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
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
靶向代谢组学分析
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
混凝土模板
⽯材（nature stones）
⾦刚⽯锯切⼯具（diamond sawing tools）
雕刻（caving）
陶瓷（ceramics）
电脑美甲机
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？
6．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) ：
43
2、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)：32
3、刘峰，罗忠辉．⽯材锯切加⼯⼯艺研究．机械⼯程师，2001，（6）：
27
4、王增武．⽯材加⼯及开采存在的问题与对策．⼭东建材，1995，（6）：
33
5、潘振熊，邵福兴．⽴体类异性⽯材的加⼯．中国建材，2001，（8）：
80
受体激动剂6、薄青．⾦刚⽯绳锯切割加⼯⽯材与建材机械⼯艺师．1994，（9）：13
7、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）：21
8、谈耀麟．花岗⽯⽯材抛光枝术．矿产与地质，1994，8（6）：452
9、苑⾦⽣．浅谈装饰⽯材表⾯抛光．⼭东建材，1997，6：25
10、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）：85
11、王正君，腾琦玮，于思远等．⽯材超声波精雕系统．机械设计，1999，
不锈钢肥皂盒1：27
12、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.1990
20、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.1994
21、曹振宇.⼏种热塑性塑料的机械加⼯.⼯具技术.1993,27(4).-19-21
22、范瑞顺. 热塑性塑料的机械加⼯.机械⼯艺师.1994,(6).-8-9
23、李瑞芬.塑料的机械加⼯.北京：化学⼯业出版社.1999，6
24、范忠仁.塑料的机械加⼯.北京：化学⼯业出版社.1989，9
25、倪双曦.⼯程塑料的车削和钻削.⼯程塑料应⽤.1991，4
26、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):57-63
27、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):14-16
28、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):47-51,63
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（nature stones）：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（diamond sawing tools）：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(diamond blade)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
提⾼。
包边带（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3 1.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
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，但相应地加⼯成本也⾼。
2．⾦刚⽯绳锯加⼯
（1）⾦刚⽯绳锯结构
⾦刚⽯绳锯（diamond wire saw）由弹性橡
胶套、载体⾦属丝⽹、⾦刚⽯环块与连接件组成。
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