD1406壓電式傳感器。利用壓電式傳感器測量X、Y、Z三個方向的振動加速度。分別對粗、中、精拋工序拋光機上的每個磨頭在瓷磚3個樣點上測得X、Y、Z三個方向的振動加速度數值，求平均數后的結果如表2所示。

前面分析得出，粗拋時，以脆性碎裂為主，平行軌跡處的磨削力大并且波動大。交叉軌跡磨削力小，波動也小。從表2的實驗數據得出:粗拋磨頭在瓷磚3個取樣點上的振動不一樣，樣點①、③的振動大于樣點②的振動。由前述所知，樣點①、③對應著瓷磚的平行軌跡，樣點②對應交叉軌跡。

圖8 實驗裝置Fig.8 Schematic diagram of experimental equipment

表1 磨頭振動加速度實驗參數Tab.1 Vibration acceleration experimental parameter of grinding head

表2 磨頭振動加速值對比表Tab.2 Numerical contrast of vibration acceleration of grinding head

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

綜上實驗數據和分析得出:平行軌跡處振動大，交叉軌跡處振動小。中、精拋以塑性流變為主，平行軌跡和交叉軌跡處的振動都不大，相差很小。

平行軌跡對應著瓷磚的兩端極限位置，交叉軌跡對應著瓷磚的中間。即磨頭擺動到兩端位置時，振動大。而擺動到瓷磚中間位置時，振動小。中、精拋時，由于平行軌跡和交叉軌跡處的振動相差很小，磨頭在整個擺動過程比較平穩。

4 結論

(1)瓷磚兩端拋光軌跡為平行軌跡，中間軌跡為交叉軌跡。

(2)平行軌跡處振動大，交叉軌跡處振動小。

(3)粗拋時，瓷磚以脆性碎裂為主。中、精拋時，以塑性流變為主。

(4)粗拋時，振動不平穩，兩端大，中間小。中、精拋時，振動平穩。

［1］ Hutchings I M，Xu Y，S'anchez E，et al.Porcelain tile microstructure:implications for polishability［J］.Journal of the European Ceramic Society，2006(6):1035－1042.

［2］ Campos L F A，Menezes R R，Lisboa D，et al.Experimental design to maximize the waste content in ceramic bricks and tiles［J］.Ceramica，2007(53):373－380.

［3］ El-Fadaly E，Bakr I M，Abo Breka M R.Recycling of ceramic industry wastes in floor tiles recipes［J］.Journal of American Science，2010(10):241－247.

［4］ Rahaman G M A，Hossain M M.Automatic defect detection and classification technique from image:a special case using ceramic tiles［J］.International Journal of Computer Science and Information Security，2009(5):22－30.

［5］ Keser T，Hocenski Z，Hocenski V.Intelligent machine vision system for automated quality control in ceramic tiles industry［J］.Strojarstvo，2010，52(2):105－114.

［6］ Sidjanin L，Rajnovic D，Ranogajec J，et al.Measurement of vickers hardness on ceramic floor tiles［J］.Journal of the European Ceramic Society，2007，27(2－3)1767－1773.

［7］ Costa C E，Petrou M.Automatic registration of ceramic tiles for the purpose of fault detection［J］.Machine Vision and Applica-tions，2000，11(5):225－230.

［8］ Sousa F J P，Hosse D S，Aurich J C，et al.Simulation and analysis of an alternative kinematics for improving the polishing uniformity over the surface of polished tiles［J］.Vboletin De La Sociedad Espanola De Ceramica，2010，49(4):247－252.

［9］ Suratwala T I，Feit M D，Steele W A.Toward deterministic material removal and surface figure during fused silica pad polishing［J］.Journal of the American Ceramic Society，2010，93(5):1326－1340.

［10］ Wang C Y，Wei X，Yuan H.Polishing of ceramic tiles［J］.Materials and Manufacturing Processes，2002，17(3):401－413.

［11］ 李 松，鄭 超，黃瑞文.拋光磚面磨拋均勻性淺析［J］.陶瓷，2005(7):19－22.LISong， ZHENG Chao，HUANG Rui-wen. Studyon homogeneity of the surface of polished tiles［J］.Ceramics，2005(7):19－22.

［12］ 郭 立，李偉平.瓷質磚拋光機磨削效率分析［J］.中國陶瓷工業，1999，6(4):14－20.GUO Li，LI Wei-ping.Analysis of grinding effi-ciency of ceramic tile polishing machine［J］.China Ceramics Industry，1999，6(4):14－20.

［13］ 鐘保民.磚坯拋光進磚方向對拋光磚平整度的影響［J］.佛山陶瓷，2000(4):23－25.ZHONG Bao-min.Effect of direction of incoming tile on the tile surface smoothness［J］.FoShan Ceramics，2000(4):23－25.

［14］ 況學成，馬光華，朱小平，等.大規格拋光磚拋后變形問題的初步探討［J］.中國陶瓷工業，2000(1):8－20.KUANG Xue-cheng， MA Guang-hua， ZHU Xiao-ping.Probing preliminary into deformation of polished tiles after polishing［J］.China Ceramics Industry，2000(1):18－20.

［15］ 湯迎紅，吳運新，周 鵬.陶瓷拋光機磨頭凸輪的改進設計［J］.機械工程師，2006(3):58－60.TANG Ying-hong，WU Yun-xin，ZHOU Peng. Improved design for grinding head’CAD of ceramic polishing machine［J］.Mechanical Engineer，2006(3):58－60.

［16］ 吳南星，朱金貴，肖任賢.陶瓷用拋光機磨頭聲－結構分析及噪聲控制［J］.陶瓷學報，2009，30(1):101－105.WU Nan-xing，ZHU jin-gui，XIAO ren-xian.Sound-structure analysis and noise control of ceramic polisher’s grinding head［J］.Journal of Ceramics，2009，30(1):101－105.

［17］ 陳彩如，譚建平.大規格陶瓷磚拋光過程仿真與實驗研究［J］.中國陶瓷，2008(44):45－48.CHEN Cai-ru，TAN Jan-ping.Numerical and exper-imental investigation into polishing process of large tiles［J］.China Ceramics，2008(44):45－48.

［18］ 陳麗芬，吳運新，周 鵬，等.功率譜分析在拋光機磨頭故障診斷中的應用［J］.機械工程師，2006(2):119－121.CHEN Li-fen，WU Yun-xin，ZHOU Peng，et al.Application of spectrum analysis in grinding head ofpolisher［J］.Mechanical Engineer，2006(2):119－121.

［19］ 程洪濤，尹小定，薛 麗，等.陶瓷拋光機磨頭主軸的模態分析［J］.佛山陶瓷，2008(11):26－28.CHENG Hong-tao，YIN Xiao-ding，XUE Li，et al.Modal analysis of grinding head mainshaft of ceramic polishing machine［J］.FoShan Ceramics，2008(11):26－ 28.

［20］ 陳 就.拋光機磨頭驅動部件的動態特性分析［J］.佛山陶瓷，2002(6):24－26.CHEN Jiu.Properties of driving part in polishing machine grinder［J］.FoShan Ceramics，2002(6):24－26.

［21］ 聶陶蓀，馮 浩.拋光機磨頭主軸動力分析［J］.中國陶瓷工業，2000(7):16－18.NIE Tao-sun，FENG Hao.The dynamic analysis of the primary shaft of the polisher grinding wheel［J］.China Ceramic Industry，2000(7):16－18.

［22］ Wang C Y，Clausen R.Marble cutting with single point cutting tool and diamond segments［J］.International Journal of Machine Tools＆Manufacture，2002，42(9):1045－1054.

［23］ 胡珊珊.金剛石工具磨削脆硬材料的加工表面形成機理［D］.廣東:廣東工業大學，2009.