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1、济南大学毕业设计1 前言 随着世界上建筑业及装饰业的发展, 石材已成为世界性建筑材料。而建筑装修使用的饰面石材主要是有大理石和花岗石两大类。将饰面石材加工成建筑装饰板材，其主要的加工工序包括锯切，研磨、抛光、切割成成品板材，修边倒角开槽。其中最为关键的是锯切工序，它决定着产品的质量与产量，因此必须选择合适的加工方法和加工设备。 大理石和花岗石用作室内外饰面装饰效果好、耐久，但造价高，因而多用于公共建筑和装饰等级要求较高的工程中。但近年来，随着生活水平的提高，人们对自身的生活环境的美学观念也在不断地更新，大理石和花岗石也越来越多地出现在家居装饰装修中。对这些石材的需求不断增长，从而大大促进了相关
2、加工技术装备的研究与发展，特别是锯切技术。最近几年来，石材制品不断向高档化、异型化、艺术化方向发展，石材行业迫切需要开发相应的多功能、高效率、自动化的石材加工装备，同时要求设备的功能部件可以具有互换性，以满足用户个性化、多样化的需求。目前，就国内应用的设备来说，依其所使用的刀具不同，大致有以下几种: 砂锯、金刚石框架锯、金刚石圆片锯、金刚石带锯、金刚石串珠锯、激光切割、高压水射流、线切割等。世界领先的石材加工技术以意大利、美国、德国等国的石材数控加工中心为代表，但因其高昂的价格阻碍了我国石材业的大力推广，因此我们要寄望于国产数控技术的长足进步，近年来我国石材机械的发展异常迅猛，以电脑智能化为基
3、础的设备开发及数控技术成长也很快，一批石材企业注重技术研发和产品创新，在吸收、消化国外先进技术的基础上进一步提升了国产石材机械的加工制造水平，具备了很强的竞争力。在我国国民经济和人民生活水平不断提高的同时，装饰石材在建筑装修中的使用量也大幅增加，由于我国石材加工机械的起步较晚，同时面临着机遇和挑战，如何研究、开发、设计出具有自主知识产权而且符合中国国情的加工机械已成为一项紧迫的任务，在面临前所未有的机遇的同时，我们不得不承认在许多技术上与发达国家相比还存在一定的差距，所以我们要努力为我国的石材加工业做出应有的贡献。限于作者的水平，时间有限，本设计中难免出现错误与不妥之处，恳请各位老师批评指正。
4、 2 石材加工机械的发展历史及趋势2.1 石材加工设备概述石材加工装备是石材加工的基础和核心。从石材加工发展历史可以看出，随着加工装备的发展和进步，石材产品的质量和加工自动化水平也得到不断的提高。石材加工从简单的平面加工向立体加工发展，从手工加工向机械化、自动化、数控化方向发展，从单件生产向流水线、柔性系统方向发展1。石材加工历史悠久，从人类文明历史以来就有石材加工，但最初的加工都是手工完成的。直到石材机械发明以后，人们才从繁重的石材加工劳动中解脱出来。石材毛板加工最初采用摆式砂锯，锯机框架采用绳索吊挂，进给系统靠重力配重完成。锯条张紧机构也是靠楔形块张紧。加工工艺比较简单，产品单一，劳动强度
5、大，质量较差。随着加工装备和加工刀具的发展，石材切割机械也得到了很大的改进，例如金刚石框架锯机用来对大理石荒料进行毛板加工其进给机构和张紧机构采用液压式，锯框采用平移式。花岗岩框架锯采用同步丝杠进给机构，加砂系统采用自动混料喷砂及喷水系统，加工效率和加工质量得到了大大提高。伴随着新的加工设备的出现，石材的加工方式从过去单一的框架锯向多元化方向发展，相继出现了圆盘锯机、带锯机、金刚石串珠绳锯机。石材加工装备随着新技术的发展而得到不断发展，石材加工也从传统的板材加工转向异型石材，随之出现了圆弧切板机、圆弧磨板机、石线切割机、数控切割机等一系列异型石材加工设备2。随之而来的辅助设备也从单一机械装置向
6、数控化和智能化方向发展。2.2 石材加工技术的发展随着计算机软硬件的快速发展，近年来石材加工设备发展很快。新设备不断涌现，如花岗石排锯，由原来的3m3.5m发展到现在的4.5m6.9m，花岗岩连续磨机的性能也有进一步提高。另外，值得注意的是由于投入及生产效率的不同，同类设备在售价上也有很大的差别，有的甚至相差30%以上，因此应根据自身的条件选择合适的加工设备，以实现效益最大化。而异型石材加工设备的出现预示着石材加工产品将出现繁花似锦的可能性，这些异型石材加工设备包括：直边异型加工机、曲线异型加工机、曲面异型加工机、金刚石绳锯、程控雕刻设备、新型数控加工等。这些设备都代表着当今世界石材加工的先进
7、水平，使石材产品在装饰上得到了广泛应用。同时，建筑装饰业发展也促进了石材设备的更新换代3。石材加工设备目前已广泛的采用了先进的计算机技术，目前已研制出车削加工中心、铣削加工中心,使石材加工装备向自动化和数控化方向发展，操作更加方便灵活。很多加工设备都集车、铣、磨、雕刻、钻等功能于一体，设备的综合加工能力大幅提高，生产设备的利用率也提高不少。另外，石材加工设备也朝着高精度、自动化方向发展，总体装配精度、自动化程度必将迎来新的发展时代4。2.3石材加工工具简介目前就国内应用的石材加工设备来说，依所使用的刀具的不同5，大致有以下几种：砂锯、金刚石框架锯、金刚石圆片锯、金刚石带锯、串珠（绳）锯等，下面
8、分别介绍：2.3.1 砂锯砂锯是加工花岗岩的传统设备5，它使用的刀具是锯条和砂料。砂锯具有自己独特的锯切机理，属机械磨损作用，在工作中磨料、石材、锯条三者之间作相对运动，锯条通过磨料对石材施加作用力，磨料在锯条和石材之间做相对滑动或滚动，以实现且割石材。砂锯按其结构形式主要分为四大类：(1)大型摆式砂锯 (2)螺杆摆式砂锯 (3)大型平移砂锯 (4)大型平摆砂锯，其中发展比较完善的是大型平摆砂锯技术，也是国内切割花岗岩材板的主要设备。2.3.2 金刚石框架锯金钢石框架锯也称多锯条金岗石大锯，所使用的刀具是金刚石锯条，工作时由偏心轮带动锯框做往复运动，荒料车带动石料相对锯条做进给运动6。该锯是加
9、工石材大板的有效设备，主要用于大理石荒料的锯割，尤其适用于中硬度及软的大理石锯割。它的主要优点：(1)切割速度快，生产量高，一般比砂锯高三倍以上，且需要设备台数少，节省设备投资于厂房面积 (2)锯割质量好，毛板合格率高 (3)节省劳动力和钢材，大大改善了劳动条件，在大理石大板生产线中有逐步取代砂锯的趋势。 2.3.3 金刚石圆片锯圆盘锯直接对矿体进行锯缝呈正交排列或平行锯缝的垂直面切割，采用人工打楔劈裂分离石料的水平面，是一种半机械式开采方法7。如果使用串珠锯将石料底面从矿体上锯切分离，仍使用圆盘锯分离切割石料的垂直面，可以获得平整的石料分离水平面，是一种全锯切开采花岗石的方法。采用人工分离劈
10、裂性好的花岗石矿体，水平面的不平整度最大可达30cm或更大；而串珠锯切割水平面的平整度与石材劈裂性好坏无关，只与锯切面积小于有关，锯切水平面的平整度一般小于10cm。总之圆盘锯是目前开采花岗石的各种方法中开采成本最低的方法。2.2.4 金刚石带锯 该种设备所使用的锯切工具是金刚石带状锯条，一般由金刚石结块焊接或镶嵌在钢带上制成8。与框架锯和圆片锯相比，带锯有显著的优点：锯切速度快、切割厚度可调节范围大、生产灵活性好、成材率高、精度高、噪音低。缺点：对锯条要求高，需要大量的冷却液。2.3.5金刚石串珠锯 串珠锯包括石材开采用串珠锯，荒料整形用串珠锯、板材加工用单绳和多绳串珠锯，以及异型加工用串珠
11、锯9。经过几十年的发展，串珠锯机不断改进，串珠锯的结构形式、技术性能基本稳定，并形成了目前广泛使用的结构和控制模式。其主要特点是便于自动化操作、控制。以上简要介绍了目前国内常用的几种石材切割工具。现在还出现了集切割、研磨、修边、抛光工艺于一体的大理石、花岗石标准工程板和薄板生产线，这表明我国石材加工业的发展的确有了长足的进步。但同时我们也应该看到与欧洲发达国家之间的差距，因此要我们着眼于未来，积极进取，努力开拓，研制出具有更高水平的新型现代化的石材加工设备，增强我国在国际石材设备市场上的竞争力和影响力。3 对本次设计任务的分析3.1 设计内容 根据国内外发展现状和趋势，对于高精尖线切割机床的设
12、计要求一般是自动化程度高，加工柔度好，加工效率高等优点。本次设计的课题是提供一种能够整体切割较复杂的图案、自动化程度较高、加工精度较好、生产效率较高、产品装饰的效果良好的异形石料板自动切割机械。本次设计的主要机构装置包括机架、弓形架、工作台、传动系统及控制系统。本设计需要能够实现双向进给运动的工作台，以及能够实现直线往复运动的钢丝切割机构。弓形架上张紧着切割钢丝并作快速的往复运动，切割钢丝表面镀有金刚砂，工作台可按设定的方向作纵横两个方向的自动进给运动，从而实现在工件上切割出设定的图案。3.2设计要求3.2.1 基本要求本次设计的一种装饰用异形石材板线切割机，适用于石材等硬脆非金属材料的曲线切
13、割、小型块材和异型材料特殊切割，可以将大理石或花岗石等板材自动切割成各种需要的图案，如各种大理石/花岗岩弧形板、截面曲线，也可以制作工艺品、艺术字、石材拼花等各种复杂的造型。此外要求本设计结构简单、紧凑、体积小，噪声低，切割速度快，操作简便、安全，易于维护等特点。3.2.2设计数据 本次设计的线切割机最大加工板材尺寸为：400250mm2。 切割速度控制在510mm/min，快速进给运动速度也可以达到12mm/min。 加工误差小于等于0.02mm。4 总体方案设计 本次设计的课题是提供一种异形石材板的自动切割机械，能够整体切割较复杂的图案，自动化程度较高，加工精度较好，生产效率较高，加工出的
14、成品装饰效果好。设计内容主要包括机架、弓形架、工作台、传动系统及控制系统等组成。需要设计能够实现双向进给运动的工作台，以及能够实现往复直线运动的钢丝切割机构。弓形架上张紧着切割钢丝并作快速的往复运动，切割钢丝表面镀有金刚砂，工作台可按设定的方向作纵横两个方向的自动进给运动，从而实现在工件上切割出设定的图案。总体方案的设计是如何实现刀具与工件两个互相垂直的运动和直线往复运动，比较而言，弓形架带动钢丝来完成直线往复运动更为合理，那么应当由工作台来独自实现两个方向的运动。故工作台的设计有以下两种方案：(1)只有一层工作台来夹持工件，采用两个进给机构推动完成两个方向的运动 ，如图4.1： 图4.1 进
15、给机构方案11 进给机构1，实现x轴的进给运动 2 进给机构2实现y轴方向的进给运3 工作台 4 滑块 5 工件 (2)采用双层导轨，每层导轨分别承担一个方向的运动，如图4.2： 图4.2 进给机构方案2 1中层导轨板 2工作台 3下层导轨板 4 x方向进给机构 5工件 6 y方向进给机构 此外，直线往复运动有2种选择，1是用凸轮机构来实现，2是用曲柄连杆机构来实现；导轨的结构类型主要有3种，滑动导轨、静压导轨、滚动导轨。 对比以上两个设计方案后，第二方案实现起来相对容易，现将方案总体的设计机构作如4.3图所示： 图4.3 总体进给机构方案 1工作台 2中层导轨板 3下层导轨板 4切割钢丝 5机架 6弓形架其工作原理为：弓形架带动钢丝做直线往复运动，三个重叠放置的平板代表一个简单的双层导轨，可使工作台同时完成两个相互垂直方向的运动，而弓形架不再做平移运动，这样就完成了总体方案的设计。很显然，本设计提供了一种全新的实用型石材加工机械，能够将板状石材自
