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昊玉厚　赵德宏　陆峰　张坷　沈阳建筑大学交通与机械工程学院

摘要：为了解和分析国内外异型石材制品加工技术与设备的发展现状与趋势，研发新一代具有自主知识产权和国际水准的异型石材制品加工技术与设备提供理论依据，通过分析和比较不同种类异型石材制品的加工方法和不同类别的异型石材加工技术与设备的功能，得出异型石材加工设备正向着高速高效化、智能化、人性化和单机设备多功能化的方向发展的结果。结论是目前国内异型石材制品加工技术与设备与国外存在较大差距，研发新一代具有自主知识产权和国际水准的异型石材制品加工技术与设备是提升我国石材加工业整体水平的战略需求。

关键词：异型石材加工设备发展

1概述

近年来，随着人们生活水平的提高，石材制品越来越广泛地被应用于建筑装饰业。伴随着石材制品业向着高质量、艺术化、多样化方向的发展，市场对异型石材制品的种类、形状、精度和产品尺寸的要求愈来愈高、需求愈来愈大，异型石材加工装备也向着高速高效化、智能化、人性化和单机设备多功能化的方向发展。

2异型石材制品的分类及加工技术

异型石材制品一般是指除矩形板材以外的其他所有石材制品。按照制品的特点和加工方式的不同，异型石材制品可分为：平面异型制品、曲面异型制品、实体回转体制品和雕刻制品等四大类。

2.1平面异型制品及其加工技术

平面异型石材制品是指以二维线条或图形为主的台面制品，一般带有边缘花线或雕有文字。如卫生间面盆板、厨房灶台板、花线条、拼花板材和简单的墓碑等。

平面异型石材的加工一般采用传统的机械加工设备。设备通常配备一个工作平台供安放和固定工件用，刀具可沿X轴、Y轴、Z轴三个方向运动，配以圆盘铣刀或雕铣刀头，可完成花线切割和文字雕刻。

部分毛面花纹的加工采用喷砂加工技术，如意大利PELLEGRINI公司的S系列喷砂加工设备，采用喷砂毛面加工技术，可在石材板表面上喷砂加工出各种花纹图案，其最大加工宽度可达2.2米。配备专门的粉尘收集装置，防止沙尘对工作环境和操作者的污染。

2.2曲面异型制品及其加工技术

曲面异型制品指具有公共母或对称中线的曲面板材制品，如内外圆弧板、S型或波浪形等墙面用板材、柱面用板材制品等。

曲面异型制品有传统机械加工、绳锯加工或高压水射流加工等多种技术。曲面异型制品加工设备的工作台一般能够前后平移，刀具相对工件作X轴、Y轴、Z轴三个方向进给，配以先进的计算机仿形控制技术，可实现连续的加工。

图1为山东大学石材工程技术研究中心研制的SSQ系列数控石材曲面加工设备。该设备采用了可靠的三坐标数控系统，刀具轴水平布置，锯片或磨轮垂直切割。该设备可加工任意曲率、形状的内、外曲面。工作时，通过更换不同形式的刀具，即可完成曲面板材的铣、磨、抛光加工。

实体回转体制品及其加工技术实体回转体制品指具有对称中线的柱体制品。如圆柱、栏杆住、罗马柱、风水球、工艺花瓶等。

实体回转体制品一般采用车削或锯切加工工艺，工件绕中心轴回转，刀具沿X轴、Z轴方向进给。由于石材为硬脆材料，主轴回转速度不能太高，所以一般采用圆盘锯。锯片动刀头与制品反方向回转，实现高速切削。在制品不发生回转的情况下，使锯片动刀头在0°－ 360°之间转动，就可以加工出复杂的多棱体石柱。国内石材圆柱体的成形一般采用柱帽机加工，通过机械仿形技术加工复杂的回转体形状。国外先进的加工技术采用计算机仿形控制技术。

2.3雕刻制品及其加工技术

石材雕刻制品是指没有对称中线以及具有复杂形面的异型制品，包括复杂的平面浮雕和各种立体雕刻制品。如复杂的画框、壁炉饰面、各种楼梯扶手、立体人像、动植物雕刻品等。

平面浮雕加工设备的刀具一般除能沿X轴、Y轴、Z轴三个方向进给，有的刀具还可绕Y轴摆动。立体浮雕一般采用数控加工中心，可实现多轴联动，拥有先进的三维激光扫描系统、CAD/CAM图形处理技术和多轴数控加工系统。

3异型石材制品加工设备

3.1仿形加工设备

仿形加工是以制品模型为依据进行的一种机械加工方式。国内用于石材加工的仿形设备多采用机械仿形机构、液压仿形系统等方式。

机械仿形采用由连杆机构或平行四边形机构组合而成的形式，模型与工件的加工比例一般为1： 1，可用于加工平面异型制品和回转体异型制品。液压仿形是将几个液压油缸和液压阀组合而成一套液压仿形油路系统的一种加工方式，液压仿形加工的工件可以对模型进行一定比例的放大。如意大利OMAG公司生产的ID86系列卧式液压仿形车床，可用于加工圆柱、栏杆住、花瓶等母线是任意曲线的回转体制品，通过选配不同的动力头和配套机构，该机还可以加工多棱柱、罗马柱和球类石材制品。

国外先进的仿形加工设备使用激光扫描成像技术和计算机仿形控制加工技术问，可以对较复杂的或不易采用机械触头进行的仿形的模型进行仿形加工，其精度更高，仿形效果更好。图2为意大利OMAG公司MILL4型3到6轴的数字化机械仿型加工中心，这套加工中心集锯、雕刻、打磨、转铣于一体。

3.2绳锯加工设备

绳锯加工是在石材加工中的广泛应用，主要是应为它具有显著提高了生产率和改善劳动条件、保护环境的优点。主要表现在：串珠绳锯用途多、线切割速度快、生产效率高、对环境污染小、噪声低、省电省时、工作环境较为理想，但使用寿命较短、表面加工质量较低。串珠绳锯加工异形石材现在一般都采用数控加工技术，虽然到目前只有近15年的发展历史，但已经成为高附加值异型石材制品加工的主要设备。

绳锯加工大多采用单根金刚石串珠绳锯的加工方式。二维金刚石串珠绳锯包括工件与串珠锯在竖直方向的相对运动和工件与串珠锯水平方向的相对运动。竖直方向的相对运动有两种实现方式，一种是采用串珠锯上下移动的方式，第二种方式采用工件底部顶升机构。第一种方式由于串珠锯相对质量较低，所以比较节约能源，且方便对进给速度进行调节，但是由于串珠锯锯架需要上下移动，所以增加克锯机的整体结构尺寸；第二种方式则比较节省空间。水平方向的相对运动也有两种实现方式，一种是框架据沿固定导轨的平移运动，同样具有节约能源和速度可调节的特点，但是由于固定导轨不能移动，所以对加工尺寸有一定要求。第二种方式采用工作台水平移动的方式，同时框架据两侧可沿垂直导轨运动，所以加工尺寸可以更大。

意大利CANDIANI公司生产的MULITIUIREC200-2型双轴金刚石串珠绳异形锯机，可以同时安装三根金刚石串珠绳，主要用于加工石材圆弧板。同时该公司生产的VINCA-6型锯机采用了先进的五轴联动数控技术。其外形结构、运动方式与一般的金刚石串珠绳锯整体机的形式基本相似，不同的是每侧的飞轮可单独升降，使金刚石串珠绳锯与水平面成一定的角度，同时工件在工作台上可以360。旋转，可锯切加工出空心螺旋柱等复杂的回转立体石材制品。

除常见的串珠绳锯异型石材锯切设备外，还有一些小型台式串珠锯机，专门用于加工拼花、曲线边等异型石材制品。

3.3高压水射流加工设备

高压水射流技术是以高压水射流或磨料射流为切割手段的石材加工技术。高压水射流具有道具简单、为粉尘污染、低噪音、切口狭窄等特点。相对绳锯加工而言，高压水射流切削过程连续、切削力稳定、振动较小，所以特别适合用于石材拼花板材的加工和各种平板类石材标志加工，而且产品批量大，精度高。

数控高压水射流切割机是由高压水泵、工作主机和数控系统三部分组成。这种技术装备造价低，功耗小，由于磨损料和水可回收利用，所以产品的加工成本很低。高压水射流加工技术是目前石材加工领域一项非常有前景的新技术。

3.4数控加工设备

3.4.1数控车床

异型石材加工用数控车床主要用于加工简单的回转体异型石材制品。加工工件绕固定轴转动，刀具相对工件作轴向运动和垂直轴向进给。因为石材是脆性材料，回转转速不易太高，为保证正常切削所需线速度，通常采用圆盘锯代替普通的车刀。圆盘锯由高速电机带动旋转固定在随动刀架上。数控系统采用普通二轴联动机床数控系统即可。由于其结构简单，直接对一般车床作简单的改进就能够使用，所以在国内被广泛使用。

3.4.2数控雕铣机

数控雕铣机主要用于简单的板材表面图案和墓碑雕刻等石材加工。一般具有三维或四维联动运动控制。图3为国产美杰特MJT-1812D型石材雕铣机主要用于墓碑加工，其最大加工尺寸为：宽2700mm，长2100mm、高1800mm，最大加工质量为：1500㎏。

3.4.3数控车铣加工中心

随着数控技术和多轴联动控制技术的发展，五轴联动控制的数控车铣加工中心成为异型石材加工的新方向。这种加工中心能够集车削、雕铣、磨刨等加工功能于一身，配以先进的激光成像技术和开放式数控系统，可以加工人体石雕像等复杂的艺术制品。图4为意大利OMAG公司设计的formacolonne-CN型加工中心，该加工中心采用4轴联动数字控制加工技术，同时配有两个工作头。

3.4.4数控加工中心

异型石材数控加工中心一般采用龙门支柱式结构，除水平工作台外一般还配有旋转工作台，主要用于加工大型、复杂的异型石材制品。以美国North-wood公司Satellite XL型数控加工中心为例，该机采用五轴联动数字控制技术，可以以任何角度加工5个外形表面。其特点是快速、高效、可靠、安全，并且具有自动加紧装置。

4国内外异型石材加工技术与装备发展展望

4.1单机多功能化

随着多轴联动控制技术的发展，异型石材加工设备正在向单机设备多功能方向发展。如六维联动数控绳锯机、五轴联动车铣加工中心、五轴联动数控加工中心等多轴加工设备，由先进的CNC系统控制，可完成切割、钻孔、车削、雕铣、磨削、抛光等功能于一体。

4.2智能化

现代CAD/CAM软件的发展加速了机床CAC技术的发展速度。应用先进的Pro/Engineer，、MasterCAM等软件进行CAD/CAM设计加工，生成CAM程序可直接用于CAC机床的加工。使用激光扫描与电脑成像技术和基于PC的开放式数控系统可以对珍贵的文物等制品进行仿真加工。同时采用激光扫描技术提取石材材料特性及纹理特征，通过CAD优化设计软件可惜有效地利用石材天然的纹理和节约材料。

4.3人性化

国外异型石材制品加工设备的开发越来越重视对加工环境的改善，在设备的除尘、减震；设备的防护是工作环境更加安全，设备的外形设计上更加注重人性化设计。如意大利PELLEGRINI公司的S系列喷砂加工设备，配备专门的粉尘收集装置，防止沙尘对工作环境和操作者的污染。在设备外形设计上运动人机工程学的思想，在外款、色彩搭配等方面都别具一格。

4.4高速、高效化

自二十世纪50年代德国Carl Salomon博士首次提出高速切削概念以来，经过半个多世纪的发展，到本世纪初，高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用。因为高速切削加工具有切削力降低、工件热变形小、加工表面质量高、加工效率高、加工成本低等显著的特点，正成为切削加工的主流技术。目前适用于金属切削的高速加工技术在国外已经比较成熟，适合于石材加工的高速加工技术正成为目前石材加工技术研究的主要方向之一。高速切削是一项先进的、正在发展的综合技术，必须将高性能的高速电主轴系统、高速切削机床、与石材高速切削相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺等技术相结合.才能充分发挥高速切削技术的优势。高速切削加工的实现显著提高了工件的加工效率。同时国外在绳锯加工中同时使用多股绳锯，在数控加工中心中同时使用多个工作头等方法的应用。也显著提高了石材制品的加工效率。图5为意大利OMAG公司的MILL98型加工中心工作模拟图，该加工中心同时配备了4个工作头。

5结论

目前，异型石材制品加工设备正向着高速高效化、智能化、人性化和单机设备多功能化方向发展。与国外先进技术相比，我国在异型石材制品的加工技术和设备上还存在较大的差距。因此加速研制新型具有自主知识产权的异型石材加工技术与设备对于推动我国石材制造装备业的发展，提高我国石材产业的整体竟争能力具有十分重要的意义。 

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