水刀切割在检测陶瓷岩板可加工性中的应用

段蕴峰，区卓琨，吴清良，曹阳

（佛山市质量计量监督检测中心，佛山 528000）

1 前言

陶瓷岩板是近2年出现的新型材料，是能够替代天然石材、人造石材、木材、金属、壁纸、涂料等行业的装饰产品[1]。陶瓷岩板由于用途的跨界突破，性能指标较陶瓷砖相比更加强调了装饰效果和力学性能要求。同时也要求陶瓷岩板在应用之前，必须机械加工至要求的形状与尺寸。因此陶瓷岩板的可机械加工性能成为供需双方关注的焦点。陶瓷岩板的可机械加工性能是指陶瓷岩板在切削、磨削、穿孔、切断等机械加工过程中不发生非预期破坏、碎裂的性能。影响陶瓷岩板的可机械加工性能的因素非常复杂，原料配方、烧成制度、原件尺寸都会影响陶瓷岩板的可加工性。笔者提出了一种用水刀在陶瓷岩板表面切割特定图案的测试方法，用于评价陶瓷岩板的可加工性好坏。

2 陶瓷岩板切割裂纹产生的原因

从微观角度来看，陶瓷的机械加工是利用微裂纹集中或位错造成的晶界塞积，以脆性的微崩碎去除材料。陶瓷岩板属于脆性材料，硬度高但韧性差。在加工时，切割的磨料与岩板相互接触，产生极高的应力和温度，使岩板发生变形。由于岩板的韧性较差，所以当变形超过一定限度后，岩板破裂，即完成机械加工。

建立一个简化的陶瓷岩板直线切割模型。切割点在陶瓷岩板从左到右一维移动。应力在切割点集中，且切割点右侧的应力较大（图1中黑色半椭圆曲线）。当应力超过陶瓷岩板可承受的最大应力（图1中红色框线），岩板发生断裂。对于理想的陶瓷岩板，每个区域的可承受的最大应力都一样。只有最右侧的陶瓷岩板承受的应力超过可承受的最大应力，即陶瓷岩板的裂纹不断向右侧扩展，最终切割成为一条直线。而现实情况中，陶瓷岩板在烧制时，由于釉料与坯料的成分不同、靠内侧和外侧的冷却速率不同，导致陶瓷岩板存在着应力。同时陶瓷岩板中存在着大量晶界、气孔等缺陷。陶瓷岩板由于存在着应力和缺陷，导致某个区域可承受的最大应力各不一样。而当切割点不是最右侧地方可承受的应力比切割点的应力小时（如图1所示），则裂纹则会选择可承受的应力最小的地方扩展，即裂纹向着非预想的方向发展。最终就表现出来了陶瓷岩板的切割裂。

图1 陶瓷岩板直线切割模型

从宏观角度来看，机械加工造成了陶瓷岩板形状的改变，打破了陶瓷岩板应力存在的稳定状态。机械加工岩板后形成的尖角、孔洞、缺口、沟槽以及有刚性约束处及其邻域会出现应力集中现象。当产生的应力超过了陶瓷岩板可承受的最大应力，即会引发材料断裂。此外，陶瓷岩板在机械加工时不可避免的会受到来自机器产生的振动，进一步促进裂纹的扩展。

3 水刀切割在陶瓷材料的运用

早在20年前，水刀切割技术被称为磨料水射流切割技术。2002年赵永赞等人就对磨料水射流切割工程陶瓷进行了理论和实验分析，得出工程陶瓷切割深度基本上与磨料射作业工艺参数（水射流压力，水流量），磨料参数（粒度，浓度）混合参数（喷嘴直径）、切割工艺参数（靶距、喷嘴横移速度）及被切割材料的物理力学性能等相关因素有一定的关系[2]。随后冯衍霞等人对磨料水射流切割氧化铝陶瓷的加工表面质量进行了试验研究,对磨料水射流切割陶瓷的切口结构形状进行了论述与分析,并分析了工艺参数对加工表面质量的影响[3]。在前人的理论基础上，目前水刀已在陶瓷材料的切割得到广泛的应用。特别是水刀加工精度高，切割面无毛边，加工速度快，目前已经在陶瓷岩板的企业大范围推广使用。

4 水刀切割在检测陶瓷岩板可加工性中的应用

按照陶瓷岩板切割裂纹产生的原因分析，第一需要在陶瓷岩板表面产生移动的切割点，同时在切割点产生一定的应力；第二需要在陶瓷岩板表面形成应力集中现象。即可进行陶瓷岩板可加工性的检测。传统的陶瓷岩板加工设备是桥切机，但是桥切机只能进行直线切割，虽然现在市面上已经出现五轴桥切机，但仍然比不上水刀灵活，水刀可进行挖孔、切圆、锐角切割等操作。

应用水刀检测陶瓷岩板的可加工性需要选择合适的加工图案。分析陶瓷岩板切割裂纹产生的原因，得到两个结论：1、切割的图案应尽可能大面积覆盖；2、切割的图案能够形成应力集中。常见在岩板加工时能够形成应力集中的图案有圆孔、尖角等。为了简化测试方式，选择尖角图案作为切割的图案。引用刘庆刚等人对V型缺口平板应力集中系数的结论——缺口处的应力集中系数与开口角度和尖端半径有关[4]。其中开口角度为陶瓷岩板切割的尖角角度，尖端半径是水刀切缝的宽度。由于水刀切割缝固定，因此通过调整切割的尖角角度从而满足。根据刘庆刚等人的结论，当水刀切割缝为2.5mm时，开口角度为30°应力集中系数最大。因此选择水刀切割尖角图案为30°。最终得到图2的切割图案，用于检测陶瓷岩板的可加工性。

图2 陶瓷岩板的可加工性切割图案

根据工厂实际情况选择合适的水刀工作条件，将测试的陶瓷岩板使用图2的切割图案加工，观察岩板是否出现碎裂、裂纹等情况。若无碎裂、裂纹等情况，则认为通过陶瓷岩板的可加工性检测。

5 实验验证

收集5家厂商共12批次的陶瓷岩板进行测试，每批次岩板分为2组，第一组用于切割图2陶瓷岩板的可加工性切割图案，第二组用于图3茶几台面的切割。经过测试，第一组共11批次岩板通过图2的测试，1批次未通过；第二组12批次板全部通过图3的测试。检测有效率超过90%，说明图2的陶瓷岩板的可加工性切割图案能够较好的反映出陶瓷岩板的可加工性。

图3 陶瓷岩板茶几台面的切割图案