刮平机滚齿协同冲击破碎瓷砖机理

徐 斌，邵俊鹏，刘建军（. 哈尔滨理工大学机械动力工程学院，黑龙江 哈尔滨 50080；. 广东科达洁能股份有限公司，广东 佛山 5833）



刮平机滚齿协同冲击破碎瓷砖机理

徐 斌1， 2，邵俊鹏1，刘建军2
（1. 哈尔滨理工大学机械动力工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2. 广东科达洁能股份有限公司，广东 佛山 528313）

摘 要：为了研究刮平机滚齿破碎瓷砖机理，分析刮平机的结构和运行原理，提出滚筒滚齿协同冲击破碎瓷砖，并分析其机理。建立了单滚齿冲击破碎瓷砖和多滚齿协同破碎瓷砖的模型，通过SEM实验验证了所建模型的正确性，同时验证了多滚齿协同冲击破碎瓷砖机理理论符合瓷砖表面形貌。实验还得出：中刮、精刮前瓷砖旋转90°有助于滚齿协同破碎效应的发挥，滚齿协同破碎效应主要体现在中、精刮工序中。

关键词：刮平机；滚齿；协同破碎；瓷砖

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0　引 言

瓷质砖的坯体是使用传统原料粘土、长石、石英及可塑性白粘土，经过球磨、造粒、干燥、压制，后经1200 ℃左右烧结50-60分钟制成［1］。烧制而成的瓷砖表面光滑但不平整，光泽也不好。由于国内外对瓷砖审美观点的不同，欧洲人比较欣赏这种自然的美。对瓷砖表面深加工的要求不高，甚至不加工。而国内对瓷砖表面质量要求很高，以瓷砖表面平整而且光亮为美。为了满足人们的审美要求，要对瓷砖表面进行深加工，以取得更好的平整度和表面光洁度。通常的陶瓷深加工方式：磨削、研磨、铣削、水射流加工、水射流铣削［2-5］等，但是效果不好。意大利等［6-10］欧美国家提出一条完整的抛光工序包括刮平、前磨边、粗磨、抛光、后磨边烘干、打蜡、包装。主要使用的金刚石工具有粗磨边轮、对磨轮（前磨边），滚刀、八爪鱼（刮平），细磨边轮、修边轮（后磨边）。为了达到高的光洁度，利用瓷砖刮平将瓷砖烧结层刮掉，然后抛光［11］。瓷砖的刮平有别于一般陶瓷的磨削，有独特的加工机理。但是，对刮平机加工运行、以及微观破碎瓷砖的研究，却未见相关文献报道。

本文以最新瓷砖刮平机为研究对象，提出滚齿协同冲击破碎瓷砖机理。建立单滚齿爆破冲击瓷砖模型、滚齿协同效应应力模型，并通过实验验证。给出改善协同破碎瓷砖效果的措施。

1　刮平机滚筒滚齿协同破碎瓷砖机理分析

1.1冲击建模假设条件

瓷砖刮平机的主要工作部件是滚筒，滚筒上均匀布置着按照螺旋线排列的金刚石磨块，其上布置着磨粒，如图1所示。为建模和计算考虑，将磨粒简化为圆锥形滚齿。并假设每个滚齿的高度一致，滚筒磨块上的滚齿同时接触瓷砖表面。

由于瓷砖刮平的厚度仅为0.06 mm，因此分析滚齿破碎瓷砖机理时，以滚筒滚齿挤压冲击瓷砖表面为主。由于是多滚齿同时接触瓷砖表面，因此滚齿破碎瓷砖属多滚齿协同破碎瓷砖。

1.2单滚齿爆破冲击模型

（1）弹性变形阶段及压实体形成

在分析单滚齿作用下瓷砖破碎过程时，假设滚齿底部以均匀的载荷P作用在瓷砖的表面上。与滚齿接触的瓷砖内部的晶粒是按照一定方式排列的，把每个晶粒看成球体。由于滚齿的压力作用，与滚齿底部相接触的一层晶粒将向下位移加压于下一层晶粒；而下一层晶粒又将压力传递给其下部的两个晶粒。从图2中可以看出，最大的应力分布区域在△aob内，其中所有晶粒都处于各向压缩状态，应力值相等。在△aob区域以外的晶粒作用大小不同的正应力［12］。

因此，在aob交界面上一定作用着剪应力，其值为：

式中，σ1为aob区域内的正应力；σ2为aob区域外的邻近晶粒的正应力。

图1　瓷砖刮平机滚筒磨块Fig.1 Abrasive blocks of tile calibrating machine

由于界面上存在着剪应力，就促使aob区域内被压实的部分沿着aob与瓷砖体分离。分离体为圆锥形，称为压实体。

（2）瓷砖冲击破碎

压实体形成后，在滚齿的作用下载荷通过压实体压向压实体周边的瓷砖。如图3所示，其作用力T为：

式中，P为外载荷；β为压实体锥尖角。

压实体周围的瓷砖受到载荷T压缩后的模型如图4所示。

在图4中，压实体周围作用相同的压应力T，破碎坑底部到自由面的距离是h，冲击破碎是一个逐步的过程，现将瓷砖被滚齿挤压后冲击破碎的储能假想为一个半径为r的球体，它是瓷砖向自由面冲击破碎的能量源。瓷砖内部的抗力是不同的，向着瓷砖自由面的抗力为最小。最终导致冲击破碎后的坑为“V”形，设断裂面与垂直面的夹角为α，S为未破碎瓷砖部分脊上所产生的反力。

图2　瓷砖晶粒压力传递示意图Fig.2 Pressure transmission between grains of tile

图3　瓷砖压实体作用力Fig.3 Forces applied to tile compact

因此，作用在“V”形坑破裂面上的拉应力F，如图5（a）所示。

图4　瓷砖爆破冲击模型Fig.4 Fragmentation of tile by blasting

式中，σ为瓷砖的张应力。

向着自由面方向的冲击力N为：

式中，N为滚齿作用在压实体周围瓷砖上压应力Pcos（β/2）所产生的向着自由面的冲击力的合力；dN为在微元弧上的冲击力在N方向的投影；θ为微圆弧角度［13］。

（3）“V”形破碎坑的形成

在破碎冲击力N的作用下，瓷砖裂纹的扩展主要三种类型：张开型、错开型和撕裂型，如图5所示。裂纹在形成过程中不是单独的，而是这三种裂纹的综合。

因破碎冲击力向着自由面，故裂纹的扩展主要以张开型裂纹为主。瓷砖在破碎冲击力的作用下，一层一层的从自由面上崩离，和爆炸的效果类似。最终形成了“V”型坑，如图6所示。

图5　瓷砖裂纹的类型Fig.5 Types of tile cracks

1.3协同效应应力模型

滚筒上的滚齿破碎瓷砖不是单独滚齿与瓷砖接触的，而是多滚齿同时接触瓷砖协同破碎的结果。

滚齿破碎瓷砖协同效应应力机理分为三个方面：

（1）应力叠加

两个或者两个以上的滚齿同时作用在同一瓷砖表面上，无论在破碎哪个阶段，都能形成应力叠加［14-17］，这将加速或者强化破碎过程，如图7所示。

图7中，在滚齿的外载荷作用下，压实体压缩周围瓷砖，给瓷砖产生一个强大的压应力σ压。压应力的作用，瓷砖的质点产生径向位移，因而导致外围瓷砖中产生径向扩张并在切线方向产生切向拉伸应力σ拉。两滚齿所引起的应力相遇并发生叠加的结果，在切线方向上产生合成拉应力σ合。如果滚齿距离比较近，合成拉应力σ合的值超过瓷砖的抗拉强度，则沿着两个“V”坑连心线产生径向裂隙，瓷砖屑崩离瓷砖表面。

（2）多自由面

由于存在临近已破碎的沟槽，则滚齿侵入瓷砖后，裂纹的扩展提供了更多可能的终点以及破碎冲击力方向增加了一个新的自由面。从而改变了原来的边界约束条件，削弱了原瓷砖的抵抗破碎的能力。

（3）相邻裂纹的贯通

图6　“V”型坑形成过程Fig.6 Formation of V-shaped indentation

图7　应力加强分析Fig.7 Analysis of stress reinforcement

从单滚齿破碎瓷砖机理和图7可知，在滚齿作用下将产生大量的裂纹。除少数的张开型裂纹扩展到瓷砖的自由面形成破碎块，瓷砖中存在大量的未发展瓷砖表面的错开型裂纹、撕裂型裂纹。这些裂纹的存在导致相邻沟槽裂纹的贯通而形成大块破碎。

1.4粗、中、精刮工序中协同破碎分析

（1）粗刮滚齿协同破碎瓷砖

粗刮工序滚筒滚齿大，滚齿与滚齿之间的距离大。虽是多滚齿同时破碎瓷砖，但它们之间并不相互影响。滚齿在冲击破碎瓷砖之后，滚齿之间有瓷砖脊，裂纹不能贯通。如图8（a）所示。滚齿冲击破碎瓷砖后，沟槽深。滚齿之间的协同破碎为后续的加工提供更多的自由面和残留裂纹。

（2）中刮滚齿协同破碎瓷砖

中刮滚齿比较小，滚齿之间的间距比较小，如图8（b）所示。当两个或者多个滚齿作用在瓷砖上，裂纹向着滚齿两侧扩展，产生应力的叠加，多滚齿协同破碎效应明显。从图8（b）看出，滚齿两侧的裂纹会以锯齿的形式相对发展，其破坏的裂纹走向逐渐接近，最后贯通形成大的破碎块。

（3）精刮滚齿协同破碎瓷砖

精刮滚齿最小，滚齿之间的间距也最小。滚齿协同破碎效应将滚齿之间的瓷砖过度破碎，以致瓷砖屑细小甚至为细粉。从图8（c）看出，瓷砖表面已无大的沟槽，瓷砖表面最平整。精刮时，瓷砖已经经过两次旋转，瓷砖的沟槽的自由面和裂纹也最多。协同破碎的效果为最好。

图8　滚齿协同破碎瓷砖模型Fig.8 Models of synergistic tile fragmentation by multi-teeth

2　实验及结果分析

2.1实验参数及过程

为了验证瓷砖刮平机滚齿协同冲击破碎瓷砖的效果，按照表1参数，在SDG288型刮平机上实验。

实验分为粗、中、精刮三道工序，粗、中、精刮滚筒的直径是300mm，实验用瓷砖毛坯参数为：实验所用瓷砖15块，规格为800 mm×800 mm。在实验过程中，分别在粗刮、中刮、精刮工序加工后的瓷砖中，取出一块瓷砖作为对象，对其进行电镜扫描和表面粗糙度扫描。电镜型号为：FEI Sirion。实验结果如图9-11所示。

2.2实验结果分析

图9表明，粗刮后的瓷砖表面沟槽相互平行，沟槽之间有瓷砖脊，不贯通。沟槽又有系列的“V”形冲击坑组成。凹坑的边缘呈层叠状。说明“V”形坑是逐层破碎的，而且张开型裂纹明显。粗刮后瓷砖形貌验证了单滚齿爆破冲击破碎模型的正确性。同时表明，在粗刮工序中，滚齿的协同破碎瓷砖效果不明显。

表1　刮平机实验参数Tab.1 Experimental results of calibrating machine

图9　粗刮瓷砖电镜图Fig. 9 SEM images of tile morphologies after rough calibrating

图10　中、精刮瓷砖电镜图Fig. 10 SEM images of tile morphologies after semi-fnish and fnish calibrating

图10表明，中刮瓷砖表面，沟槽浅、“V”形破碎坑之间无瓷砖脊。滚齿协同冲击破碎明显。“V”形坑之间破碎大，说明是大块瓷砖屑崩离所致。瓷砖表面纵横交错的刮痕是由于瓷砖旋转90°后，刮痕交叉造成的。交叉的刮痕增强了瓷砖的破碎效果。精刮后，瓷砖表面平整，不见刮痕，“V”形坑也少见，说明滚齿协同冲击破碎，使滚齿之间的瓷砖脊完全破碎。实验结果表明，滚齿协同冲击破碎瓷砖机理完全符合破碎瓷砖实际情况。图11中，毛坯面光滑但是不平整，粗挂沟痕深、中刮沟痕浅，精刮后瓷砖表面平整，相对光滑。从瓷砖表面直观结果表明，滚齿协同冲击破碎瓷砖表面效果好。

综上分析得出，改进粗刮工序中刮平效果的措施。将滚筒进行沿着轴向摆动，以此减小滚齿距离，增加滚齿之间的协同破碎效果。

图11　瓷砖表面直观图Fig.11 Photos of the tile surfaces

3　结 论

（1）滚齿破碎瓷砖不是一个滚齿单独作用，而是多个滚齿协同破碎的结果。

（2）将滚筒磨块上的磨粒简化为锥形滚齿并建立单滚齿冲击破碎瓷砖模型，分析“V”形坑形成过程，并通过实验验证了所见模型的正确性。

（3）建立滚齿协同效应应力模型，应力叠加是协同冲击破碎主要的原因，实验结果表明该模型符合瓷砖实际。

（4）粗刮工序中，滚齿协同破碎效果不明显，中刮工序中，滚齿协同破碎瓷砖屑大。精刮工序中，滚齿协同破碎效果最好，瓷砖表面平整。

（5）在瓷砖加工过程中，瓷砖旋转90°加强了瓷砖破碎效果。

（6）给出了改善粗刮协同破碎效果不好的措施。

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通信联系人：徐斌，男，博士。

Received date:2015-11-15. Revised date: 2016-11-18.

Correspondent author:XU Bin， male， Ph. D.

Synergistic Tile Fragmentation Mechanism of Toothed Cylinder on Ceramic Tile Calibrating Machine

XU Bin1， 2， SHAO Junpeng1， LIU Jianjun2
（1. College of Mechanical Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， Heilongjiang， China；2. KEDA Clean Energy Co.， Ltd.， Foshan 528313， Guangdong， China）

Abstract:In order to investigate the tile fragmentation mechanism of the toothed cylinder on it， the structure and principle of calibrating machine were analyzed. Mathematical models for impact crushing by single tooth and synergistic fragmentation by multi-teeth were established respectively. SEM was used to observe ceramic tile morphologies after rough calibrating， semi finish calibrating and finish calibrating. The results verifed the effectiveness of the models and the agreement between the theories of the synergistic tile fragmentation by multi-teeth and the observed surface morphologies of the ceramic tiles calibrated in different stages. It's also showed that rotating the tile 90 degrees counterclockwise before semi fnish calibrating and fnish calibrating could improve the result of synergistic fragmentation by multiteeth in these two stages where the action mainly occurred.

Key words:calibrating machine； tooth； synergistic fragmentation； ceramic tile

基金项目：佛山市博士后基金资助项目（2014437）。

收稿日期：2015-11-15。

修订日期：2015-11-18。

DOI:10.13958/j.cnki.ztcg.2016.02.004

中图分类号：TQ174.76

文献标志码：A

文章编号：1006-2874（2016）02-0015-07