談高壓水流切割技術在建筑裝飾中的應用

康志涌

(山西省建筑設計研究院，山西太原 030013)

高壓水流切割技術是一種新型的切割工藝。雖然它問世很短，但是在切割工藝領域比起電鋸、電弧、激光切割等已經體現出了很多的優勢。而建筑裝飾中的石材拼花，是人們通過藝術構思，用石材來代替顏料拼接出來的精美的藝術圖案，并且具有媲美天然石材的自然紋理和色澤，是目前裝飾材料當中比較上檔次的產品。水刀拼花采用高壓水流切割技術來切割拼花板材，是石材拼花切割方法中的一種形式。本文從水刀石材拼花的技術原理、應用特性、石材選擇、產品加工等多方面來分析高壓水流切割技術在建筑裝飾中的應用。

1 高壓水流切割技術

1.1 工作原理

將水流通過一個高壓加壓器加壓至4 000 bar，使高壓水通過一個直徑很小的噴嘴(產生速度最高可達900 m/s的水柱)，以此來產生巨大的沖擊力。此水柱可以切割各種非金屬物質(塑料、紙類、玻璃、纖維等)。若要切割較硬的物質和金屬材料，需在水柱中混以砂料，這樣通過摩擦效應，增強水柱的切割能力。

1.2 應用特性

1)切割范圍廣:大部分材料都可以被切割(如:石材、金屬、塑料等)。2)切割質量好:平滑的切口，不會產生粗糙的，有毛刺的邊緣。3)切割精度高:其切割工件之精度介于0.1 mm～0.25 mm之間。工件之精度決定于機器之精度、切割工件之大小及厚度。

1.3 技術優勢

1)無切割方向之限制，可以完成各種不同的切割形狀。2)只用一種機器就可以完成鉆孔切割等多種功能，同時還可以降低加工成本，縮短加工時間。3)不產生有毒氣體，不污染環境，保證操作人員的身體健康。4)不需要二次加工，不會產生熱效應。5)切口細不會產生毛邊，切口光滑無熔渣，節約制造成本。6)無強光、刺耳噪聲及震撼感，既安全又環保。

1.4 工具選購

一套水切割設備主要由三個部分組成:工作平臺，數控控制柜和超高壓系統。

工作平臺:進行水刀切割的操作平臺，由程序控制帶動切割刀頭，對工件進行切割處理。

數控控制柜:是運動執行機構。與工作平臺分體，優點是數控系統遠離電機，減少對系統的干擾，減少平臺的工作環境對系統的影響，從而更加保證系統的穩定性。數控工作平臺的選擇:有龍門式和懸臂式兩種，主要根據切割材料尺寸的大小而定。

超高壓系統:通過高壓加壓器加壓至300 MPa～400 MPa，以此來產生巨大的沖擊力。不同的超高壓系統對零部件的加工在切割精度、切割效果、切割效率等方面有著直接的影響。超高壓系統的選擇，主要根據切割材料的品種、厚度、切割表面質量和切割速度等方面的要求而定。

2 水刀石材拼花

1)水刀石材拼花:

水刀石材拼花是采用高壓水流切割技術來切割拼花板材，是一種拼花板材的切割方式，水刀機是一種技術先進、工藝精良、方法獨特的加工設備，無論在加工質量、加工難度、加工效率，還是裝飾效果上都是目前加工復雜高難度拼花的最佳選擇。

2)石材水刀拼花選材要求:

a.不宜品種:

大花紋且價格高的石材。拼花的意義在于把幾種相對純色的價錢便宜的石材進行搭配組合達到華美的裝飾效果。因此那些價錢昂貴的本身色彩變化艷麗的石材不適用于拼花，或者說把它們用于拼花是一種浪費，而且使用之后有混亂、眩暈的感覺。

材質疏松容易掉皮的石材。由于材質疏松原因導致半年到一年內掉皮或者爆裂吃灰等現象，容易引起業主索賠的材料盡量不要在拼花中選用。

材質過軟或者過硬的石材(見圖1)。由于質地太軟或者太硬無法整體打磨的材料，如爵士白質地太軟，花崗石質地太硬，整體打磨容易蹦邊，如安哥拉棕。砂巖無法拋光，也不宜用于拼花。

圖1 質地不同的石材

有很多孔洞的石材(見圖2)。

圖2 不同種類的洞石

洞石一般都不作為拼花石材，原因是在整體打磨過程中石材粉末會進入洞石孔洞中形成無法清潔的污染。

b.常用選材:

大多數的石材拼花都是由大理石制作而成的。因為天然大理石具有質地細密、硬度適中、花紋豐富的特點，非常適合拼花的加工，同時還有一些新開發的砂巖和板巖用于拼花制作。

3)價格要素:

a.水刀拼花價格=材料費+加工費。

材料費=大板價格/出材率。

出材率=正常切割出材率(可重復利用越少切割出材率越小)+破損出材率(加工難度越大破損出材率越小)。

加工費:與切割長度正相關，圖案越復雜切割長度越大。

b.成本控制思路:

通過常用形成“常用材料帶”控制大板價格、提升正常切割出材率，從而控制材料費。

通過設計優化降低圖案復雜程度，控制破損出材率，間接降低加工費。

c.加工難度定性描述:

固定畫面里，整體尺寸越小加工難度越大;

曲線比直線加工難度大;

曲線越多越復雜加工難度越大;

線條越細加工難度越大，線條越長加工難度越大;

使用材料品種越多加工難度越大。

3 石材水刀拼花工藝流程

現在大多數的加工過程是利用電腦制圖軟件CAD和計算機數字控制程序CNC，把設計好的圖案通過CAD軟件轉化成NC程序，然后將NC程序再傳輸給數控水切割機，之后根據設計要求將選好的天然石材用數控水切割機切割成獨立的圖形組件，再由人工將各個組件組合拼接、修補粘貼成一個整體，最后打磨拋光。

石材拼花的加工主要分為5個步驟:模版設計、分件制作、調節拼組、添縫加固、打磨拋光。

1)模版設計:拼花模版的制作主要是根據具體的設計要求，在三合板上畫出拼花圖案并標明各個圖案需要的石頭種類。然后根據各個圖案的順序編號連接。接著用銳利的介刀，沿著圖案的外緣分別切割出每個圖形的模具。

2)分件制作:傳統方法是把之前所做模具的規格、形狀，準確的刻畫在選好的石板上，依次切割下來。不過目前大部分都是采用水刀(高壓水流)進行切割，而不需要制作模版，把所需要的各種數據輸入水刀數控設備，通過計算機控制，直接在板材上切割所需要的拼花圖案。

3)調節拼組:把割切好的拼花組件的預留部分慢慢磨至連接線位，使各個部分都能完美的貼合，再用較少的粘合劑確定位置，等到整幅拼花完成后再依次粘拼為整體圖案。

4)添縫加固:粘拼完成的整體圖案難免會存在一些縫隙或者留有加工時的一些小瑕疵，這時就需要對石材拼花進行添縫和修補。通常使用環氧樹脂、色料和石粉拌合調成所要修補添縫的石材顏色，等與石材顏色差不多相同的時候，加入一些催干劑混和，快速填補有縫隙的地方，等粘合劑干了之后去除表面色料。最后在整個石材拼花的背面覆蓋纖維紗網，涂上石粉淋樹脂，并進行抹平，使紗網與石板緊密粘合，起到加固拼花板面的效果。

5)打磨拋光:將粘貼好的石材拼花板材背面整理干凈平整，拼花板面朝上放在打磨臺上，打磨平滑直到沒有縫隙，最后用蠟拋光，這樣石材水刀拼花就完成了。

［1］藺寶鋼，陳雪華.城市雕塑藝術的成型與制作［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008:20-22.

［2］侯建華.建筑裝飾石材［M］.北京:化學工業出版社，2011:58.