大规格陶瓷板均匀性磨削机理研究
徐斌 周祖兵
摘 要：针对大规格陶瓷板磨削均匀性差，加工效率低的现状，本文提出大规格陶瓷板均匀性磨削机理及实现方法，采用均匀性磨削区域平移到非均匀性磨削区域，提高大规格陶瓷板板面均匀性。并通过仿真验证了所提大规格均匀磨削理论的正确性。研究结果还得出磨头并排磨削不仅提高均匀性还提高加工效率。
关健词：大规格陶瓷板；均匀磨削；非均匀性磨削；磨头
1 前言
近两年，陶瓷大板，是意大利博洛尼亚CERSAIE展会最吸引眼球的产品。博洛尼亚展之后，国内瓷砖行业、设计界的专家无一例外都将陶瓷大板列为瓷砖行业第一国际流行趋势。据业内资深人士透露，截止2016年底，国内已有18条大板生产线投产[1]，2017年在国内市场推广大板正当其时。金牌陶瓷、亚细亚集团等知名陶企相继推出1200×2400 mm、1600×3200 mm等大规格产品。
目前加工大规格陶瓷板的技术比较成熟，在表面抛光的深加工阶段，采用将现有瓷砖抛光机宽度加大的方式进行[2-3]。在抛光工艺方面则继续沿用传统摆动式抛光工艺。在继承这种加工工艺优势的同时，也显现出无法满足大规格陶瓷板表面加工的要求。一是大规格陶瓷表面磨削均匀性无法满足；二是加工效率低。
本文在前人研究的基础上，分析了现有摆动式瓷砖抛光机磨削瓷砖表面均匀性规律，提出大规格陶瓷板磨削均匀性机理及其实现方法。通过对大规格陶瓷板表面磨削均匀性仿真，验证了本文所提出大规格陶瓷板磨削均匀性机理及实现方法的正确性。本文研究结果对研究大规格陶瓷板加工工艺和技术提供理论指导，为设备创新提供理论依据。
2 现有摆动式瓷砖抛光机磨头磨削均匀性分析
图1为摆动式抛光磨头对瓷砖抛光过程图，瓷砖在皮带的驱动下不断地向前进给，磨头在横梁的驱动下作横向摆动。在图1中，磨头从极限位置A横向移动到极限位置B，就会覆盖整个瓷砖的表面。磨头横向摆动的幅度为H，磨头通常会超出瓷砖的边界约100 mm，该值是按照磨头直径550 mm计算。
为了分析现有摆动式抛光磨头磨削表面的均匀性，如图2所示，以800 × 800 mm瓷砖为例，采用磨削直径550 mm的磨头，磨块的长度170 mm，磨块伸出瓷砖边缘的长度为100 mm。磨头摆动的幅度为450 mm。磨头摆动时，瓷砖静止不进给，考察磨头从一个极限Ⅰ摆动到另外一个极限Ⅱ，磨头在瓷砖表面的磨削均匀性。
仿真方法和过程如下：将瓷砖的纵横向各等分10份，瓷砖表面被分成为100个小格子。同时磨头摆动幅度分为10等份。磨头沿着磨头幅度的等份点，依次按照箭头方向向前移动，磨头会从瓷砖表面所分的每个分格的边缘处开始，依次经过整个分格。然后计算出磨头经过该分格所覆盖该分格的次数。每覆盖一次，就在分格里放置一个圆圈。每个分格里面的圆圈数，就是磨头经过该分格的覆盖次数。其仿真结果如图3所示。
通过图3的仿真结果看出，瓷砖中间的磨削次数多于两边，瓷砖中间磨削相对均匀一些。瓷砖磨削的次数从边缘Ⅰ开始逐渐增加，到瓷砖中部时磨削次数最多，而且相对稳定。经过瓷砖中部以后，磨削次数下降，到瓷砖另外一个边缘Ⅱ最少。也就是说，瓷砖中部是磨的多，是过磨的，两边磨的少。为了应对这种磨削均匀性的现象，目前瓷砖厂从窑炉出来的瓷砖都是龟背的，两边低中间高。最后，瓷砖就会被磨平。如果从窑炉出来的瓷砖是平整的，瓷砖被磨削之后，就会出现凹心。
通过图3的仿真结果本文总结出现有摆动式瓷砖抛光机磨削瓷砖的均匀性曲线，如图4所示。瓷砖摆动磨削之后，瓷砖表面会呈现中间磨削均匀，两边磨削不均匀的规律。
随着瓷砖规格的加大，瓷砖边缘部位不均匀性区域1、区域3就会加大。瓷砖进给速度加快就会出现漏抛。目前大规格陶瓷板都是采用摆动式抛光方法加工的，都会出现普通瓷砖的磨削均匀性規律。为了使陶瓷大板磨削的平整一些，并且减少漏抛，陶瓷大板的进给速度只有3 ～ 6 m/min。
3 大规格陶瓷板均匀性磨削机理
针对大规格陶瓷板磨削均匀性差，加工效率低的现状，提出大规格陶瓷板均匀性磨削理论。该理论如下：磨头只要摆动磨削，大规格陶瓷板表面磨削均匀性，就会产生图4中所示的磨削均匀性规律曲线。为了消除边缘部位磨削的不均匀性，将中间磨削均匀性部位移动到非均匀性区域，从而实现整面的均匀性磨削。
具体的步骤如下：
如图5所示，图中虚线显示的是磨头在大规格陶瓷板宽度方向上摆动磨削后，磨削均匀性规律曲线。分为三个区域：区域1为非均匀性区域；区域2为均匀性区域；区域3为非均匀性区域。图5（a）将均匀性磨削区域向左移动到区域1，磨削规律曲线中均匀段左移到区域1的上方，图中实线显示部分。图5（b）将均匀性磨削区域向右移动到区域2，磨削规律曲线中均匀段右移到区域2的上方，图中实线显示部分。图5（c）是磨削均匀曲线左右移动之后，磨削非均匀区域在陶瓷大板的中间部位叠加。也就是两个磨削非均匀区域的磨削次数在陶瓷大板的中间部位叠加。这时陶瓷大板中间部位的磨削次数就会增加，与边缘均匀磨削区域的磨削次数相差无几。图5（d）是经过均匀性磨削区域左右移动、中间部位非均匀性区域叠加之后，陶瓷大板表面的磨削均匀性。表面的磨削均匀性区域覆盖绝大部分板面，在板面的边缘处也会有非均匀性区域，因为大板边缘预留的边缘余量很大，最后会做切边处理，边缘非均匀性区域就会减小或者没有，最终实现板面的整体磨削均匀。
4 大规格陶瓷板均匀性磨削实现方法
根据上述大规格陶瓷板均匀性磨削理论，其具体的实现方法如下：
大规格陶瓷板从中间分为左右两个部分，有两个磨头1、2各加工板面的左边和右边。两个磨头并排放置，同时摆动，如图6所示。摆动的幅度都是H1。
如图7所示。磨头1加工板面的左边部分，磨头1的摆动幅度很小。前面分析得知，磨头只要摆动磨削，就会产生如图4所示的规律。因此，磨头1在板面左边磨削产生三个区域，非均匀区域（1）、（2），均匀区域（3）。均匀性区域（3），就会在板面左边的中间部位。图7由两个图组成，上面是俯视图，下面是其主视图。而板面左边的中间部位，是普通摆动磨削非均匀性区域的所在。
图8所示，磨头2加工板面的右边部分，其磨削规律同磨头1、磨头2在板面右边磨削产生三个区域，非均匀区域（4）、（6），均匀区域（5）。均匀性区域（5），就会在板面右边的中间部位。
磨头1、2摆动加工之后，陶瓷大板板面中间部位是磨头1非均匀性区域（2）、磨头2非均匀性区域（4）的叠加。磨头移动到边缘位置时，磨削的次数会减少，但是两次磨削次数的叠加，会大幅度提高陶瓷大板板面中间部分的磨削次数。提高了其磨削的均匀性。如图9所示。磨削均匀区域（7）是磨头1非均匀性区域（2）、磨头2非均匀性区域（4）的叠加。最终实现板面的整体性磨削均匀，如图10所示。
图10所示，板面绝大部分是磨削均匀的，唯独边缘部位还有少许的非均匀性区域，因为本文仿真没有在边缘部位作停留。而在实际加工过程中，磨头摆动到边缘部位时，会作短暂的停留。板面边缘部位的磨削次数会增加。因此，板面最终会实现整体性磨削均匀。
5 大规格陶瓷板均匀性磨削实例仿真
为了验证大规格陶瓷板均匀性磨削理论和实现方法的正确性，采用仿真的方法进行。采用1200×3000 mm规格的陶瓷大板，两个磨头直径都是550 mm，磨头加工到边缘位置时，磨头超出边缘部位100 mm。两个磨头的间距590 mm，摆动幅度260 mm，陶瓷大板的进给速度12 m/min，磨头的摆动频率10次/分钟。
仿真原理图如图11、12所示。
仿真方法和过程如下：将瓷砖的横向等分10份，纵向按照横向等分的距离，依次等分边长，陶瓷大板表面被分成为大小相等的小格子。同时磨头摆动幅度分为10等份。磨头沿着磨头幅度的等份点，依次按照箭头方向向前移动，磨头会从瓷砖表面所分的每个分格的边缘处开始，依次经过整个分格。然后计算出磨头经过该分格所覆盖该分格的次数。
仿真结果如图13所示。
图13显示，在磨头正常磨削大板的中间阶段，整个大板表面的磨削均匀，边缘处各有一小格的距离磨削次数少于中间。这个部位的将来会采用切边，和磨头边缘停留的方式，将边缘部位磨削均匀。
从仿真结果看，采用本文提出的磨削均匀性理论和实现方法，大规格的陶瓷大板表面可实现磨削均匀性面积达到98%的程度，能够有效的提高大板瓷磚的表面均匀性磨削。仿真结果得出本文提出的大规格陶瓷板均匀性磨削理论和实现方法是正确的。
宽度为1200 mm大板，采用两个磨头并排抛光。每个磨头的抛光的面积相当于规格为600 mm的瓷砖。在进给速度上，可以达到规格为600 mm的瓷砖效率。因此，大规格陶瓷板均匀性磨削机理和实现方法，不仅能提高板面磨削的均匀性，同时提高加工效率。
6 结论
（1） 磨头摆动磨削瓷砖表面，会在瓷砖表面产生三个区域：两侧非均匀性磨削区域，中间磨削均匀性区域。
（2） 提出大规格陶瓷板均匀性磨削理论及实现方法，采用均匀性磨削区域平移到非均匀性磨削区域，能够提高大规格陶瓷板板面磨削均匀性。
（3） 大规格陶瓷板板面仿真实验结果验证了大规格陶瓷板均匀性磨削理论及实现方法的正确性。采用双磨头并排磨削大板表面不仅提高磨削均匀性，而且提高加工效率。
参考文献
[1] 许学锋. HQ大规格通体花岗岩瓷砖：当之无愧的国内领先[J]. 佛山陶瓷， 2017， 27（4）.
[2] 陈彩如， 谭建平. 大规格陶瓷砖抛光过程仿真与试验研究[J]. 中国陶瓷， 2008， 44（2）：45-47.
[3] 朱为扬. 大板平度的形成和控制[J]. 石材， 1994（5）：35-38.
摘 要：针对大规格陶瓷板磨削均匀性差，加工效率低的现状，本文提出大规格陶瓷板均匀性磨削机理及实现方法，采用均匀性磨削区域平移到非均匀性磨削区域，提高大规格陶瓷板板面均匀性。并通过仿真验证了所提大规格均匀磨削理论的正确性。研究结果还得出磨头并排磨削不仅提高均匀性还提高加工效率。
关健词：大规格陶瓷板；均匀磨削；非均匀性磨削；磨头
1 前言
近两年，陶瓷大板，是意大利博洛尼亚CERSAIE展会最吸引眼球的产品。博洛尼亚展之后，国内瓷砖行业、设计界的专家无一例外都将陶瓷大板列为瓷砖行业第一国际流行趋势。据业内资深人士透露，截止2016年底，国内已有18条大板生产线投产[1]，2017年在国内市场推广大板正当其时。金牌陶瓷、亚细亚集团等知名陶企相继推出1200×2400 mm、1600×3200 mm等大规格产品。
目前加工大规格陶瓷板的技术比较成熟，在表面抛光的深加工阶段，采用将现有瓷砖抛光机宽度加大的方式进行[2-3]。在抛光工艺方面则继续沿用传统摆动式抛光工艺。在继承这种加工工艺优势的同时，也显现出无法满足大规格陶瓷板表面加工的要求。一是大规格陶瓷表面磨削均匀性无法满足；二是加工效率低。
本文在前人研究的基础上，分析了现有摆动式瓷砖抛光机磨削瓷砖表面均匀性规律，提出大规格陶瓷板磨削均匀性机理及其实现方法。通过对大规格陶瓷板表面磨削均匀性仿真，验证了本文所提出大规格陶瓷板磨削均匀性机理及实现方法的正确性。本文研究结果对研究大规格陶瓷板加工工艺和技术提供理论指导，为设备创新提供理论依据。
2 现有摆动式瓷砖抛光机磨头磨削均匀性分析
图1为摆动式抛光磨头对瓷砖抛光过程图，瓷砖在皮带的驱动下不断地向前进给，磨头在横梁的驱动下作横向摆动。在图1中，磨头从极限位置A横向移动到极限位置B，就会覆盖整个瓷砖的表面。磨头横向摆动的幅度为H，磨头通常会超出瓷砖的边界约100 mm，该值是按照磨头直径550 mm计算。
为了分析现有摆动式抛光磨头磨削表面的均匀性，如图2所示，以800 × 800 mm瓷砖为例，采用磨削直径550 mm的磨头，磨块的长度170 mm，磨块伸出瓷砖边缘的长度为100 mm。磨头摆动的幅度为450 mm。磨头摆动时，瓷砖静止不进给，考察磨头从一个极限Ⅰ摆动到另外一个极限Ⅱ，磨头在瓷砖表面的磨削均匀性。
仿真方法和过程如下：将瓷砖的纵横向各等分10份，瓷砖表面被分成为100个小格子。同时磨头摆动幅度分为10等份。磨头沿着磨头幅度的等份点，依次按照箭头方向向前移动，磨头会从瓷砖表面所分的每个分格的边缘处开始，依次经过整个分格。然后计算出磨头经过该分格所覆盖该分格的次数。每覆盖一次，就在分格里放置一个圆圈。每个分格里面的圆圈数，就是磨头经过该分格的覆盖次数。其仿真结果如图3所示。
通过图3的仿真结果看出，瓷砖中间的磨削次数多于两边，瓷砖中间磨削相对均匀一些。瓷砖磨削的次数从边缘Ⅰ开始逐渐增加，到瓷砖中部时磨削次数最多，而且相对稳定。经过瓷砖中部以后，磨削次数下降，到瓷砖另外一个边缘Ⅱ最少。也就是说，瓷砖中部是磨的多，是过磨的，两边磨的少。为了应对这种磨削均匀性的现象，目前瓷砖厂从窑炉出来的瓷砖都是龟背的，两边低中间高。最后，瓷砖就会被磨平。如果从窑炉出来的瓷砖是平整的，瓷砖被磨削之后，就会出现凹心。
通过图3的仿真结果本文总结出现有摆动式瓷砖抛光机磨削瓷砖的均匀性曲线，如图4所示。瓷砖摆动磨削之后，瓷砖表面会呈现中间磨削均匀，两边磨削不均匀的规律。
随着瓷砖规格的加大，瓷砖边缘部位不均匀性区域1、区域3就会加大。瓷砖进给速度加快就会出现漏抛。目前大规格陶瓷板都是采用摆动式抛光方法加工的，都会出现普通瓷砖的磨削均匀性規律。为了使陶瓷大板磨削的平整一些，并且减少漏抛，陶瓷大板的进给速度只有3 ～ 6 m/min。
3 大规格陶瓷板均匀性磨削机理
针对大规格陶瓷板磨削均匀性差，加工效率低的现状，提出大规格陶瓷板均匀性磨削理论。该理论如下：磨头只要摆动磨削，大规格陶瓷板表面磨削均匀性，就会产生图4中所示的磨削均匀性规律曲线。为了消除边缘部位磨削的不均匀性，将中间磨削均匀性部位移动到非均匀性区域，从而实现整面的均匀性磨削。
具体的步骤如下：
如图5所示，图中虚线显示的是磨头在大规格陶瓷板宽度方向上摆动磨削后，磨削均匀性规律曲线。分为三个区域：区域1为非均匀性区域；区域2为均匀性区域；区域3为非均匀性区域。图5（a）将均匀性磨削区域向左移动到区域1，磨削规律曲线中均匀段左移到区域1的上方，图中实线显示部分。图5（b）将均匀性磨削区域向右移动到区域2，磨削规律曲线中均匀段右移到区域2的上方，图中实线显示部分。图5（c）是磨削均匀曲线左右移动之后，磨削非均匀区域在陶瓷大板的中间部位叠加。也就是两个磨削非均匀区域的磨削次数在陶瓷大板的中间部位叠加。这时陶瓷大板中间部位的磨削次数就会增加，与边缘均匀磨削区域的磨削次数相差无几。图5（d）是经过均匀性磨削区域左右移动、中间部位非均匀性区域叠加之后，陶瓷大板表面的磨削均匀性。表面的磨削均匀性区域覆盖绝大部分板面，在板面的边缘处也会有非均匀性区域，因为大板边缘预留的边缘余量很大，最后会做切边处理，边缘非均匀性区域就会减小或者没有，最终实现板面的整体磨削均匀。
4 大规格陶瓷板均匀性磨削实现方法
根据上述大规格陶瓷板均匀性磨削理论，其具体的实现方法如下：
大规格陶瓷板从中间分为左右两个部分，有两个磨头1、2各加工板面的左边和右边。两个磨头并排放置，同时摆动，如图6所示。摆动的幅度都是H1。
如图7所示。磨头1加工板面的左边部分，磨头1的摆动幅度很小。前面分析得知，磨头只要摆动磨削，就会产生如图4所示的规律。因此，磨头1在板面左边磨削产生三个区域，非均匀区域（1）、（2），均匀区域（3）。均匀性区域（3），就会在板面左边的中间部位。图7由两个图组成，上面是俯视图，下面是其主视图。而板面左边的中间部位，是普通摆动磨削非均匀性区域的所在。
图8所示，磨头2加工板面的右边部分，其磨削规律同磨头1、磨头2在板面右边磨削产生三个区域，非均匀区域（4）、（6），均匀区域（5）。均匀性区域（5），就会在板面右边的中间部位。
磨头1、2摆动加工之后，陶瓷大板板面中间部位是磨头1非均匀性区域（2）、磨头2非均匀性区域（4）的叠加。磨头移动到边缘位置时，磨削的次数会减少，但是两次磨削次数的叠加，会大幅度提高陶瓷大板板面中间部分的磨削次数。提高了其磨削的均匀性。如图9所示。磨削均匀区域（7）是磨头1非均匀性区域（2）、磨头2非均匀性区域（4）的叠加。最终实现板面的整体性磨削均匀，如图10所示。
图10所示，板面绝大部分是磨削均匀的，唯独边缘部位还有少许的非均匀性区域，因为本文仿真没有在边缘部位作停留。而在实际加工过程中，磨头摆动到边缘部位时，会作短暂的停留。板面边缘部位的磨削次数会增加。因此，板面最终会实现整体性磨削均匀。
5 大规格陶瓷板均匀性磨削实例仿真
为了验证大规格陶瓷板均匀性磨削理论和实现方法的正确性，采用仿真的方法进行。采用1200×3000 mm规格的陶瓷大板，两个磨头直径都是550 mm，磨头加工到边缘位置时，磨头超出边缘部位100 mm。两个磨头的间距590 mm，摆动幅度260 mm，陶瓷大板的进给速度12 m/min，磨头的摆动频率10次/分钟。
仿真原理图如图11、12所示。
仿真方法和过程如下：将瓷砖的横向等分10份，纵向按照横向等分的距离，依次等分边长，陶瓷大板表面被分成为大小相等的小格子。同时磨头摆动幅度分为10等份。磨头沿着磨头幅度的等份点，依次按照箭头方向向前移动，磨头会从瓷砖表面所分的每个分格的边缘处开始，依次经过整个分格。然后计算出磨头经过该分格所覆盖该分格的次数。
仿真结果如图13所示。
图13显示，在磨头正常磨削大板的中间阶段，整个大板表面的磨削均匀，边缘处各有一小格的距离磨削次数少于中间。这个部位的将来会采用切边，和磨头边缘停留的方式，将边缘部位磨削均匀。
从仿真结果看，采用本文提出的磨削均匀性理论和实现方法，大规格的陶瓷大板表面可实现磨削均匀性面积达到98%的程度，能够有效的提高大板瓷磚的表面均匀性磨削。仿真结果得出本文提出的大规格陶瓷板均匀性磨削理论和实现方法是正确的。
宽度为1200 mm大板，采用两个磨头并排抛光。每个磨头的抛光的面积相当于规格为600 mm的瓷砖。在进给速度上，可以达到规格为600 mm的瓷砖效率。因此，大规格陶瓷板均匀性磨削机理和实现方法，不仅能提高板面磨削的均匀性，同时提高加工效率。
6 结论
（1） 磨头摆动磨削瓷砖表面，会在瓷砖表面产生三个区域：两侧非均匀性磨削区域，中间磨削均匀性区域。
（2） 提出大规格陶瓷板均匀性磨削理论及实现方法，采用均匀性磨削区域平移到非均匀性磨削区域，能够提高大规格陶瓷板板面磨削均匀性。
（3） 大规格陶瓷板板面仿真实验结果验证了大规格陶瓷板均匀性磨削理论及实现方法的正确性。采用双磨头并排磨削大板表面不仅提高磨削均匀性，而且提高加工效率。
参考文献
[1] 许学锋. HQ大规格通体花岗岩瓷砖：当之无愧的国内领先[J]. 佛山陶瓷， 2017， 27（4）.
[2] 陈彩如， 谭建平. 大规格陶瓷砖抛光过程仿真与试验研究[J]. 中国陶瓷， 2008， 44（2）：45-47.
[3] 朱为扬. 大板平度的形成和控制[J]. 石材， 1994（5）：35-38.
