作者：高玉飞、杨阳 主编
出版社：化学工业出版社
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石材的机械加工试读：
前言
石材是具有高硬度、高脆性特点的材料，因其稳定的物理与化学特性，成为建筑业的主要材料。随着科学技术和现代工业的发展，石材的应用领域日益扩展，人们对石材制品的需求量越来越大，并向高质量、精品化的方向发展。我国石材行业经过近几十年的高速发展，一跃成为在石材产量、消费量、贸易量均位于世界首位的石材工业大国，总产值突破了百亿美元大关。石材加工也由以前的手工操作逐渐转变为机械化操作，目前中国已成为名副其实的世界石材加工厂，发展趋势和前景看好。然而，相对于石材产业的迅速发展，我国石材加工技术还相对落后，相关的研究和开发能力较为不足，制约了石材产业的发展。
石材的机械加工主要包括石材锯割加工与磨抛加工。本文较全面和系统地阐述了石材各种机械加工技术的特点、工艺以及应用等主要内容，并集结了在石材加工技术的基础理论方面的一些研究成果，力求兼顾实用性与理论性，做到内容简洁、丰富、层次分明。
本书共分8章。第1章介绍了石材的定义、分类、性质与用途，石材的可加工性及常用加工工具与装备，简要介绍石材机械加工的基础理论；第2章介绍了石材的金刚石串珠绳锯加工技术特点与用途，以及金刚石串珠绳锯加工石材的锯切力、锯切温度等方面的基础理论；第3章介绍了石材的金刚石圆锯片切割技术，介绍了圆锯片的使用与切割工艺及相关的基础理论成果；第4章介绍了石材的框架锯切割技术，将花岗岩的钢砂框架锯切割技术与大理石的金刚石框架锯切割技术分别介绍；第5章介绍了石材钻铣加工的相关工具及加工工艺；第6章介绍了石材磨抛加工的相关工具及加工工艺；第7章简要介绍了石材的带锯切割、高压水射流加工、剁斧、烧毛、喷砂及激光等加工技术；第8章在前7章对石材加工技术论述的基础上，简要介绍了石材常见板材制品的加工工艺。
本书在编写过程中，得到山东大学机械工程学院和山东省石材工程技术研究中心的领导以及有关老师的帮助，对此表示衷心地感谢。且对书中所引用参考文献的作者一并致谢。
由于水平有限，加之时间仓促、资料有限，使得本书难免存在疏漏和不当之处，敬请广大读者批评指正。编者2013年5月
第一章 绪论
石材具有高硬度和高脆性等特点。人类开采、使用石材的历史可追溯到约8000年前的新石器时代，原始人类使用经过打磨、加工的石器作为生产工具和生活用具，可视为人类使用和加工天然石材最早的例子。人类开采天然石材用作建筑材料则有五千多年的历史，如埃及的胡夫金字塔由天然石材建成，距今约4700年。14世纪末期意大利开始用爆破的方法开采大理石石材，大大地促进了开采方法的进步，1800年采用普通钢绳锯，1896年使用风动凿岩机，1978年开始使用金刚石串珠式锯石机锯采石材。随着石材加工技术的发展，天然石材在艺术装饰、生活用具、化工、机械、工业、农业等领域的应用更加广泛。中国目前已成为世界石材加工工厂，石材总产量约占世界的65%，发展的前景和趋势看好。4000亿人民币的产值更彰显出石材在国民经济建设中的重要性。将天然石材变为石材制品，一般经过“开采、切割、光整”等步骤。石材的加工主要包括石材锯割、磨削和抛光等，主要使用以金刚石为磨料的各种形式的金刚石工具。
1.1 石材的定义、分类、性质与用途
1.1.1 石材的定义
目前，应用于建筑、装饰、生活用具、化工、机械和工业等领域的石材分为人造天然石材和天然石材两大类。人造石材是用矿物质原料、无机或有机胶结料及各种外加剂配制而成，经胶黏剂、固化剂、助剂等粘接，再经抽真空挤压成型而做成的一种建筑装饰饰面坯（块、板）料，如人造大理石和人造花岗岩等。天然石材是指由天然岩石开采的毛石、或经加工制成的石块、石板及其定型制品等。天然岩石是在地质作用下产生的、由一种或多种矿石矿物按一定的规律组成的自然集合体，是构成地球的固体部分。矿物是在各种地质作用中形成的，在一定地质条件和物理化学条件下相对稳定的自然元素单质（如石英和方解石）或化合物（如云母和角闪石）。组成岩石的这些矿物被称为造岩矿物，除以上造岩矿物外，还有长石、辉石、橄榄石、白云石、石膏、滑石、黄铁矿等。目前，已发现的造岩矿物有3300多种，其中主要的造岩矿物有30多种。由单一矿物组成的岩石叫单矿岩，例如石灰岩是主要由方解石矿物组成的单矿岩；由两种或更多矿物组成的岩石叫多矿岩，如花岗石是由长石、石英和云母等几种矿物组成的多矿岩。
天然石材具有抗压强度高，耐久性和耐磨性好，资源分布广，便于就地取材，生产成本低等优点，是古今土木建筑工程的主要建筑材料，但同时天然石材具有脆性大，抗拉强度低，自重大，结构的抗震性能差，开采加工较困难等特点。
人造石材分为无机（水泥）合成石、有机（树脂）合成石以及有机与无机复合合成石，主要特点和性能指标有：①可以依据人们的需要自行设计产品；②产品加工性能良好；③骨料为石料，来源广、价格低，结合剂、填料、助剂和颜料可完全国产化；④产品弹性和抗冲击性好，成品尺寸准确；⑤虽然全自动连续化生产设备目前国内不能生产，但加工设备可国产化。
1.1.2 石材的分类
天然石材在各个行业的应用存在多种分类方法，主要有按成因和商业品种的分类。（1）根据岩石的成因，天然岩石可分为岩浆岩（火成岩）、沉积岩和变质岩3大类。
① 岩浆岩 又称火成岩，由岩浆在地下或喷出地面后冷却凝结形成的岩石，约占地壳总体积的65%，主要由硅酸盐矿物组成。岩浆是地表下面存在的高温高压熔融的硅酸盐物质。根据不同的形成条件，岩浆岩可分为深成岩、浅成岩和喷出岩3种。深成岩是地壳内的熔融岩浆在受上部覆盖层压力的作用下，经缓慢冷凝而形成的岩石，形成深度大于3km。建筑上常用的深成岩有花岗岩、正长岩、橄榄岩、闪长石和辉长岩等。其中花岗岩是岩浆岩中分布较广的一种岩石，主要由长石、石英和少量云母（或角闪石等）组成，具有致密的结晶结构和块状结构。地壳内熔融岩浆缓慢冷凝形成深度小于3km的称为浅成岩。喷出岩是岩浆冲破覆盖层喷出地表时，在压力降低和冷却速率较快条件下形成的岩石。建筑上常用的喷出岩有玄武岩和安山岩等。玄武岩是喷出岩中最普通的一种，呈黑色或棕黑色，常呈玻璃质或隐晶质结构，有时也呈多孔状或斑状构造。
② 沉积岩 又称水成岩，是在地表或近地表的常温常压条件下，露出地表的先成岩石受风化剥蚀作用的破坏产物或生物作用与火山作用的产物，经原地或外力搬运所形成的沉积层，再经成岩作用而成的岩石。沉积岩主要特征是：层理构造显著；沉积岩中常含古代生物遗迹，经石化作用即成化石；有的具有干裂、孔隙、结核等。根据生成条件不同，沉积岩可分为机械沉积岩、化学沉积岩和有机沉积岩3种。机械沉积岩由自然风化而逐渐破碎松散的岩石及砂等，经海、河、湖等流水以及风、冰川等外力机械力作用重新压实或胶结而成的岩石，如砂岩、页岩等。化学沉积岩由溶解在水中的矿物质经聚积、反应、重结晶等沉积而形成的岩石，如石膏、白云岩等。有机沉积岩由各种有机体的残骸沉积而成的岩石，如硅藻土、生物碎屑灰岩等。建筑中常用的沉积岩有石灰岩和砂岩等。
③ 变质岩 由变质作用形成的岩石，是原来已存在的各种岩石，在特定的地质和物理化学条件下，矿物成分和组构发生变化，转化再造形成的岩石。一般是在温度和压力升高条件下进行的，质变可能是重结晶、纹理改变或颜色改变。建筑中常见的变质岩有大理岩、石英岩和片麻岩等。大理岩又称大理石，含碳酸盐矿物大于50%，构造致密，抗压强度高，密度大，硬度不大，锯切与雕刻性能好，磨光后非常美观，装饰性好，抗风化性差。石英岩由硅质砂岩变质而成，具有晶体结构，均匀致密，抗压强度高，耐久性高，单硬度大，机械加工困难。片麻岩由花岗岩变质而成，矿物成分与花岗岩相似，呈片状构造，因此各个方向的物理及力学性能不同。（2）根据商业品种的分类方法，可分为大理石、花岗石和板石3大类。
① 大理石 商业上指以大理岩为代表的一类石材，包括结晶的碳酸盐类岩石和质地较软的其他变质岩类石材。如大理岩、白云岩、蛇纹岩、镁橄榄石等。具有花色绚丽、装饰性能好、硬度低（摩氏硬度为3～3.5）、抗折、抗压、抗撞击强度均低于花岗石，耐酸性差、耐久性差等特点。
② 花岗石 商业上指以花岗岩为代表的一类石材，包括岩浆岩和各种硅酸盐类变质岩石材。如辉长岩、辉绿岩、闪长岩、正长岩、流纹岩、混合岩、片麻岩、角岩等。具有花色均一、可拼性好、硬度高（莫氏硬度大于6）、抗压、抗折、抗撞击强度高；化学稳定性强，具有良好的耐酸、碱性和耐久性等特点。
③ 板石 商业上指易沿流片理产生的劈理面裂开成薄片的一类变质岩类石材。如板岩、片岩、千枚岩、页岩、变粒岩等。特点：劈裂性好、无须锯切、颜色均一、硬度较高（莫氏硬度为4.5～5.5）、抗折、抗撞击强度高、耐酸、碱性强、吸水率较高。
人造石材是以不饱和聚酯树脂为黏结剂，配以天然大理石或方解石、白云石、硅砂、玻璃粉等无机物粉料，以及适量的阻燃剂、颜色等，经配料混合、瓷铸、振动压缩、挤压等方法成型固化制成的。与天然石材相比，人造石具有色彩艳丽、光洁度高、颜色均匀一致，抗压耐磨、韧性好、结构致密、坚固耐用、相对密度小、不吸水、耐侵蚀风化、色差小、不褪色、放射性低等优点。具有资源综合利用的优势，在环保节能方面具有不可低估的作用，也是名副其实的绿色环保建材，已成为现代建筑首选的饰面材料。常见人造合成石与天然花岗石、大理石部分性能对比见表1-1，常用有机人造树脂型合成石3类主要产品性能指标见表1-2。表1-1 常见人造石与天然花岗石、大理石部分性能对比表1-2 常用树脂型有机合成石主要产品性能指标
1.1.3 石材的性质
石材的性质，可分为物理性质、力学性质和工艺性质。（1）物理性质 石材的物理性质包括石材的颜色、光泽、表观密度、吸水性、耐水性、抗冻性、耐热性和导热性等。
① 颜色 石材的致色来自于自色、他色和假色的共同作用。自色由矿物的成分、结构所决定，是光波与矿物晶格中的电子相互作用的结果。它可以是晶格中金属阳离子内部的电子跃迁或离子间电子的转移，也可以是不同能带间电子跃迁吸收了能量而呈现的颜色。他色是石材因含外来杂质所引起的颜色。假色是由矿物内部微裂隙、节理或包裹体引起光的干涉所呈现的颜色。
② 光泽 石材的光泽是指石材表面对可见光的反射能力。石材的光泽主要受石材颜色、结晶程度、透明度、矿物结构和加工效果（工艺、设备、材料等）的影响。细粒结构、透明度差、结晶程度高、暗色矿物多的石材光泽度高。
③ 表观密度 表观密度的大小受石材的致密程度与孔隙率的影响。通常情况下，同种石材的表观密度越大，则抗压强度越高，吸水率越小，耐久性越好，导热性越好。天然石材根据表观密度的大小可3分为轻质石材（表观密度不大于1800kg/m）和重质石材（表观密度3大于1800kg/m）两种。
④ 吸水性 影响石材吸水率的因素是石材的孔隙率与孔隙特征。吸水率高于3.0%的岩石称为高吸水性岩石，吸水率低于1.5%的岩石称为低吸水性岩石，介于1.5%～3%的岩石称为中吸水性岩石。岩浆深成岩及许多变质岩，由于孔隙率低，所以吸水率也很小，比如花岗岩吸水率通常小于5%。沉积岩由于形成条件和密实程度不同，因而孔隙率与孔隙特征变动大，导致石材的吸水率变化波动也很大。石材的吸水性对其强度与耐水性有很大影响。石材吸水后，会降低颗粒之间的黏结力，使强度降低。因此，吸水性强的岩石，其耐水性较差。
⑤ 耐水性 石材的耐水性以软化系数K表示。岩石中含有较多的黏土或易溶物质时，软化系数则较小，其耐水性较差。高耐水性石材，其软化系数K>0.90；中耐水性石材，其软化系数K为0.75～0.90；低耐水性石材，软化系数K为0.60～0.75。
⑥ 抗冻性 石材的抗冻性是指其抵抗冻融破坏的能力。其值是根据石材在水饱和状态下按规范要求所能经受的冻融循环次数表示。能经受的冻融循环次数越多，则抗冻性越高。石材的抗冻性与吸水率有密切关系，吸水率低的石材其抗冻性好。吸水率不小于0.5%时应进行抗冻性检测，经25次冻融循环后强度损失不大于25%的为合格。
⑦ 耐热性 石材的耐热性与其化学成分及矿物质组成有关。石材的热胀冷缩，体积变化产生内应力或因组成矿物发生分解和变质等导致结构破坏。如花岗岩，当温度达到700°C以上时，其中的石英受热发生膨胀，强度迅速下降。
⑧ 导热性 石材的导热性主要与其表观密度和结构状态有关。重质石材的热导率可达2.91～3.49W/m·K；轻质石材的热导率则在0.23～0.70W/m·K。相同成分的石材，玻璃态比结晶态的热导率小，封闭孔隙的导热性差。（2）力学性质 天然石材的力学性质主要包括石材的抗压强度、冲击韧性、硬度和耐磨性等。
① 抗压强度 石材的抗压强度是以3个边长为70mm的立方体试块的抗压破坏强度的平均值表示。根据抗压强度值的大小，石材共分为9个强度等级：MU100，MU80，MU60，MU50，MU40，MU30，MU20，MU15和MU10。抗压试件也可采用表1-3所列边长尺寸的立方体，但在试验时应将试验结果乘以相应的换算系数。表1-3 石材试件的尺寸强度换算系数
② 冲击韧性 石材的冲击韧性决定于岩石的矿物组成与构造。通常具有晶体结构的岩石比非晶体结构岩石具有较高的韧性。如石英岩和硅质岩脆性较大，韧性低，含暗色矿物较多的辉长岩和辉绿岩等具有较高的冲击韧性。
③ 硬度 石材的硬度取决于石材的组成矿物硬度与构造。石材的组成矿物致密、硬度越高，其硬度就越高。
④ 耐磨性 石材的耐磨性是指石材在使用时抵抗摩擦、磨损等作用的能力，包括耐磨损和耐磨耗两个方面。耐磨性受岩石的矿物组成与构造的影响，以研磨率来表示。研磨率M=G/A，即：一定面积大小的试样在一定压力下经过一定次数的研磨后，试样所失去的重量G与试样截面积A之比。（3）工艺性质 石材的工艺性质，主要指其开采和加工过程的难易程度及可能性，包括加工性、磨光性和易钻性等。
① 加工性 石材的加工性，主要是指对岩石开采、锯解、切割、钻孔、磨光和抛光等加工工艺的难易程度，主要决定于石材的矿物成分和结构构造。石材的强度、硬度和韧性越高，石材越不易加工。质脆而粗糙，有颗粒交错结构，含有层状或片状结构，以及风化的岩石，其加工性都较差。
② 磨光性 石材的磨光性指石材能否磨成平整光滑表面的性质。致密、均匀和细粒的岩石，具有较好的磨光性，可以磨成光滑亮洁的表面。结构疏松、多孔和具有鳞片状构造的岩石，磨光性不好。
③ 易钻性 石材的易钻性指石材钻孔时，其难易程度的性质。影响石材易钻性的因素主要有石材的结构和构造，一般情况下，石材的强度越小，硬度越低，越易钻孔。
由于应用场合和用途不同，对石材性质及其要求的指标均有所不同。常见的几种主要天然石材的物理及力学性能见表1-4所列。表1-4 几种主要天然石材的物理及力学性能
1.1.4 石材的用途
石材是人类发现的最优良的建筑材料之一，迄今为止，天然石材在艺术装饰、生活用具、化工、机械、工业、农业等领域均有应用。建筑装饰上使用的天然石材常加工为不同形状和不同尺寸的板材、形状规则的石块，形状特殊的石材制品等。
花岗石通常被加工成板材使用。多由花岗岩、闪长岩、辉长岩、辉绿岩等荒料加工成板材，品种、质地、颜色和花样繁多，具有质感丰富，华丽高贵的装饰效果，并且质地坚硬、耐久性好，因此可用于室外干挂，或者广场，雕刻等，是各类高级建筑物的墙、地、楼梯、台阶等的表面装饰，也可用于服务台、展示台和家具等方面的应用，是室内外高级的饰面材料。花岗石加工成较为规则的料石时，常用于基础、闸坝、桥墩、台阶、路面、墙石及纪念性建筑物等。其他的岩浆岩像玄武岩、辉绿岩等，常可用作建筑材料，铺砌道路，也做高强混凝土的骨料。凝灰岩因其多孔结构，表观密度小，可做砌墙材料或轻混凝土的骨料。
像石灰岩与砂岩等沉积岩，也广泛应用于建筑工程中。石灰岩硬度低，易劈裂，便于开采，具有一定的强度和耐久性，其块石可做基础、墙身、阶石和路面等，其碎石是常用的混凝土骨料。另外，石灰岩也是生产水泥和石灰的主要原料。致密的砂岩性能接近于花岗石，可加工为料石用于砌筑墙身、地坪和纪念碑等；石质较粗松的砂岩，因具有独特的凹陷粗糙质感，较接近山林间粗犷自然的感觉，故较常应用于墙面装修，建筑中一般不用。
建筑中常用的变质岩有大理岩、石英岩和片麻岩等。大理石构造致密，密度大，但硬度不大，易于锯切和雕刻，荒料加工成板材磨光后，主要应用于建筑物室内饰面。因其抗风化能力差，一般不应用于室外，只有汉白玉和艾叶青等少数致密、质纯的品种可用于室外。石英岩常用作建筑物的贴面石，是耐磨耐酸的贴面材料，石英岩的碎石可用于道路或混凝土的骨料。片麻岩常用作碎石、块石及人行道石板等。
人造石材从诞生至今经历几十年的研究、开发和创新，使人造石材能开发多种材料并广泛应用于商业、住宅、甚至军事领域等。
在商业用途上，人造石材的使用几乎不受限制。根据产品的适应性，它可用于健康中心、医疗机构、公共写字楼、厂矿公司、购物中心等空间里的设备设施。当它作用于柜台、墙体、水槽、展示架、家具、电梯等器物时，色彩纹理设计独特的人造石材无不显示其体贴、温暖、可塑性强、可自由切裁、弯曲、研磨、接合耐久等卓越性能。产品的这些特点，使消费者在使用时可以大胆创作，保持美感。
人造石材可以根据使用的需要做成各种应用等级的材料，是卫生环保材料，实心无孔，毫无隐污纳垢的空洞或缝隙。其表面接缝非常紧密，不会被水渗透。因此，在饮食服务业方面，可用来设计独创性的餐桌、陈列展台及洁净卫生的厨房工作台，同理，当被用于有严格卫生标准的医疗卫生单位时，使用者根据人体线条，灵活设计、安装在医疗室、化验室、外科手术室。
在家居装饰方面，人造石材优越于一般传统建材所没有的耐酸、耐碱、耐冷热、抗冲击的特点，作为一种质感佳、色彩多的饰材，不仅能美化室内外装饰，满足其设计上的多样化需求，更能为建筑师和设计师提供极为广泛的设计空间，以创造空间，表达自然感觉。
人造石材可以根据不同的要求配方做成一种先进的合成物，因其特殊的组成成分，使它很难被磨损，又由于颜色和图案深及材料表里，因此，可以对材质中凹纹、缺口或刮痕甚至比较严重的磨损，采取相应的办法进行翻新，便可恢复如初，像新的一样。
许多家庭在居室的厨房和卫生间的装修中都采用了人造石材作台面。由于人造石材是模仿天然大理石的表面纹理加工而成的，具有类似大理石的机理特点，在硬度、光泽及耐磨性上都比天然大理石好，这种树脂黏度低，易于成型、固化快，可在常温下固化。而且，人造石材色泽、纹理细腻，花纹图案可以由设计者自行控制确定，可任意塑造成100多种色彩斑斓、感觉优雅的不同品种。丰富的色彩想象、天然的色素和不同材质的结合可以创造出缤纷的色系。颜色与质材相得益彰，设计的空间会因此更加广阔。人造石材产业是一个前途无量的新型建筑装饰材料产业，有着广阔的发展空间，必将获得快速的发展。
1.2 石材的可加工性
1.2.1 可加工性评价
石材的机械加工主要是指石材的锯、切、钻、磨、抛等工艺。石材的加工性是指对石材进行锯、切、钻、磨、抛等物理加工的难易程度。一般石材的加工性通常是指可锯性和可磨性。加工石材过程中，工具的消耗占总消耗的很大一部分，而工具的磨损主要取决于石材的加工性，因此一般对石材进行加工评价并分类，对每一类石材都推荐相应的加工参数。
测量和评价石材加工性一般采用宏观方法。当加工一种石材时，对该种石材的影响指标进行平均计算。对石材机械加工进行测量时，主要考虑到岩石的类型、矿物成分与含量、化学成分、硬度和耐磨性等，由此确定其加工等级。
1.2.2 影响加工性的因素
石材的可加工性受多种因素影响，比如岩石类型、矿物成分与含量、化学成分、硬度、岩石结构构造等，主要影响因素有石材硬度、矿物成分与化学成分、岩石结构与构造3种。（1）石材的硬度 一般情况下，石材的硬度越大则加工越困难，对工具的磨损也越大。（2）矿物成分和化学成分及各组分含量 石材的物质组分包括矿物组成和化学成分。含不同的矿物成分和化学成分的石材，其加工性也不同。如大理石造岩矿物主要为方解石与白云石，其莫氏硬度分别为3和3.5～4，较花岗岩硬度低，易于加工。花岗岩的造岩矿物是石英、正长石和斜长石，其莫氏硬度为6.5～7。花岗岩的可加工性很大程度上取决于石英和长石的含量，石英的含量越高，硬度越大，越难加工。在化学成分上，如SiO的含量越高，加工越困难。2（3）石材的结构与构造 石材的结构是指由组成石材的矿物的结晶程度、颗粒大小、形态以及矿物之间的相互关系所表现出来的特点；石材构造是指岩石中各种矿物集合体的空间分布和排列方式。石材的结构和构造由组成石材的矿物颗粒大小、均匀程度与结晶程度、致密度等体现，一般来说颗粒均匀的石材易于加工，细粒比片状的磨光质量好，致密石材比疏松石材光泽度高。矿物结晶程度好，且结晶定向排列、光轴方向一致的石材其抛光后的光泽度高。此外，岩石的解理、晶界和其中蕴含的裂纹等对加工性也有很重要的影响。
1.2.3 可加工性的分析方法
石材可加工性的分析和测量通常是选择多种岩石标本，采用锯切试验机进行石材可锯性分析。每一个岩石样品需要进行结构分析和硬度测量等。也有些国外学者提出用锯切过程产生的力来判断石材的可锯性，由于锯切石材时水平方向的切削力大大地小于垂直方向的切削力，因此锯片磨耗率的大小与垂直切削力的大小有着完全一致的关系。
一般情况下，石材的加工性分析采用综合测评的经验公式，即
式中 Y——锯片的磨损指数；
B——岩石的磨蚀性；
C——岩石的肖氏硬度；
D——石英体积的百分含量。
从式（1-1）中可以看出，锯片的磨损指数Y受到岩石的磨蚀性、硬度和石英含量的影响。其中，岩石的磨蚀性是指岩石对工具的磨损能力，例如福建莆田的大洋红（火山凝灰岩）具有极强的磨蚀性。岩石的Y值越大，石材越容易加工。岩石的磨蚀性越大、硬度越高、石英含量越高，石材越难加工。根据锯片的磨损指数可以将石材的加工难易程度进行分类，在进行加工时合理选择工具的磨料和结合剂类型，最佳的切割参数以及合适的设备功率参数。
1.2.4 可加工性的分类
为指导制定最优加工工艺规范，对大理石、花岗石进行加工性能分类，见表1-5。将大理石分为两类，将花岗岩分为3类。较容易加工的和中等加工难度的归为第1类和第2类，难加工的归为第3类。也有分类把花岗岩分为5级，从比较容易加工到中等加工难度的为1～3级，难加工的分为4～5级。针对不同加工难度，需采用相应的加工参数，花岗岩的金刚石圆锯片锯切参数见表1-6所列。表1-5 大理石与花岗岩的加工性分类表1-6 金刚石圆锯片锯切花岗石工艺参数（德国winter公司）
1.3 石材的加工工具与装备
1.3.1 石材加工分类
石材的加工工艺具有多样性和复杂性，其工艺内容包括：锯切、定厚（铣平）、表面加工（研磨、抛光、机刨、火烧、锤击、剁斧、喷砂、酸洗等）、切断、铣边、磨边、倒角、钻孔、开槽、修补和优化处理等。石材加工的分类并没有统一的标准，但从石材产品的发展来看，其传统的加工主要是板材加工。近些年来装饰技术水平不断提高，所用石材的品种、规格和形状越来越多，石材加工的形状也越来越复杂，从平面加工发展到立体加工。从石材产品的形状看，加工主要还是分为两大类，一是板材加工，二是立体加工。目前把除了标准平面板材加工以外的加工都定义为异型加工，但从异型加工的角度来看，其加工范围又非常广泛。如果按天然石材品种进行加工分类可分为大理石加工和花岗岩加工，但按品种分类，有的加工设备具有共性，既可以加工大理石又可以加工花岗岩。因此，从工艺上对石材进行加工分类比较接近于实际生产，同时对设备的使用和选择又具有目的性，因此按加工工艺分类比较合适。
按照石材切屑去除的方式又可分为常见机械加工和特种加工两大类。常见机械加工方式又可分为一般机械加工和数控加工，特种加工方式又可分为高压磨料水加工、火燃（烧毛）加工、喷砂加工和激光加工等。石材的加工分类如图1-1所示。图1-1 天然石材的加工分类
1.3.2 石材加工工具的选择
石材加工主要是机械加工，如锯切、磨（铣）削和抛光，它们占石材加工量的95%以上。石材加工工具主要采用金刚石磨料和陶瓷磨料，目前天然石材的切割加工主要采用各种金刚石切割工具，比如金刚石圆锯片、金刚石带锯、金刚石框架锯和金刚石串珠绳锯等。金刚石磨料通常通过烧结、复合电镀、热喷涂和钎焊等方式与刀具基体固结制成切割或磨削工具。
金刚石工具的合理选择是其使用的一个关键问题。选择合理可以提高石材加工工具寿命与石材的加工质量，同时可以减少加工成本，这对石材企业尤为重要。金刚石工具选择时要考虑到价格和加工成本及加工质量之间的关系。比如，加工重要工程和贵重板材时可采用价格高一些的金刚石刀具，可以保证工程质量和加工成本。对大批量生产可以采用价格较低的金刚石工具。金刚石工具的选择还要考虑到加工设备和加工工艺。每一个加工设备其主电机功率、进给速度都不同，因此影响工具加工寿命。同时设备的使用寿命和条件也是工具选择时所要参考的指标，这些参数都影响工具的使用。
石材加工工具的选择还需考虑的另一个主要因素是被加工石材的性能。正确了解被加工石材材料性能对选择加工工具是一个很重要的影响因素。石材本身具有的硬度、耐磨性和对磨蚀性等特性对工具的磨损影响很大。
加工条件的选择主要考虑加工时的冷却情况，确定是干切还是湿切。采用冷却水时还要考虑对加工设备的电器和设备的腐蚀问题。综合来看，石材加工工具选择要素见表1-7所列。表1-7 石材加工工具选择要素
金刚石工具当前的发展趋势是更为锋利、轻巧、高寿命和多功能应用。尽可能好的锯切锋利性，可锯切更多的平方米数，降低噪声，减少震动等性能要求是目前金刚石工具应用石材加工的最重要的条件。
1.3.3 石材加工装备的发展
从采石场的荒料开采，到进一步的板材与石料加工，直到加工成建筑、饰面等场合使用的各种石材制品，除了在锯切和磨抛过程中更多地增加金刚石工具的使用量外，石材加工装备也在不断地向着自动化和大型化发展。
石材的加工装备从加工工艺上主要可分为锯机和磨机两大类，从加工石材的形状上可分为平面加工设备和异型加工设备，从生产规模上可分为单机和流水线，从加工能力和外观结构上可分为小型、中型和大型石材加工设备，从控制系统上可分为石材一般加工设备和石材数控加工设备。用于石材锯切的设备主要有金刚石绳锯机、圆盘锯机、框架锯机、金刚石带锯机和各类切机。用于石材磨削加工的设备主要有桥式磨机、手扶磨机、立式磨机、侧面磨机和流水线磨机等。
金刚石绳锯与框架锯相比更为灵活，产量高，故在锯切专门尺寸板材方面金刚石绳锯更具优越性。装配多根锯绳的组合金刚石绳锯机比传统的框架锯更有竞争力。框架锯的发展趋势是大型化，因其锯切过程是非连续的，因而锯切速度不能过快，一般在2m/s，所以提高生产效率的途径之一就是向大型化发展，增加每批次的锯切数量。
当锯切石材的尺寸适合使用圆盘锯时，其低成本和更为成熟可靠的工艺，使人们更愿使用圆盘锯而不使用框架锯（砂锯），因为框架锯锯切效率低，需要占用更大的空间，而在这方面金刚石绳锯更具优越性。若需锯切各种不同厚度的板材，则在目前发展阶段，多绳锯调节板厚过程中因锯机结构的原因会导致较大的费用，影响与降低了多绳金刚石绳锯的价格优势。但金刚石绳锯柔性加工，工作噪声小，可锯切更大尺寸的荒料。因此在实际的石材加工中，根据生产板材的类型与品种不同，综合使用框架锯，圆盘锯和绳锯是最好的解决办法。
如果不论石材加工产品尺寸的范围，桥式切机是石材加工装备的最基本的部分，没有其他类型的机械能更为经济地完成所需的大多数锯切工作。桥式切机可成为适于各种用途石材切断设备，可完成相继的加工工序，甚至仅需简单的装备即可实现多用途。特别是当装备上全自动锯机后，通过使用计算机控制系统，可更易于控制锯切。
随着建筑业和石材工业的发展，石材制品正朝着异型化和艺术化方向发展。新型石材数控设备的应用，使异型加工工艺的应用越来越普遍，加工范围也越来越广泛，能够加工出各种优质异型石材产品。可实现石材异型加工的设备主要有石材雕刻机、金刚石绳锯机、圆弧板切机、圆弧磨机、石材圆柱切机、多功能蘑菇石成形机、双刀盘圆弧板纵边切机和双刀盘圆弧板端面裁割机等。再配以各种金刚石成型工具，可以满足加工各种石材艺术制品和装饰台面等加工要求。
目前，异型石材加工机械有向数控化发展的趋势，已有各种加工中心，从产品设计、工序操作到生产管理都使用控制系统，可以得心应手地加工各种异型石材制品。
石材的装备目前不仅向数控化、智能化方向发展，还向流水线化和清洁高效化发展。其加工能力和加工效率正在进一步的提高。
1.4 石材机械加工的基础理论
1.4.1 石材加工材料去除与切屑形成
超硬磨料通常通过烧结、复合电镀、热喷涂和钎焊等方式制成切割或磨削工具，来进行石材的加工。天然石材的加工过程很大程度上受到材质的影响，材料去除与切屑形成的机理不同于金属的加工机理，其加工过程更为复杂。早期人们应用岩石在压头侵入下的断裂理论与使用单颗粒金刚石划伤表面形貌观察法来分析石材加工的材料去除与切屑形成过程，到后来逐渐发展到综合使用偏光显微镜和扫描电镜观察岩石加工表面的形貌及裂纹产生和扩展的规律，用声发射信号评价岩石的切削状态。因为岩石等硬脆材料加工时的状态及加工过程非常复杂，因此其加工的材料去除及切屑形成机理至今还没有形成统一的认识。
由于金刚石切割工具最早广泛应用于石材的切割，因此，人们对金刚石工具切割石材的机理研究较多。同磨削加工的研究类似，人们首先研究切割时单颗金刚石颗粒和石材之间的作用情况。早期的试验研究表明：单颗粒金刚石在不同条件下切削花岗石时，岩石的破坏方式主要是以脆性崩碎为主，同时根据矿物的成分不同，仍有塑性变形产生。
P.Bienert在其博士论文中提出了单颗粒金刚石切割岩石的模型，如图1-2所示。其锯切岩石的过程可概括为：图1-2 单颗粒金刚石切削岩石的模型（1）在金刚石颗粒的前方 由于压应力产生的剪切作用，岩石材料被破碎，形成主切屑，崩出和挤出切削区；（2）在磨粒的下方 由于高压作用以及可能存在温度影响，岩石材料产生塑性变形（二次切屑），在一定的薄层内形成光滑的表面；（3）在磨粒的后方 由于突然的弹性应力释放，导致了较大的切屑形成，它是由松散的块状切屑和二次切屑组成。
该模型对金刚石磨粒切削岩石的切屑形成过程做了较详细的描述，但没有详细研究切屑形成过程切削区的应力分布及其所致的裂纹产生和扩展规律，没有反应刀刃前下方压实体情况。
M.Meding对P.Bienert提出的模型进行了改进，如图1-3所示。认为切削过程存在以下3个变形区。图1-3 改进的单颗粒金刚石切削岩石的模型（1）第一变形区（磨粒前方及其附近区域），在磨粒前方，负前角刀刃产生的压应力使岩石产生了剪切破坏，碎裂的岩石颗粒从磨粒前部飞出，岩石向磨粒两边挤压。（2）第二变形区（在磨粒下方），对于石灰岩和大理石，在与磨粒接触的表面上，形成了一个塑性变形区，工件表面光滑，这主要是由压应力引起的。强烈的塑性变形只有几微米厚。花岗岩在接触区高温高压作用下，也会产生局部塑性变形。（3）第三变形区（在磨粒后方），在与磨粒邻近的地方形成一些细小的岩石颗粒组成的尾巴，由试验结果推断，这主要是由于磨粒划过后，划痕表面的应力由压应力转化为拉应力所致。
国内也有不少学者对花岗岩等石材的锯切机理进行了研究。通过采用扫描电镜对金刚石圆锯片锯切花岗岩表面的观察发现，石英岩的断裂主要是沿晶和穿晶形式，变形方式主要以石材的主要成分石英的变形方式所决定。其他花岗岩的主要构造为石英、正长石和斜长石，所以变形特征由3者共同决定。其中，云母解离最完整，最易去除，其次是正长石和斜长石，石英几乎不发生解离断裂，因而最难切割。目前国内学者关于切磨过程中花岗石材料去除机理研究的结果表明：材料的去除及切屑形成机理与单颗磨粒的最大切削厚度直接相关。随着单颗金刚石磨粒最大切削厚度的减小，花岗石的去除方式也逐渐由脆性断裂为主转为塑性流变为主。金刚石框架锯切割石材的研究中发现：锯切过程中切削的冲击使石材表面存在着强烈的塑性变形，但锯切时裂纹的交错使得产生微破碎和宏观破碎断裂切屑。
声发射测量方法作为一种无损检测方法，已被用于切削加工刀具的破损和磨损监控、石材加工断裂过程分析等方面。一些研究认为，声发射均方根值（AErms）与石材的可钻性有良好的对应关系，石材硬度与AErms值成正比，试验表明，AErms越大，金刚石圆盘锯锯切岩石的可加工性越差。国内学者采用DIN50103测量用洛氏硬度金刚石压头，在TypFP3NC铣床上进行了单颗磨粒磨削石材试验，分析了声发射信号与磨削深度、岩石种类和矿物成分等因素的关系。研究表明：单颗粒金刚石磨削花岗石的声发射信号，受到花岗岩种类、矿物成分和磨削深度等因素的影响。磨削、锯切可加工性好的花岗岩、石英或磨削深度大时，AErms平均值大，处于高峰值范围的信号多。AErms反映了磨削过程中的断裂方式，对花岗岩而言，AErms平均值小，处于低峰值范围的信号多，则表示微破碎成分和破碎能耗高。
总之，到目前为止虽然人们从不同角度对石材的加工过程的材料去除与切屑形成机理进行了大量研究，但因石材加工过程相当复杂，人们对锯切过程的物理本质的认识还需要进一步深入。石材加工过程中材料去除与切屑形成犹如一个黑箱，只能通过合适的测量仪器，建立一定输入与输出参数关系。目前，人们建立的一些加工模型在一定程度上反映了石材加工过程的规律，但都不能完全说明加工过程的物理本质。一般来说，较普遍的一观点认为：加工石材时，金刚石磨粒切割花岗岩时的挤压的作用引起花岗岩的脆性断裂，这是因为花岗岩中存在各种缺陷和应力集中，在挤压作用下引起裂纹产生及扩展，导致花岗岩的脆性破坏，从而形成崩碎岩屑实现材料去除。但随着金刚石磨粒最大切削厚度的减小，花岗石的去除方式也逐渐由脆性断裂转为塑性流变。石材加工时材料的去除及切屑形成机理与超硬磨粒的最大切削厚度直接相关。
1.4.2 石材切削力分析与测量方法
切削力是指工件抵抗刀具切削所产生的阻力。在岩石锯切过程中，锯切力是一个非常重要的参数，不仅因为其决定机床的功率，而且锯切力的大小决定了工具所受载荷的大小，从而决定了工具的锯切能力。切削力对已切削表面质量、切削热、刀具磨损及耐用度等有很大的影响，石材切削力数据对于石材切削加工机械、刀具和夹具等的设计和加工工艺改进也是必不可少的，切削力几乎与所有的石材机械加工有关系。石材切削力的波动特征还反映了石材切削过程中一些现象的本质，因此深入研究石材切削力的性质，具有一定的理论价值和实用价值。
金刚石工具切割石材的过程，实际上可以看成是大量具有微切削刃的金刚石磨粒切削石材的综合作用过程。金刚石工具所受的切削力是作用于每个金刚石颗粒上的切削力的总和，切削力包括石材的破碎阻力、金刚石磨粒与石材之间的摩擦力、锯屑与金刚石颗粒及结合剂之间的摩擦力。目前普遍认为，石材锯切过程属于材料脆性去除，消耗能量并不大，因此石材的破碎阻力仅占切削力的15%左右，而各种因素引起的摩擦力损耗的功率约占加工功率的85%左右。切削力的计算在实际工作中很重要，一般是用切削力的计算公式来估算，或者用实验的方法来测定。用实验的方法来测定，工作量较大，成本高。因此多年来的研究者一直试想通过建立理论模型来找出准确通用的计算公式来解决工程中的问题。切削力计算公式大体上可分为3类，①是根据因次解析法建立的切削力公式；②是根据实验数据建立的切削力计算公式；③是根据因次解析法和实验研究相结合的方法建立的通用切削力计算公式。（1）单颗金刚石磨粒的受载与切削厚度分析 金刚石工具锯切石材的过程实际上是金刚石磨粒切削石材并且与岩石、岩屑相互摩擦的过程，单颗金刚石磨粒承受的法向载荷，代表其压入石材时所承受的载荷，切向载荷则是代表单颗金刚石磨粒切除石材材料过程中的切削和滑擦作用所产生的载荷，石材锯切所受的切削力是作用于每个金刚石颗粒上的切削力的总和，因此对切削力进行理论分析时经常是从分析单颗金刚石磨粒在加工过程中所承受载荷大小入手。承受载荷的大小与锯切过程中金刚石磨粒磨损程度相关，因此研究单颗金刚石承受的载荷特性对合理选择金刚石也具有重要意义。
图1-4为单颗金刚石磨粒的受力模型。单个磨粒切削刃所受的切削力见式（1-2）。图1-4 单颗磨粒的受力模型
式中 f——单个磨粒受到的法向切削力，N；n
f——单个磨粒受到的切向切削力，N；t
f——由切屑破碎变形引起的单个磨粒上的法向作用力，N；nc
f——由切屑破碎变形引起的单个磨粒上的切向作用力，N；tc
f——由摩擦产生的单个磨粒上的法向摩擦力，N；ns
f——由摩擦产生的单个磨粒上的切向摩擦力，N。ts
式（1-2）中第一项为切屑破碎变形产生的切削力，第二项为摩擦产生的切削力。
单颗磨粒承受的平均载荷可以用下式计算：
式中，F和F分别为锯切工具受到的法向力和切向力，C为锯切nta工具表面单位面积实际参与切削的有效磨粒数，L为锯切加工区弧c长，B为锯切工具厚度。
单颗磨粒最大切削厚度H是研究锯切过程的一个重要物理max量，它直接影响到单颗磨粒的受力情况。金刚石圆锯片锯切石材的过程中H可由下式计算：max
式中，v为工件进给速度；v为锯片的线速度，a为锯切深度；fspd为锯片直径；θ为未变形切屑底部夹角的一半，见图1-5。s
根据锯切实验得到的金刚石圆锯片锯切石材的单颗磨粒所承受的平均载荷与最大切削厚度之间的经验公式为：
图1-6为串珠绳锯锯切弧区微观分析示意图与单颗粒平均切削厚度，其中h是串珠表面的金刚石磨粒的出刃高度，h是真正用于切削pc材料的磨粒高度即切削深度。h是研究磨粒材料去除方式、磨粒切削c载荷和磨粒磨损等的关键参数。受加工的动态特性及磨粒工作状态影响，弧区内磨粒各自的h大都不相等且时刻变化，但可以通过单颗磨c粒平均切削深度h反映。a图1-5 金刚石锯片锯切石材示意图与单颗粒最大切削厚度图1-6 串珠锯锯切弧区微观分析示意图与单颗粒平均切削厚度
单颗磨粒平均切削深度h反可由下式进行计算得到。a
式中，v为工件进给速度；v为串珠锯的线速度；l为串珠节块fsw磨料体轴向长度；C为串珠节块表面单位面积磨粒数；s为形状因子r（串珠为圆柱体，取2/π）；η为磨粒有效参与切削系数（考虑到工具表面磨粒出刃不等高性等）；n为单位长度串珠绳上串珠总数。所定w义的系数k实质上反映的是工具特性对h的影响。当工具特性不变时，ta单颗磨粒平均切削深度h直接受控于工件进给率和串珠锯的线速度两a个锯切参数，提高v或降低v都可以减小h。sfa（2）切削力的测量 石材机械加工过程中，切削力的分析模型和理论公式对加工过程做定性分析和大致估算时具有很大作用，但是由于石材加工过程的复杂性，建立与一定加工条件和假设条件之上的理论公式具有很大的难度，且在加工条件改变后就容易导致公式的使用受到极大限制。迄今为止，还没有一种可适用于各种石材机械加工条件下的严密切削力理论公式。对于石材锯切、磨削等过程的详细研究，目前仍大量采用实验测试及在该实验条件下的经验公式来进行。
切削力的经验公式是使用测力仪测得的切削力数据经整理而建立的。目前常用的测力装置主要为在弹性元件上粘贴应变片的电阻式测力仪和利用压电晶体的压电效应原理以及各种传感器并配置计算机。
图1-7是采用金刚石圆柱铣刀铣削石材时铣削力的测量系统示意图。其中铣削力的测量装置采用八角环测力仪，该装置属于一种电阻应变片式测力仪。由于八角环受力变形引起的电阻应变片变化很小，电桥输出的电压变化也很小，因此在实际的实验中还需进行信号放大，再通过采集卡进行数据信号采集，同时在数据采集的过程中需要进行滤波，滤掉测量过程中的不准确的超大干扰值，使获得的数据更准确且更稳定。铣削加工前，先将信号调零，在加工过程铣削力的作用使八角环测力仪上的应变片变形，电阻变化产生电信号，通过动态应变仪进行信号放大后传输到I/O接口端子板、数据采集卡中，在计算机中完成数据的处理和显示，并保存数据。图1-7 石材铣削力测量系统示意图1—数控铣床；2—圆柱铣刀；3—石材；4—八角环测力仪；5—信号放大器；6—数据采集卡；7—计算机
图1-8为八角环铣削力测力仪接桥图，工作原理是测力仪的八角环为弹性元件，在环的外壁上粘贴电阻应变片，并连接成3个电桥以作为测定X、Y、Z 3个方向切削力的传感器。加工石材时，铣削力由刀具传到八角环，八角环受力产生变形，使得紧贴在其上的应变片也随之变形，从而电阻值发生变化，当应变片受拉伸变形时，应变片变细，电阻增大（R+△R）；当应变片阻应变片受压缩变形时，应变片变粗，电阻减小（R-△R）。图1-8所示为八角环测力仪布片图，其中相互交错平行的八角环是弹性元件，在环的内壁与外壁上粘贴电阻应变片，共贴有16个应变片，并将这些电阻应变片连接成3个电桥以分别测量3个方向的分力。用于测量F的电阻应变片有R、R、R、xx1x2x3R，组成的测量电桥如图1-8（a），用于测量F的电阻应变片有R、x4Yy1R、R、R，组成的测量电桥如图1-8（b），用于测量F的电阻应y2y3y4z变片有R、R、R、R、R、R、R、R，组成的测量电桥z1z2z3z4z5z6z7z8如图1-8（c）。图1-8 八角环铣削力测力仪接桥图
随着技术的发展，加工过程中对切削力的测量更多地采用压电晶体测量仪，该装置工作原理是利用某些材料（如石英晶体或压电陶瓷等）的压电效应。在受力时，它们的表面将产生电荷，电荷的多少与所施加的压力成正比而与压电晶体的大小无关。用电荷放大器转化成相应的电压参数，从而可测出力的大小。
图1-9是单一压电传感器的原理图。压力F通过小球1及金属薄片2传给压电晶体3。在压电晶体之间有电极4，由压力产生的负电荷集中在电极上，由绝缘的导体5导出。正电荷通过金属片2或测力仪接地。由5输出的电荷通过电荷放大器后由记录仪记录下来，按预制的标定图就可知道切削力的大小。测力仪中沿F、F和F 3个方向都各xyz自有传感器，分别测出3个分力。现在多采用多向力传感器，把几个石英元件按次序机械地排列在一起。加在传感器上的力作用在石英片上，由于石英晶体的切割方向选择的不同，所以各受力方向上的灵敏性不同，故能分别测出各个切削分力，其结构见图1-10。整个测力系统的框图如图1-11所示。图1-9 压电传感器的原理图图1-10 压电3分量传感器图1-11 测试系统框图
图1-12、图1-13与图1-14分别为金刚石圆锯片、金刚石绳锯锯切石材锯切力和金刚石砂轮磨削石材的磨削力测量实验装置图，使用时注意安装测力仪应与工作台基座的连接刚性尽可能大。（3）切削力的经验公式 在实际的工程计算中，当前仍以采用经验公式为主。不同的学者做出了许多研究，发表了大量的数据，并且详细讨论了各种加工条件对切削力的影响，提出了各种各样的切削力实验公式，这些公式几乎都是以加工条件的幂指数函数的形式表示的，形式如式（1-8）所示，具体到不同的加工方式和加工条件时，公式中的参数和数值发生相应地变化。图1-12 金刚石圆锯片锯切石材锯切力测量实验装置图图1-13 金刚石绳锯锯切石材锯切力测量实验装置图图1-14 金刚石砂轮磨削石材磨削力测量实验装置图
式中，F表示单位切削力；a为切削深度；v为工件进给速度；PPfv为锯切工具的线速度；B表示金刚石工具的宽度；α、β、γ、δ为指s数。
在采用金刚石圆锯片进行石材锯切时，如锯片直径d为s350mm，锯片转速为1600r/min，根据实验数据得出的锯切力经验公式如下式：
式中，B表示金刚石锯片节块的宽度。
而采用圆锯片直径d为600mm，锯片圆周速度v为80m/s时，根ss
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