瓷砖抛光轨迹对振动影响的实验研究

邵俊鹏，徐 斌

(哈尔滨理工大学 机械动力工程学院，哈尔滨 150080)

陶瓷抛光砖表面平整而且光亮，但是微观结构确是凹凸不平。对瓷砖微观结构的研究，国外对此做了大量研究。Hutchings等［1］对瓷砖的微观结构进行了研究，得出瓷砖微观结构对磨头磨损的影响很大。Campos等［2－3］提出利用废物生产瓷砖，并提出了瓷砖的回收和利用。Rahaman等［4－7］利用分类技术、智能机器对瓷砖的表面缺陷进行检测。加工瓷砖的主要设备是摆动式瓷砖抛光机，Sousa等［8－10］对瓷砖加工过程中的运动进行了分析。李松等［11－12］通过试验得出瓷砖的抛光轨迹是呈“Z”字形。钟保民等［13－14］研究得出瓷砖的进砖方向会影响瓷砖的平整度和轨迹。瓷砖在加工过程中，由于摆动式抛光机振动的存在，致使瓷砖产生碎裂。国内高校和企业都对瓷砖抛光机的振动故障进行了大量研究。如:汤迎红等［15］优化了抛光盘的凸轮曲线，解决了柔性冲击问题。吴南星等［16］用加水方法控制噪声。陈彩如等［17］对抛光机水平方向的抛光过程进行了建模和仿真，得出了平面抛光时当量磨削量的分布规律。陈丽芬等［18］对利用功率谱分析磨头的故障。程洪涛等［19－21］磨头轴的模态、以及动态特性进行了分析。上述已对瓷砖的微观结构、瓷砖的抛光轨迹、抛光机振动进行了研究。瓷砖的微观结构、瓷砖的抛光轨迹、抛光机振动三者之间的关系及其影响却没有研究，也未见该类文章发表。而瓷砖微观结构轨迹对振动却有着重要影响，这也是企业所要迫切了解的问题。

本文在前人的研究基础上，对粗、中、精抛工序中的瓷砖进行了实验研究，通过SEM实验得出瓷砖的微观轨迹;通过振动实验得出抛光机磨头的振动，并得出瓷砖微观轨迹对振动的关系及其影响。研究结果对瓷砖、和磨头的研究提供理论依据。

1 摆动式磨头的运动原理

瓷砖的宽度大于磨头的直径，为了完整加工瓷砖所需运动有:① 磨头的转动;② 磨头的摆动。③瓷砖的进给运动。摆动抛光磨头的运动原理如图1所示。传送带2驱动瓷砖给进，同时旋转磨头1在横梁的带动下，在A、B两极限位置之间来回的摆动。磨头在瓷砖上的抛光轨迹如图2所示。抛光轨迹为“Z”形轨迹。

2 磨粒破碎瓷砖模型

瓷砖的破碎过程为:在磨头压力F和扭转力矩T的作用下，瓷砖表面首先生成粉屑，并在磨粒前面形成压实体。在磨粒的挤压和拉应力的作用下，磨粒前方的瓷砖被压碎成小块，并飞溅出去。同时，在压力F的作用下，磨粒下方产生裂纹，裂纹沿着与瓷砖表面垂直的方向和磨粒前进的方向扩展。与瓷砖表面平行的裂纹扩展轨迹为弧形，最终扩展到瓷砖表面，形成大块磨屑。然后如此循环下去。如图3所示。

由磨削破碎瓷砖过程都要经历由小块脆裂到达块崩裂的发展过程。可以得出磨粒破碎瓷砖的过程具有间断性。磨头的压力F的扭转力矩T均随着小块的碎裂的出现而迅速波动，并在主裂纹扩展成大磨屑崩碎之前达到最大值。作用力迅速下降，磨粒前移，继而重复磨削破碎过程。磨头的压力F随着磨削深度H的增加而增加，这个规律也是磨削脆性材料的普遍规律。

3 实验

3.1 瓷砖微观抛光轨迹

为了研究瓷砖表面不同部位的微观轨迹，以SD－286型瓷砖抛光生产线为例进行实验。实验的工序为粗抛、中抛、精抛，实验所用瓷砖规格为800 mm×800 mm。瓷砖成分为:石英、长石、高岭土。在每道工序加工后的瓷砖中挑一块瓷砖为对象，在瓷砖上取3个样点，如图4所示。样点①对应图1中的磨头的极限位置B，样点②对应图1中的磨头的极限位置A。对样点进行电镜扫描，电镜型号为:FEI Sirion。实验结果如图5～图7所示。

图5(b)，图5(d)，图5(f)是分别对图5(a)，图5(c)，图5(e)同一点放大200倍后的微观形貌图。

图5(a)，图5(b)，图5(e)，图5(f)中样点①、③的轨迹相互平行，并且间隔距离大，轨迹清晰。平行轨迹的深度大于样点②的交叉轨迹。

图4 瓷砖取样点示意图Fig.4 Schematic diagram of the sampling points of ceramics tile

由磨粒破碎瓷砖模型分析可知，磨头磨削力F磨削深度的增加而增加。并且磨削力F在破碎瓷砖过程中是波动的。因此，平行轨迹处的磨削力F及其波动性大于轨迹交叉处的磨削力。

图5(c)、图5(d)为样点②的形貌，该处轨迹相互交叉，交叉处的轨迹宽度大于平行宽度，交叉点中间堆积着大小形状各异的磨屑，纵横轨迹的扇形裂纹相互连接。裂纹扩展面积进一步扩大，各轨迹间的未加工表面很难辨认。轨迹交叉时，磨粒挤压瓷砖所产生的裂纹趋向于，与其交叉的沟槽裂纹扩展，因此，交叉处的磨粒在很小的磨削力F的作用下，可将瓷砖破碎。

王成勇等［22－23］利用金刚石对大理石进行划伤，得出切削轨迹交叉时的磨削力比切削轨迹平行时小30%～50%。大理石和瓷砖同属脆性材料，该研究结果也有力的说明了，瓷砖轨迹交叉处的破碎现状。

图6、图7是瓷砖中、精抛后瓷砖取样点的形貌。从图中可以看出，中、精抛不再是以裂纹扩展破碎为主，中抛以犁沟为主，精抛以划擦研磨为主。对比图5～图7看出，粗抛是脆性破碎，中、精抛是塑性流变。

从图6、图7中样点①、②、③看出，样点①、③的轨迹是平行轨迹，取样点②是交叉轨迹。瓷砖在磨粒的压力的作用下，平行轨迹发生塑性流变，将瓷砖的犁沟和划痕缺陷填充，形成平整的表面。交叉轨迹处，刻痕清晰，无裂纹。

由于中精抛只是研磨，无微裂纹破碎，因此，磨削力F较小且波动性很小。

3.2 磨头振动实验

为了确定抛光机粗、中、精抛光加工阶段磨头在瓷砖取样点上的振动，按照表1参数进行了磨削振动试验，对SD－286型抛光生产线中的粗、精瓷砖抛光机磨头进行实验，如图8所示。实验仪器为TV100测振仪、SD1406压电式传感器。利用压电式传感器测量X、Y、Z三个方向的振动加速度。分别对粗、中、精抛工序抛光机上的每个磨头在瓷砖3个样点上测得X、Y、Z三个方向的振动加速度数值，求平均数后的结果如表2所示。

前面分析得出，粗抛时，以脆性碎裂为主，平行轨迹处的磨削力大并且波动大。交叉轨迹磨削力小，波动也小。从表2的实验数据得出:粗抛磨头在瓷砖3个取样点上的振动不一样，样点①、③的振动大于样点②的振动。由前述所知，样点①、③对应着瓷砖的平行轨迹，样点②对应交叉轨迹。

图8 实验装置Fig.8 Schematic diagram of experimental equipment

表1 磨头振动加速度实验参数Tab.1 Vibration acceleration experimental parameter of grinding head

表2 磨头振动加速值对比表Tab.2 Numerical contrast of vibration acceleration of grinding head

中、精抛也表现出了同样的特点。中、精抛以研磨抛光为主，磨削力小并波动小。从表2看出，中、精抛的振动小于粗抛。

综上实验数据和分析得出:平行轨迹处振动大，交叉轨迹处振动小。中、精抛以塑性流变为主，平行轨迹和交叉轨迹处的振动都不大，相差很小。

平行轨迹对应着瓷砖的两端极限位置，交叉轨迹对应着瓷砖的中间。即磨头摆动到两端位置时，振动大。而摆动到瓷砖中间位置时，振动小。中、精抛时，由于平行轨迹和交叉轨迹处的振动相差很小，磨头在整个摆动过程比较平稳。

4 结论

(1)瓷砖两端抛光轨迹为平行轨迹，中间轨迹为交叉轨迹。

(2)平行轨迹处振动大，交叉轨迹处振动小。

(3)粗抛时，瓷砖以脆性碎裂为主。中、精抛时，以塑性流变为主。

(4)粗抛时，振动不平稳，两端大，中间小。中、精抛时，振动平稳。

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