通体瓷抛砖深加工技术的研究*

甄燕萍 夏昌奎,2 李双文 余剑峰 樊叶利 谢明锋 王美霞

(1 杭州诺贝尔陶瓷有限公司 浙江 杭州 3111001)(2 浙江大学科学技术研究院 浙江 杭州 310058)

前言

随着市场经济的不断发展，人们生活水平的日益提高，消费者对于建筑装饰材料的要求从追求装饰材料本身的理化性能，到现在的更加注重装饰后的美学效果。天然石材质感通透，纹理丰富自然，又可加工成各种异型线条，装饰效果高贵典雅，被认为是一种高档的建筑装饰材料[1]。

我国销售的高档天然石材多以进口为主，价格昂贵，同时天然石材作为自然材料，具有不可再生性，日渐枯竭；另外，天然石材质软，孔隙率较高，导致机械强度低、耐磨性差，加工的异型线条容易断裂，工业应用为了防止石材线条断裂会在其背面穿入钢筋加固，工序复杂，加工成本高。市场对天然石材装饰效果的青睐，加之陶瓷砖装饰手段和装备技术的快速发展，仿天然石材纹理的通体陶瓷砖应运而生，并逐渐形成一定规模[1-4]。

为逼真再现天然石材的立体加工工艺，将通体瓷抛砖制备技术与深加工技术相结合，使瓷抛砖的异型加工得到完美的实现。通过研究适合于通体瓷抛砖异型深加工的磨料和工艺路线，以及异型的设计，使表面与坯体内部具有一致的色彩和纹理，拓展了如各种开槽、倒角等冷加工方式所形成的优越装饰效果，为进一步提升空间装饰美感提供了可能性。

1 通体瓷抛砖的特点和产品形状设计

1.1 通体瓷抛砖的特点

当前市场上装饰线条以天然石材加工线条为主，其主要原因是传统瓷质砖可加工性能差，容易出现开裂、崩瓷等现象，而且通体性也欠缺。通体瓷抛砖针对这些不足部分进行了技术方案改进提升，主要表现在多维通体布料技术的应用和坯体配方的优化。坯体配方尽可能降低氧化硅含量，提高氧化铝组份并调整碱金属及碱土金属氧化物组成及含量。氧化铝含量的提高保证了网络形成离子的含量，提高了材料的力学性能，适量提高碱金属或碱土金属氧化物组份，可抵消由于氧化铝的提高带来的烧结温度上升。石英含量的降低，减少了烧成后游离石英的含量，也降低了坯体的膨胀系数。瓷质砖深加工性能差的主要原因是由于瓷砖内部结构存在应力且分布不均匀。尽管有部分陶瓷企业通过降低窑炉冷却带的降温速率来缓解由于冷却过程中导致的应力存在导致的深加工切割裂问题[5-9]。

由于配方中二氧化硅的存在，陶瓷砖冷却至570 ℃温度点时发生相变(α-石英转变成β-石英)而产生应力。从显微结构角度分析，二氧化硅在陶瓷结构中的分布是不均匀的，从而导致应力的分布不均匀，这是影响瓷抛砖是否具有优异的深加工性能的一个重要原因，故在原坯体配方基础上适当降低了二氧化硅含量，提高氧化铝及碱金属离子含量有效提高了瓷抛砖的深加工性能。图1为坯体配方存在矿化剂时的石英晶型转变示意图。

图1 坯体配方存在矿化剂时的石英晶型转变示意图[5]

天然石材按材质主要分为大理石、花岗岩、石灰石、砂岩与板石。大理石被定义为“包括结晶的碳酸盐类岩石和质地较软的其它变质岩类石材”，这类石材的硬度一般较小，属于软石材类，且结构粒径粗细不一，构造成片状。加工异型线条造型不易过窄，易断裂。通体瓷抛砖采用瓷质材料，具有高致密性、高硬度，结构均一的特性。线条造型最小可达到15 mm，造型设计可塑性高，提升了瓷抛砖产品的艺术价值和经济价值。

由表1可知，通体瓷抛砖的吸水率、耐酸碱性能、耐污染性、机械强度和莫氏硬度远远高于天然大理石。表面耐磨性远超过天然大理石，如果直接采用天然大理石的原有深加工工艺是不适合通体瓷抛砖的。因此，深加工的磨料需深入研究，这也是解决通体瓷抛砖深加工的关键要点。

表1 通体瓷抛砖与天然大理石理化性能对比[1-6]

图2 阴角线

1.2 产品形状设计

通体瓷抛砖由于采用底面纹理、色泽相近的工艺手段，产品倒边、开槽通体一致性好。但常规产品由于厚度的限制适用于弧度平缓的简易造型。通体瓷抛砖采用通体加厚的工艺方式，厚度达到15 mm，与天然板材厚板最小厚度一致，适合于进一步的深加工，很大程度上提高了瓷抛砖异型线条造型设计的选择性，通过反复试验，最高点与最低点的立体弧度落差可控制在≤7 mm。如分别设计了阴角线(见图2)、镜框线(见图3)、瓷抛砖的U型开槽(见图4)，侧面的法国边(见图5)及具有曲线型的踏板砖(见图6)。产品可与天然石材加工的线条相媲美。

图3 镜框线

图4 U型开槽(上方图为通栏图，尺寸27mm*125mm)

图5 法国边

图6 曲线型的踏板砖

3 深加工磨料的研究与开发

可用于切削、研磨或抛光的材料称为磨料。磨料是构成刀具、磨具的主体，磨料的性能直接影响着刀具、磨具的切削、研磨性能，所以应当根据被加工的类型与性能以及加工质量要求来选择磨料。

通体瓷抛砖制备过程中采用了性能俱佳的瓷质材料，采用SIMM-TEC四大核心技术，新型瓷质装饰面材技术使产品表面更耐磨；立体喷墨渗花技术代替传统颜料墨水表面喷墨技术，使得花纹更逼真立体；多维通体布料技术带来瓷抛砖的表面与内部结构质地纹理通体一致且连贯；表面微处理技术带来产品光感的多样性。瓷质面料的高耐磨性使得瓷抛砖深加工需要使用的磨料应当具备以下基本性质：

3.1 高硬度

磨料硬度越高，在整个瓷抛砖抛磨过程中，具有更高的研磨效率。在线条加工定型区段，为了保证一定的研磨效率，磨料的硬度一般应高于被加工材料硬度的3～4倍，如果低于这个硬度，如要通过改变磨具性能和使用参数来提高研磨效率是相对困难的。

3.2 一定的韧性、塑性和抗破碎性

在研磨过程中磨料要有足够的抗压、抗折和抗冲击能力。如果磨料抗破碎能力太弱，加工过程中磨料很快破碎，就难以进行有效的磨削。磨料的柔韧性可以缓冲磨头垂直角度给予瓷抛砖的应力，尽可能提高深加工产品的合格率。同时，一定的柔韧性及在磨削过程中不仅可以有效磨削还可以延长磨料的使用寿命。根据表2可知，磨料的配方结构采用适量的酚醛树脂、聚酯树脂、尼龙纤维等有机物材料与高耐磨性的碳化硅混合，有机物的添加保证了磨料的韧性、塑性及抗破碎性，碳化硅添加起到切削、研磨或抛光作用。

3.3 与被加工材料不产生化学反应

磨料与被加工产品之间应该不起化学反应，以免造成磨粒钝化、磨具堵塞产生产品表面颜色、光泽和耐污染性等性质的改变。

通过反复试验，对磨料的材质与组合进行了改进，最终得出下表的排列为最优的方案。表2为整个深加工过程中的加工步骤及对应磨料的要求。

表2 磨料与材质排列表[1-6]

4 生产工艺参数的确定

异型线条加工工艺流程主要分为三个阶段：定型区段→抛光区段→修边区段。

1、定型：定型机为4头，线条曲线落差大(定型量大)，需要多次定型才能完成。1#、2#磨头为粗磨轮(80目左右，磨轮开六道排削槽)如图7所示。定性的工艺参数如下：

图7 原理示意图

①输送皮带带速：0.5 m/min；

②转速：1440 r/min；

要注意1#、2#磨轮刀的吻合性。同时，3#、4#磨头为中细定型磨轮(120目～240目之间)，中定型量控制在0.2～0.3 mm(以消除粗定型的磨痕为准)，细定型量控制在0.10～0.15 mm(以消除中定型的磨痕为准)。

为了抛光质量，经过粗、中、细定型的坯板，要按先后顺序排放，并按先后顺序输送至精抛机进行抛光(表2顺序)。

2、抛光：线条抛光机，一般配置为6头，主要完成粗、中、精抛的任务。

这一区段主要对异型线条抛光质量、光泽度、磨痕进行相应的调整(吻合性、磨削量的调整等)使产品达到良好的效果。

①输送带带速：0.5 m/min；

②电源表：6 A；

③光泽度：≥55光泽单位。

3、修边：用双修边线条抛光机进行修边后，产品装箱包装即可。

为了更好的展现加厚瓷抛砖(15 mm)冷加工方式带来的优越装饰效果，提升空间装饰美感，根据运用场所的不同需求设计了不同的产品造型。线条类的异型加工设备主要采用了YXT-200线条定型机(见图8)，定型采用定磨深方式进行磨削，由定型轮(不同曲线，视要求定)完成，抛光采用自动控制设定进给量进行自动补偿，防止进给时的冲击导致工件产生破损，是现时较为成熟的设备。

图8 YXT-200线条定型机

曲线型踏板类的开槽产品主要采用了五轴桥式切割机(见图9)。该设备是五轴全自动同步运行的切割加工设备，集合了传统红外线和现代数控桥切机的优点，所有运转轴在伺服电机的控制下快速精准地移动，CNC操控各轴联动，以更加简易、直观、高效的软件操作系统进行加工绘图，并直接输出数控程序。用于加工任意形状线条、圆弧边、鸭嘴边、直边、斜边、开防滑槽、干挂开槽、洗手台加工及异形边成型等。该设备加工功能强大，一机多用，占地小，能耗低，操作简单，加工精准，不同功能转换快捷方便。图10为通过深加工技术制备的具有异型规格尺寸的通体瓷抛砖。

图9 五轴桥式切割机

图10 异型通体瓷抛砖

5 结语

将瓷抛砖制备技术和全通体多维布料生产技术结合，生产出15 mm厚度的全通体瓷抛砖。通过TXT-200线条抛光机和五轴桥式切割机的运用开发及各种磨料的制备，研究出适合于通体瓷抛砖异型深加工的磨料和工艺路线，以及异型的设计，使加工面与表面具有一致的色彩、光泽和纹理，拓展了如各种开槽、倒角等冷加工方式所形成的优越装饰效果，可与天然大理石线条相媲美，其理化性能也更超越于天然石材。为进一步提升空间装饰美感提供了可能性，可使通体瓷抛砖的异型加工得到完美的实现，也给设计师提供了更多的设计创意空间，提高了瓷抛砖替代石材的能力。