石材的加工工艺与设备

第一节  影响石材加工性能的因素

一. 工艺内容：锯切、定厚（铣平）、表面加工（研磨、抛光、机刨、火烧、锤击、剁斧、喷砂、酸洗…）、切断、铣边、磨边、倒角、钻孔、开槽、修补、优化处理…

二. 影响石材加工性能的因素

1.岩石类型、矿物成分与含量：

（1）花岗石与大理石在锯切工艺参数上的差异，在磨抛材料上的不同；（2）花岗岩与辉长岩、玄武岩、角岩在火烧效果上的差异

（3）岩石结构构造的影响：粗粒结构易崩边，条带构造易断裂…

（4）石英含量高低对锯切效率的影响…；

（5）片状矿物对磨抛效果的影响

（6）沉积岩中胶结物成分对锯切磨耗率的影响，P63表1、表2中的试样8

2.切削力的大小与方向

试验结果表明：

（1）锯切石材时水平方向的切削力大大地小于垂直方向的切削力

（2）锯片磨耗率的大小与垂直切削力的大小有着完全一致的关系

3.加工设备与工具

三.加工工艺

表4.1-3    石材的加工工艺分类

           表4.1-4    金刚石圆锯片锯切花岗石工艺参数

表3、表4对于购买设备时比较设备技术性能的作用

四.石材可锯性的综合影响因素

综合测评的经验公式为：

Y=27.77－0.168B－0.12C－0.10D

式中：Y－锯片的抗磨损性能；  

      B－岩石的磨蚀性；

      C－岩石的肖氏硬度；

      D－石英体积的百分含量。

上述公式表明石材的磨蚀性、肖氏硬度和石材中石英的含量都影响到石材的可锯性，在这三者中尤以石材的磨蚀性对石材的可锯性影响最大（举例开刃材料与大洋红锯切）。

第二节  石材的通用加工设备与主要技术性能

一.石材的锯切设备

1. 框架式砂锯

（1）上摆式砂锯

① 基本结构：主电机、飞轮、连杆、曲柄；

锯框悬臂、锯框、锯条、四立柱框架、螺杆、升降电机

辅助设备：砂浆泵、洒浆车、钢砂添加器、钢砂分离器、液压张紧器、荒料台车

② 工作原理

③ 技术性能：

优点：可使用较薄的锯片，低能耗、低锯耗，出材率高，运动方式简单、设备磨损较小，成本低。

缺点：空行程占比例大（3/4～4/5）、效率低（10～20mm/h）

 （2）平移式砂锯

① 基本结构：主电机、飞轮、连杆、曲柄；

锯框、锯框导轨、锯条、四立柱框架、螺杆、升降电机

辅助设备：砂浆泵、洒浆车、钢砂添加器、钢砂分离器、液压张紧器、荒料台车。

② 工作原理

③ 技术性能：

缺点：应使用较厚的锯片，高能耗、高锯耗，高成本，低出材率。

优点：无空行程、效率高（30～40mm/h）。

  （3）复摆式砂锯

① 运动特点：

② 结构特点：如何实现复合曲线运动（图示说明）

a. 交叉式杠杆悬吊系统——Breton砂锯

b. 安装悬臂活节——Pellegrini砂锯

c. 增大或缩小锯框悬挂点——Gaspari下摆式砂锯

d. 由吊臂箱改变运动曲线——Tema、Simec砂锯

③ 技术性能：

集中了上述两类砂锯的优点，克服了这两类砂锯的缺点，因而具有高效率、低能耗、低锯耗、高出材率的优点，但是由于摆动系统结构较复杂，磨损大，维护工作量大。

 （4）框架式砂锯存在的问题与改进方向（观看录象）

2. 金刚石框架锯（图）

（1）基本结构

（2）锯条

（3）技术性能

3. 金刚石圆盘锯

（1）分类：

① 结构分类：单臂式、双柱式（龙门式）、框架式（四柱式或六柱式）、桥式

② 根据锯片直径：普通型（≤160cm）、中型（160～200cm）、大型（200～250cm）、巨型（≥250cm）

③ 根据锯片数量：单片锯、组合锯、多片组合（塔式）

  （2）单臂式金刚石圆盘锯

① 基本结构（图）

② 工作原理

③ 技术性能

  （3）双柱式金刚石圆盘锯（图）

  （4）框架式（双向）金刚石圆盘锯（图）

  （5）桥式组合锯

  4.金刚石绳锯（观看录象）

① 基本结构（图）

② 工作原理

③ 技术性能

④ 优点：P76

a. 锯机的结构与安装基础比较简单，辅助设备少，厂房占地面积可减少1/2～2/3；

b. 锯切效率高，锯切中等硬度的花岗石板材，一天可锯切250m2，相当于两台各装有120根锯条的大型框架锯的效率；

c. 操作方便，锯切精度高，多绳式金刚石串珠锯可快速地变換加工板材的厚度；

d. 板材的锯切面平整，而且杜绝了钢砂残粒嵌入板材锯切面的可能性，因此使磨抛的时间降低20％；

e. 锯切噪音小，工作环境好；

f. 能耗低，与框架式砂锯相比约可降低30%的电能消耗；

g. 消耗材料大为减少，对环境污染小。框架锯每锯切l㎡的花岗石板材需消耗3kg钢砂、1.5kg锯条、2kg石灰，而金刚石绳锯只消耗0.01kg金刚石绳。粗略估计，使用框架锯每年需弃置32.5万公斤废砂浆，对环境污染的严重性可想而知。以年产5万㎡的花岗石大板为例，金刚石绳锯产生的废渣只有框架式砂锯的1.5%左右，且废渣成分单一、外理方便。所以说金刚石绳锯是锯切石材大板的环保型机械设备。

  5.金刚石带锯

  6.金刚石筒锯

二.石材的磨抛设备

  1.磨抛的目的与要求

  2.检测方法与标准

  3.影响因素

  4.有关清晰度问题

  5.石材的抛光机理

  6设备类型

（1）手扶摇臂磨机

     ① 基本结构（普通磨机与升降磨机）（图示）

     ② 工作原理

     ③ 技术性能

     ④ 适用条件

  （2）小圆盘磨机

① 基本结构（图示）

     ② 工作原理

     ③ 技术性能

     ④ 适用条件

（3）桥式磨机

   ① 基本结构（图示）

   ② 工作原理

   ③ 技术性能

   ④ 适用条件

  （4）自动化连续磨机（观看录象）

① 基本结构（图示）

② 工作原理（重点分析磨头摇动的作用机理）

③ 技术性能

④ 适用条件

⑤ 基本要求：当连续磨机用于花岗石的研磨抛光时磨机的磨头数应不少于12个，而用于大理石磨抛加工的连续磨机磨头数不少于8个就可以了。

磨头的加压方式有液压的或气压的，当加工花岗石时宜用液压式加压，当加工大理石时宜用气压式加压。

  （5）定厚机（铣平机——Grinding Machine ）

     ① 用途：纠正厚度误差；消除沟槽纠正平整度；为磨光作准备。

     ② 类型：盘式与辊式

     ③ 基本结构

④ 工作原理

（介绍意大利布拉公司、Barsanti公司和Pedrini公司以及长荣公司的五种定厚机的结构、原理并比较其优缺点）

三.石材的切断设备

1. 切断工艺对设备的要求（切断与锯切的差异）：切断是低功率的精加工，对材料的规格尺寸、角度误差有较高的精度要求，并要求切面平整不崩边掉角，切断工序对成材率的高低影响较大。

2. 常用设备

（1）桥式切机

① 主要用途：

② 基本结构（图）工作原理

③ 技术性能

  （2）纵向切机

① 主要用途：

② 基本结构（图）（单刀或多刀切机）

③ 工作原理

④ 技术性能

  （3）横向切机

① 主要用途：

② 基本结构（图）（单刀或多刀切机）

③ 工作原理（比较纵向切机在运动原理上的差异）

④ 技术性能

（4）手拉切机

① 要用途：除了可用于切断工序外还是碑石、外栅、条石、灯笼、台板等异主形石材的重要造形设备。

② 基本结构（图）

③ 工作原理

④ 技术性能

  （5）组合式自动切边机

① 要用途：批量切割规格板材

②基本结构（图）

③工作原理

④技术性能

四.异形加工设备

  1.数控金刚石绳锯（图）

  （1）用途

  （2）性能

  （3）优缺点

  2.数控铣床（图）

  （1）用途：异形边部加工

  （2）性能

  （3）优缺点

  3.电脑水射流切割机（图）

  （1）用途

  （2）性能

  （3）优缺点

  4.电脑加工中心（图）

  （1）用途

  （2）性能

  （3）优缺点

第三节  薄板的加工设备与工艺过程（配合录象）

薄板：指厚度小于2cm的规格板

一.薄板的加工工艺及其适用条件

A工艺（先切后磨）：选料装車—锯切毛条板—定厚—研磨抛光—切断（纵切、横切）—磨边倒角—清洗—烘干—检验—修补—分色—包装。

B工艺（先磨后切）：选料装車—锯切毛条板—切断（纵切、横切）—定厚、研磨、抛光—磨边倒角—清洗—烘干—检验—修补—分色—包装。

C工艺（MAKRON加工法）：选料装車—锯切块料—锯切规格毛条板—定厚、研磨、抛光—横切—磨边倒角—清洗—烘干—检验—修补—分色—包装。

二.选料装车

原则：

1. 荒料的最大尺寸不能超过锯切设备的加工能力，荒料的最小尺寸必须满足锯切稳定性的要求；

2. 工程用料应根据工程所需的品种选用荒料，应使得同一工程的荒料在花色上协调一致，以保证良好的装饰效果。

3. 工程用料应根据所需的数量、荒料的成材率、加工中产品的合格率选用数量适宜的荒料，在保证工程用量的前提下尽量减少多余的加工量，以免造成浪费。

4. 根据产品的规格尺寸选用几何尺寸适宜的荒料，以免在荒料的长度和高度方向上留有过多的余量，使得荒料的利用率最高，提高成材率。 

5. 装車时荒料的大面应当平行于锯切面，以保证板材的花纹一致，并具有较好的力学性能，同时能提高锯切效率。

6. 荒料装車时，底部必须备有垫木，垫木必须垂直于锯切方向。垫木的截面应不小于20×15cm，以保证垫木能够承受荒料的压力；垫木的长度应与台車的宽度基本相等。

7. 当荒料表面不规整时，应当对荒料进行整形，以提高锯切效率，并减少无用的锯切。

三.锯切

1.选择锯片

要点：根据板材的规格选择直径适宜的锯片； 

      根据荒料的岩石类型和矿物成分选用适宜的刀头。

2.安装锯片

（1）砝兰盘的作用与直径选择

（2）锯片的旋转方向要始终一致

（3）锯片的安装精度要求与检测方法（P97）（图示说明）

3.锯切

（1）操作要点

（2）参数设定（P97）

四.定厚

控制厚度、修正平度

定厚的厚度控制=薄板的标准厚度+允许的正公差+磨抛工艺的加工余量

五.研磨抛光

  1.选择磨石：粒度、结合剂、组织、硬度；

要点：磨石性能应与毛板的粗糙度、成品板的光泽度以及磨抛设备、磨抛工艺相适合。

  2.磨抛工艺：

  （1）磨盘转速：高硬度、高石英含量的石材取低转速（6～12m/s）（P99第22行订正）

  （2）压力：粗磨与抛光压力增大，石英含量高、硬度高压力大（4～6kg/cm2）

  （3）磨盘移动速度：磨盘运动轨迹应当尽量少重叠，但不能不复覆盖。

石英含量高、硬度高移动速度慢（0.2～0.6/min）

  （4）用水量：水的用途：冷却、排屑、调节磨石硬度。

六.切断

 1.技术要求：根据  GB／T18601—2001标准规定

 2.设备要求：高精度、高稳定性、振动偏摆小、切缝细、直、平、不崩边

 3.锯片选择：常用直径200～400mm，窄槽型、锋利型锯片，配置大直径砝兰盘（约为锯片直径的1/2）

 4.锯片安装：精度要求与检测方法（P100表5）

 5.工艺参数：

 6.切割定位：重点介绍（图示说明）

七.磨边倒角：（略）（看录象解说）

八.粘结修补：（略，在优化处理时详述）

九.检验：

 1.标准依据：

 2.可量化标准与不可量化标准：由天然材料的特点作重点讲述；与贸易纠纷的关系。

 3.检验方法：

十.分色包装：

 1.分色的依据与技巧：（以G682为例）

 2.包装的目的：保护石材不受损、保证分色效果、便于搬运、贮存、保管、销售、使用…

 3.包装的要求：牢固、科学、经济、适销、方便、环保（塑料泡沫盒的白色污染与木质包装箱的熏蒸要求）

 4.包装形式：以外贸出口标准的305mm薄板为例。

第四节  大板的加工设备与工艺过程（配合录象）

一.锯切

 1.重要性：成本比例与成材性比例，重点分析P109表5.3-1

 2.设备：大直径金刚石圆盘锯、多绳式金刚石绳锯、框架式砂锯分别评述其优缺点与适用性；以框架式砂锯为主。

 3.工艺过程：框图表明十一道工序的关系。

 （1）选料：重点介绍

① 根据工程需求量与产品成材率备料，防止不足与过剩；

② 根据设备的技术性能与产品的规格尺寸选择荒料规格，既避免无用锯切、提高成材率，又使设备满负荷工作提高生产效率。

③ 同一台车的荒料必须高度相近、可锯性相同。（以P110、P111例1、例2说明）

④ 荒料大面平行于锯切面（从荒料的力学特征与石材的使用性能分析）。

⑤ 先整形、后锯切，减少无用加工量。（成方性与相对成方性概念及计算方法，P112-113）

 （2）吊装荒料（略）

 （3）固定荒料：详述三部分混凝土的作用与优缺点。

 （4）安装锯条：简介安装精度要求与锯条技术性能要求，详述两种安装方法的利弊。

  间隔板的计算方法，新安装的锯条先锯较长的荒料，第二、三车荒料长度递减。

 （5）下锯：简述锯切参数选择，分析锯切早期的下锯速度

 （6）出台车：分析为什么不能在锯镗内彻底清洗毛板

 （7）吊卸、清洗、检验毛板同时进行（检验的要点，以G611荒料为例）

 （8）清洗锯台、卸锯片、保养润滑…

二.砂锯的辅助设备及操作要点

 1.砂浆泵

 （1）作用

 （2）使用技术：

① 重点分析功率选择的重要意义，解析为什么配置与实用不一致；

② 通过计算说明选用适宜功率的砂浆泵对节能的意义；

③ 砂浆需求量计算方法说明

 （3）砂浆回流管与砂浆井的位置关系

 2.钢砂添加器

 （1）作用

 （2）影响钢砂需求量的因素

①荒料的长度；

②锯条数；

③落锯速度；

④岩石类型与力学性质；

⑤钢砂的硬度与耐磨性。

 （3）计算方法

Y=5N·L·W·V

式中：

Y－砂浆需求量；m3/h  

N－锯条数；    条  

L －荒料长度；  m 

W－锯缝宽度；  m

V －下锯速度；  m/h

 3.钢砂回收器（分离器）

 （1）作用：

 （2）钢砂的最佳粒度范围

 （3）钢砂回收器调控技术

当废浆中大于0.4mm钢砂多于8%时表明排浆持续时间太长；

当砂浆中小于0.4mm钢砂多于55%时表明排浆间隔时间太长。

 4.石灰混合器和灰浆搅拌桶（略）

5.液压张紧系统

（1）作用：

（2）结构：（图示说明）

（3）锯条受力分析：计算方法见P122～123要求学生重点掌握。

（4）使用要点：

① 根据剩余锯条宽度选择适宜的荒料高度

② 根据剩余锯条截面积调整液压张紧器拉力，使得既能张紧锯条，又不拉断锯条。

③ 选用宽度不同的锯条减少锯条浪费。

 例题：

已知每锯切下1m高度的荒料锯条宽度磨损18mm，厚度磨损0.25mm假设锯条的磨损是均匀的，如果液压张紧器使每根锯条受到55000N的拉力，锯条的抗拉强度为750MPa，当锯条的宽度为65mm，厚度为3.5mm时请计算这种锯条能锯下高度为多少的荒料？如果要锯切高度为1.50m高度的石材应如何调整液压张紧器？

（设锯条的极根強度为抗拉強度的0.5）10%

（1） 锯条的极根強度σp=750×0.5=375 Mpa

（2） 锯条断裂时的极限截面积A=F/σp=55000/375=146.67mm2

（3） 设该锯条可锯切Xm高的荒料，则：

    （65-18X）（3.5-0.25X）=146.67

           X1=1.087    X2=16.524（不合题意）

（4）锯切1.50m高度的石材后锯条截面积为：

     （65-18×1.5）（3.5-0.25×1.5）=118.75mm2

（5）锯条张紧力F=σp×A=375×118.75=44531.25N

三.砂浆工艺

  1.砂浆的成分：

    水：38.12% ；钢砂：23.74% ；石灰：5.56% ；石粉：32.39% ；比重1.749

  2.钢砂 

  （1）成分：钢砂∶钢丸=85∶15

  （2）粒度控制：P126      以25号钢砂为例说明

  3.石灰：

  （1）作用：

  （2）石灰添加量的确定———石灰钢砂系数（K）的计算

  （3）例题：

   已知使用摆式砂锯锯切比重为2.73的闪长岩时每锯切1平方米毛板消耗钢砂2.45kg，测得锯缝宽度为7.6mm，请计算每锯切1m2毛板需要添加多少石灰才能使砂浆始终保持在最佳状态？求石灰钢砂系数？

（1）锯切1m2毛板生成的石粉重量：0.0076×2.73×1000=20.748kg

（2）锯切1m2毛板需要添的石灰量：20.748×5.56/32.39=3.56kg

（3）K=3.56/2.45=1.45（即每添加1kg钢砂必须添加1.45kg石灰）

  4.水量的控制：砂浆井液位感应器（图）

  5.贮浆池：钢砂粒度级配的控制保障

详述作用原理

四.花岗石大板的磨光

  1.影响大板磨光的因素

  （1）设备性能——磨头数

  （2）毛板粗糙度

  （3）成品板的光泽度要求

  （4）磨抛工艺

  （5）磨具的性能与磨具号的配置

 2.连续磨机各磨头上磨具号的配置

 （1）磨具号与磨料的粒径：P132表5.3-8

 （2）计算方法

① 根据毛板的粗糙度确定第一个磨头上磨料粒径a1   a1=R2

② 根据磨光板所要达到的光泽度确定最后一个精磨磨块中磨料的粒径a n

精磨光泽度为55，磨料粒径应当为0.013，磨具号为1200号，抛光后可达85度

精磨光泽度为60，磨料粒径应当为0.010，磨具号为1500号，抛光后可达90度

精磨光泽度为65，磨料粒径应当为0.009，磨具号为1800号，抛光后可达95度

 ③ 计算等比系数Q

    ④ 计算其他磨头上的磨料粒径

     an ＝a n-1Q

 （3）例题

  使用16磨头的自动化连续磨机研磨加工粗糙度为0.95mm的花岗石板材，要求磨抛后板材的光泽度达到90度，請计算磨机上各磨头所用磨料的粒径。（设：使用3个磨头作抛光用）8%

 （1）第1个磨头上磨料的粒度：

α1=R2=0.952=0.9025

 （2）最后一个磨光磨头上磨料的粒度：

     因为抛光板光泽度为90度，所以最后磨光的光泽度为60度，第13个磨头上磨料的粒度α13=0.01

 （3）各磨头上磨料粒度的等比系数：

 （4）各磨头上磨料粒度：

α1=0.9025（mm）

α2=α1·Q=0.9025×0.6871=0.6201（mm）

α3=α2×Q=0.6201×0.6871=0.4261（mm）

α4=α3×Q=0.4261×0.6871=0.2928（mm）

α5=α4×Q=0.2928×0.6871=0.2012（mm）

α6=0.1383

…

3. 磨削工艺要素

根据根据国际机械生产工程研究组织〔CIRP〕提出的“当量切削厚度” 的概念，可表示为以下关系：

式中：

A－可以认为是磨具以一定速度从石材上切削下的切屑的厚度；

t －切削深度；

V1－磨盘相对于石材的移动速度；

V2－磨盘转速。

上式表明：要改善磨削质量，提高光泽度应当减小A；如果要提高磨削效率，刚应当提高A。所以粗磨时应增大磨盘压力（即增大t），同时降低磨盘转速（即减小V2），加快磨盘相对于石材的移动速度（即增大V1），即可提高磨削效率；反之细磨和精磨时，为了提高磨削质量应当减小磨盘压力，提高磨盘转速和降低磨盘相对于石板的移动速度。

实际上在连续磨机上无论是粗磨还是精磨，磨盘相对于石板的运动速度都是相同的。因此磨削工艺参数的选择主要考虑以下几点：

①磨削压力的大小与磨石的消耗成正比，也与磨削效率成正比。粗磨工序的磨头压力约为5～8bar，细磨和精磨时磨头压力约为3～6bar。

②传送带的前进速度与磨抛质量有关，应当按毛板的粗糙程度和石材的类型性质来选择，一般磨抛花岗石类板材时传送带的进给速度为0.2～0.6m/min；磨抛辉长岩、玄武岩类板材时传送带的进给速度为0.5～0.8m/min。

③磨机横梁的往复摆动速度约为4～10m/min，当石板较宽时取高值，石板较窄时取低值。

五.切断（略）

  1.设备：桥式切机

  2.工艺参数：

3.要点：放线——提高成材率

        配色——保证装饰效果

第五节  异形石材的加工设备与工艺过程（配合录象）

一.异形石材的类型

二.异形石材的加工特点

三.加工设备

四.工艺过程

五.质量标准

六.包装特点

第六节 石材厂的设计依据与设计方法

一.石材厂的类型及设备配置

  1.薄板厂

  2.大板厂

  3.碑石厂

  4.石雕厂（传统工艺与现代技术相结合的发展方向）

  5.异形石材厂（福建省异形石材的地位与优势）

  …

二.石材厂的组成

  1.生产设施

  2.生活设施

  3.管理设施

  4.仓库

三.设计内容

  1.厂区平面布置（以福州永德吉石材厂和莆田仁兴石材厂为例）

  2.车间平面工艺布置（以圣和、裕盛石材厂为例）

  3.生产工艺设计

  4.设备的选型与配套

  5.主体构筑物设计

  6.水循环系统设计

  7.环保措施

  8.技术经济分析

四.设计依据 

1. 委托方的要求：产品结构

规格尺寸（最大与最小尺寸）

产量

质量标准

荒料品种及其可加工性能

投资总额

服务年限

基建时间

2.设计方应收集的资料：

基建用地面积、形状及周边环境

水、电、路三通条件与给排水条件

建厂所在地的工资标准

地方政府的有关规定

环保要求

生产设备的技术参数、工艺性能、价格、质量、安装与操作要求、装机容量、能耗高低

交通运输条件

原材料供应条件

设备维修保养条件

技术工人的工艺素质与供应情况

五. 设备选型依据：

产品纲领与产品的规格尺寸

产量与质量要求

生产工艺要求与车间的工艺布置

原材料的可加工性能

设备的技术性能与价格

资金来源、投资金额

服务年限

六. 厂区布置原则

生产、生活、管理分区明确，有利各自使用目的，互不干扰；

美观、整洁、环保

例如：

荒料堆场不宜安排在厂区正面，应靠近锯切车间

生活区应远离锯切、造形等噪音大、粉尘多的车间

管理区（办公楼）应安排在厂区前面，污水沉淀池应靠近厂区后部或边部

仓库应紧临通道

宿舍楼应坐北朝南

…

七. 车间工艺布置原则：

节省投资

缩短基建周期

整齐有序、满足生产工艺要求、提高生产效率

总图运输合理，避免重复、交叉运输

生产安全、满足环保要求、合理的水循环系统