非金属材料的机械加工

4-1第四章非金属材料的机械加工一、本章的教学目的与要求本章的第一、二节，在讲述了石材与陶瓷的基本加工方法的基础上，介绍了近年来出现的一些新型加工工艺。与其他材料相比，石材与陶瓷这类无机非金属材料的硬度较大，难以加工。因此需用硬度更高的金刚石刀具或磨具进行切割或磨抛加工。此外，一些新型的加工方法，如高压水射流法、超声波法、激光法等，应用在石材或陶瓷的加工中，可以得到更高精度。第三节主要讲授了塑料的加工，目的是了解塑料的特点、塑料加工的方法，掌握各种切削要素对塑料的机械加工的影响，重点是掌握塑料加工的几何参数的选择。第四节讲授了复合材料的加工，从材料性能上看，复合材料与相应的基体材料既有区别，又有联系。反映到机械加工上，也有类似的特点。比如玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料，其加工可以参考热塑性塑料，但由于玻璃纤维的存在，其切削性能又有不同。本部分内容具有较强的应用性，学习中应注重与金属材料的机械加工和特种加工相对照比较，注意前后知识的综合应用；为了提高分析问题、解决问题的能力，还要注意密切联系生产实际，重视实验环节；学习本章之前，应具有必要的生产实践的感性认识和专业基础知识，故应在金工实习和工程材料等课程后进行学习。二、授课主要内容1石材的加工主要学习石材的切削加工、石材的研磨与抛光2陶瓷的加工主要学习陶瓷的加工、加工技术3塑料的加工主要学习塑料切削基础知识、塑料的单刃切削、塑料的钻削、塑料的铣削加工、塑料的磨削4复合材料的加工4-2主要学习概述、各种复合材料的机械加工特点、复合材料的常规加工方法、其他常规加工方法、特种加工方法5特种材料加工的发展趋势主要学习建立非金属材料切削理论、使用专用机床、发展新型刀具材料三、重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）本章的第一、二节，在讲述了石材与陶瓷的基本加工方法的基础上，介绍了近年来出现的一些新型加工工艺。与其他材料相比，石材与陶瓷这类无机非金属材料的硬度较大，难以加工。因此需用硬度更高的金刚石刀具或磨具进行切割或磨抛加工。此外，一些新型的加工方法，如高压水射流法、超声波法、激光法等，应用在石材或陶瓷的加工中，可以得到更高精度。第三节主要讲授了塑料的加工，目的是了解塑料的特点、塑料加工的方法，掌握各种切削要素对塑料的机械加工的影响，重点是掌握塑料加工的几何参数的选择。第四节讲授了复合材料的加工，从材料性能上看，复合材料与相应的基体材料既有区别，又有联系。反映到机械加工上，也有类似的特点。比如玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料，其加工可以参考热塑性塑料，但由于玻璃纤维的存在，其切削性能又有不同。四、主要外语词汇石材（naturestones）金刚石锯切工具（diamondsawingtools）雕刻（caving）陶瓷（ceramics）五、辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示数等）主讲+板书+多媒体教学+课堂讨论+作业练习六、复习思考题1．用金刚石锯片切割石材时，锯切工艺应如何选择？2．石材锯切的主要加工方法有那些？各有何特点。3．为什么超高压水射流可切割石材或陶瓷材料？4．石材抛光主要有哪两种方法？各有何特点。5．影响石材抛磨质量的因素是什么？4-36．陶瓷加工的主要问题是什么？7．简述陶瓷机械加工的主要加工方法及特点。8．塑料的单刃切削时，对热塑性塑料和热固性塑料如何分别恰当的选择车刀的几何参数？9．钻削塑料时如何恰当的选择钻头的几何参数？10．与金属相比，塑料的机械加工有哪些基本特点?11．热塑性塑料和热固性塑料的车削加工特点与二者的热机械性能差异有何关系?12．金属基复合材料与聚合物基复合材料的机械加工有何异同点。13．结合某一具体实例，谈一下新材料加工的发展趋势。七、参考教材（资料）1、赵民，孙军．异型饰面石材加工技术及装备．非金属矿，1998，(1)：432、魏昕，周泽华，袁慧等．石材锯切加工工艺研究．金刚石与磨料磨具工程，1998,1(103)：323、刘峰，罗忠辉．石材锯切加工工艺研究．机械工程师，2001，（6）：274、王增武．石材加工及开采存在的问题与对策．山东建材，1995，（6）：335、潘振熊，邵福兴．立体类异性石材的加工．中国建材，2001，（8）：806、薄青．金刚石绳锯切割加工石材与建材机械工艺师．1994，（9）：137、赵民，赵永赞，刘黎等．磨料水射流切割石材的应用研究．金刚石与磨料磨具工程．2000，2（116）：218、谈耀麟．花岗石石材抛光枝术．矿产与地质，1994，8（6）：4529、苑金生．浅谈装饰石材表面抛光．山东建材，1997，6：2510、李永贵，高岩．饰面石材磨削抛光工艺对光泽度的影响．吉林地质，1995，14（3）：8511、王正君，腾琦玮，于思远等．石材超声波精雕系统．机械设计，1999，4-41：2712、王瑞刚，潘伟等.可加工陶瓷及工程陶瓷加工技术现状及发展.硅酸盐通报.2001.3(27-35)13、李学之.工程陶瓷加工技术.机床.1992.2(24-25)14、黄春峰.工程陶瓷加工技术的发展与应用.工具技术.2000.34.12(3-6)15、工程陶瓷加工技术概述.机械工艺师.1990(40-42)16、解决技术陶瓷加工难题的新方法.(44-45)17、张林.陶瓷加工的新设想.西南交通大学学报.1989.2.2(111-114)18、吴希让.陶瓷加工的研究进展.汽车工艺与材料.1993.10(3-6)19、Z·塔德莫尔,C·G·戈戈斯.聚合物加工原理.北京：化学工业出版社.199020、邱明恒.高等学校教材:塑料成型工艺.西安:西北工业大学出版社.199421、曹振宇.几种热塑性塑料的机械加工.工具技术.1993,27(4).-19-2122、范瑞顺.热塑性塑料的机械加工.机械工艺师.1994,(6).-8-923、李瑞芬.塑料的机械加工.北京：化学工业出版社.1999，624、范忠仁.塑料的机械加工.北京：化学工业出版社.1989，925、倪双曦.工程塑料的车削和钻削.工程塑料应用.1991，426、赵祖虎.复合材料机械加工技术简介.航天返回与遥感.1997,18(1):57-6327、郝建华.实现塑性状态下切削非金属硬脆材料的思考.新技术新工艺.2000,(6):14-1628、M.Weck,M.Marpert.陈鸿均译，林益耀校.新材料加工对机床提出的要求.工业工程与管理,1998,(2):47-51,634-5第四章非金属材料的机械加工第一节石材的加工天然石材（naturestones）：建筑物的装饰材料,自然本色、绚丽多彩、美观耐用、豪华气派，现代高档建筑装饰的理想选择。我国石材资源极为丰富，目前已探明的花岗石储量达千亿m3，有150多个花色品种，大理石储量为2000亿m3，有390多个花色品种，其资源储量及花色品种占世界首位。石材加工由平面板材为主向平面板材、圆柱体、多面体、曲面体、雕刻品等多品种石材制品发展。采用凿子和錾子等进行剥落和研磨的手工方式加工石材的传统加工方法，有着悠久的历史，但粉尘和劳动强度大，工效低，尺寸精度和表面质量较差。从本世纪70年代至今，陆续研制出各种专用机械加工石材设备，如金刚石绳锯、金刚石锯切机、立式雕刻机、多功能数控加工中心等，其工作效率大大超过了手工加工，并且实现了石材的工业化批量生产。一、石材的切割加工1．金刚石锯切机加工金刚石锯切工具（diamondsawingtools）：切削性能和抗磨损性能优越，在石材等许多工业中得到广泛应用，但金刚石锯片造价较高，其使用寿命直接影响石材的加工成本。因此，在正确选择锯片的同时，应采用合理的锯切工艺参数，以提高锯片使用寿命和切割效率。（1）金刚石锯片的磨损金刚石锯片(diamondblade)的磨损性能是反映锯切工艺参数合理性、锯切工具性能、石材可锯切加工性的重要指标之一。典型的金刚石磨损过程为：金刚石出刃→达到工作高度→破碎→结合剂磨蚀→金刚石再出刃→磨粒破碎→磨粒完全脱落。金刚石磨粒的磨损过程中，不断进行的微破碎、局部破碎过程使得新的切削刃不断产生，锯片处于锋利切削状态，切削效率高，切削功率消耗降低，但锯片使用寿命降低；而金刚石的不断磨平和抛光，会使切削刃钝化，切削力增大，切割效率降低，而锯片的使用寿命有所4-6提高。（2）锯切工艺参数选择锯切工艺参数中，锯切速度对锯片磨损性能影响最大，它主要是通过引起锯切温度和机械载荷的变化，导致金刚石磨粒产生不同形态的磨损。在低速区，机械载荷对锯片磨损起着主要作用，增大锯切速度，单颗金刚石磨粒切削厚度及有效切削面积减小，因此，机械载荷随之减小，锯片径向磨损减小，金刚石磨损形态以磨平、脱落为主；在高速区，机械载荷冲击及热载荷对锯片磨损有决定性影响，随着锯切速度的提高，热载荷及机械载荷冲击作用增大，锯片磨损加剧，金刚石磨粒以破碎形式居多。锯切深度和进给速度的改变主要是通过引起机械载荷的变化影响锯片磨损性能。增大锯切深度或进给速度，单颗金刚石磨料切削厚度随之增大，切削载荷增大，锯片磨损加剧。此外，增大锯切深度，还会使金刚石磨粒与岩石接触弧长随之增大，由于摩擦作用，金刚石磨损形态以磨平为主，切削刃变钝，从而使切削载荷增大，锯切过程不稳定。在相同锯切率情况下，采用大锯切深度小进给速度时，金刚石磨粒的切削厚度相对减小，切削路径长，金刚石磨粒的磨损形式以热载荷作用导致的磨平为主，而破碎的磨粒数减少；采用小锯切深度、大进给速度时。金刚石磨粒的切削厚度增大，切削路径短，此时，金刚石磨粒的磨损形式以机械载荷及其冲击作用导致的金刚石破碎为主。此外，锯片本身的形状，如直径、齿数、槽宽等，以及石材的材质、冷却液的选择等对锯切过程也有着重要的影响。因此，在石材的锯切加工中，需对多方面因素综合考虑，以获得最理想的锯切效果。（3）石材锯切机加工方法1）圆筒切机加工用金刚石圆筒切机可进行石材的圆柱面加工，图4－1为圆筒切机的结构示意图。将图4－1圆筒切机结构简图荒料固定在料车7上，由进给电机4带动进给传动轴31.圆筒刀具2-主电机3-进给传动丝杠转动，并带动横梁6作垂直方向进给运动。同时，主4-进给电机5-立柱6-横梁7-料车电机2经皮带带动金刚石圆筒刀具1作旋转切割运动。进给电机采用无级调速，其速度范围为0.9～9mm/min。圆筒金刚石刀具刚度大，加工精度好，效率高。2）仿形切机加工仿形切机可进行石材曲面的加工，图4－2为其结构简图。根据所需曲面形状，用其它材料制作同形样板5，并固定在横梁6上；与锯片3同直径的靠轮4，由电机驱动沿样板5作曲面运动，并控制液压缸9上下位移；以带动金刚石锯片3的主轴作垂4-7直进给运动。金刚石锯片3由电机带动，作主切削运动。锯片的进给运动，由主轴横向进给运动和液压缸垂直运动合成。因此，石材横向廓形由样板的形状所决定。当靠模轮在样板上完成一次横向行程后，由电机带动横梁6沿纵向导轨8运动，其纵向位移距离等于锯片宽度，然后再进行横向切割，重复上述动作即可切出所需尺寸的石图4－2仿形切机结构简图材曲面。仿形切削适于大批量生产，可以切割各1-工作台2-石料3-锯片4-靠轮5-样板种凹凸曲面。6-横梁7-操作台8-纵向导轨9-液压缸3）数控机床加工加工石材的数控机床主要有：数控车床和数控铣床。图4－3为数控车床的结构简图。金刚石刀具由计算机控制，可实现三个坐标方向的运动和坐标轴联动，以加工各种异型曲面。操作人员可直接在计算机的屏幕上，对被加工石材的图样进行造型设什，并按加工顺序在屏幕上演示全部图4－3数控车床结构简图加工运动轨迹（可进行剪裁、编辑和修改）并根1-床身2-工件3-主轴箱4-主轴5-桥架马达据其廓形编程。符合要求后，将设计的石材廓形6-横梁7-金刚石切片8-切片升降导轨9-切片升降电机转换成数控加工程序，输入到机床的控制系统中，10-横向运动电机11-金刚石切片动力头控制系统发出位移和速度指令，以控制机床伺服12-磨头13-纵向桥架系统的运动。伺服系统通过伺服电机驱动滚珠丝杠转动，带动刀架完成各坐标方向的运动，实现各种曲面的加工。数控机床加工精度高，但相应地加