金剛石磨具在石材中的應用前景

    金剛石磨具在石材加工工業所有領域中的應用穩步地增長。這一增長的主要動力，是由於金剛石合成技術，工具製造技術的改進和工具機設計的改善，使成本得到全面降低。這些改進使石材的利用率和產量從初始的開採階段到最終的加工都得到明顯的增加。這些進步全面影響了金剛石的消費量的增加，並在各種現行的和最新開發的加工工藝中代替了傳統的磨具。本文考察了石材加工中的技術進步，這些進步確實促進了天然石材用作內外裝飾建築材料的市場不斷增長。
 
    用作建築和裝飾的天然石材的可獲量，對大多數具有大量原材料儲藏量的國家來說情況是不同的。直到現在，許多較小的石材生產國加工石材基本上是用於本地的消費，而未開拓出口市場。近年來，全球市場開始有了顯著的變化。
 
    用於加工的石材的開採量大幅度增長。1998年全球開採量約為4740萬噸，較1997年增長了48%。
 
    1993年石材開採量大於200萬噸的國家只有三個，它們是義大利，西班牙和中國，產量分別為750萬噸，340萬噸和250萬噸。5年以後，這樣的國家數已增加到7個：義大利以750萬噸領先；中國上升到第二位，產量達到600萬噸；西班牙以450萬噸位於第三，而處於第四位的印度其產量為240萬噸。分享其餘的200萬噸市場的其它三個國家是巴西，葡萄牙和希臘。
 
    為這些國家在全球產量中所占的份額，是全球產量的洲際分布。
 
    石材加工
 
    1998年14個主要國家進行的精加工和半精加工產品處理的石材總量，與接近1520萬噸的1997年的水平相當。使得這14個主要國家的石材加工量占全球的71。5%。
 
    在這個集團中，其發展情況是有變化的。多數國家的材料加工量在增長，但是如同所預料的那樣，石材加工量的減少反映在開採量上，日本，韓國和台灣在加工上都呈現出下降的趨勢。
 
    石材加工方面正在產生一個清晰的全球格局。三個國家控制著世界市場，即義大利，中國和西班牙，1998年這三個國家占了全球天然石材加工量(前14位)：
 
    石材加工量的39。5%。這些地區的考察表明，歐洲與中國在使用的方法和技術之間具有明顯的差異。文化，經濟結構，基礎和技術上的差異，造成採用不同加工技術和裝備及工具設計標準，及對這些工具中的金剛石的性能不同要求的工業的發展。
 
    中國和歐洲石材加工技術的比較
 
    近來，中國已顯現出作為石材開採和加工領頭國的苗頭。今天，中國生產著240種不同品種的花崗石，占其產量的65%[3]，60個品種的大理石和10個品種的石板。1998年，生產了1600億萬平方米的各種石板材，用於本國市場和出口市場。這裡有大約500家公司具有開採和加工本地石材的能力，而且公司的數量還在增加。這一數量的變化節奏也是明顯的，然而，產量的急劇增加並沒有在工具機技術投資方面得到反映。大部分加工設備還在使用老式的，陳舊的生產方法。
 
    開採方法採用爆破法，這意味著只有5%～8%的石材可用於加工。許多選出的塊料經常被從加工過程退回，因為其中有許多爆破時產生的裂紋和缺陷。
 
    中國花崗石的主要用途是用作地磚和貼面磚。中國市場與這類產品的用途是不相符的。因為從世界的層面來看，這些石材仍然基本上被用於知名的建築，而不是標準的民用建築。在中國石材與其它民用建築材料，如陶瓷，水泥和木材直接競爭。受到如此對待，用於這種用途的石材其光潔度和尺寸精度的質量要求當然要低於西方用作有知名度建築項目的石材的質量要求。
 
    這方面的主要差別在於勞動力市場，中國的勞動力成本明顯低於歐洲；也反映在鋸機投資，自動化程度和全員勞動生產率水平上。開採石塊的時候，中國使用的是爆破法，采出的是形狀不規則的石塊，其尺寸必須小到能夠用小卡車裝運的程度，而後石塊經短距離運到加工廠。通常，對用於地磚和貼切面磚的板材的加工，一般是用國產的往復式多鋸片系統為基礎的設備，這個系統有5個1m直徑和5個1。6m直徑的鋸片兩種組合。鋸機的生產能力很低，因為切削用量受到設備功率和簡單的工具技術的限制。加工普通花崗石的典型工藝參數如下：
 
    鋸片周邊切削速度：(直徑為1米的鋸片)27m/s，(直徑為1。6米的鋸片)17m/s
 
    鋸切深度：1mm
 
    送進速度：5m/min
 
    鋸切效率：每隻鋸片50cm2/min或0。3m2/h
 
    鋸機生產效率：24m2/工作日(每工作日按8小時計)
 
    隨後石塊被從鋸機上取下，人工將鋸出的石板放到旋臂式拋光機上用普通磨具拋光。拋光後這些長條石板則在手動切斷機上被切成最終的尺寸。
 
    由於使用的是這種低水平的自動化和低的鋸切效率，所以對金剛石鋸片的要求不高，因而在這種使用中看到的磨具品種和尺寸與在歐洲常用的不同。由於鋸切效率慢得多，所以磨粒的粒度相應地較細，這種應用中選用的金剛石粒度通常為50至70篩目。在這種鋸切效率下，鋸片承受的負載是低的，因而使用的金剛石的性能與歐洲類似的應用中使用的金剛石性能有很大不同。其需用的金剛石品級是非常不規則的，易碎的磨粒，它能使鋸片在通常的條件下被做得很鋒利。
 
    由於一系列原因，歐洲的情況是不同的。歐洲人的生活標準比中國高，因此歐洲的勞動力成本要高得多。歐洲的主要石材生產商要想具有競爭力，他們必須把注意焦點放到加工上，即優化生產率並極大化原料的成品率。這些方法集中在低的能量耗費和極小化不必要的石材廢料的同時，儘可能地把開採出來的石塊轉換成最終成品。這些方法要求鋸機技術具有高速作業和精良的工具，這些工具能夠長時間維持自動的工作。90年代，歐洲進行了工具機和金剛石工具的技術開發，它促進了生產效率的增加，以及石材加工成本的顯著的降低。
 
    如果我們比較一下生產模塊化的貼面磚時歐洲使用的技術和中國的技術，我們可以看到在工具機工具技術和生產率二方面存在很大的分別。在歐洲，這些貼切面磚的生產幾乎是全自動化的，使用的是有效的工具機設計和自動化的裝卸設備。用於這種生產的最新設備，在一根主軸上可以安裝80片直徑為1m的鋸片。
 
    工具機和工具的設計允許更快的切割效率，其典型的用量如下：
 
 
    鋸片周邊切削速度：25～35m/s
 
    鋸切深度：1mm
 
    送進速度：17m/min
 
    切割效率：每片170cm2/min或者1。02m2/h
 
    工具機生產能力：640m2/工作日(每個工作日按8小時計)
 
    在此條件下，廢料也必須極小化，以便使產品的產出極大化。舉一個有代表性的例子，鋸片的切口寬度在10mm以下，而中國的則為12～15mm。材料的裝卸和加工時間的優化也是達到生產率最大化的關鍵，所以就地將石塊鋸成板材，並自動傳輸到一個自動化工具機上，準備第二步加工。
 
    由於切割效率非常高，所以對金剛石工具的要求很高。在這類應用中金剛石磨料的品級和粒度與在中國使用的大不相同。由於切割效率較高，則金剛石磨料的粒度自然是要用較粗的，最通用的金剛石粒度是30～50篩目。在高切割效率的情況下，作用在工具上的載荷相應地也就較大，因而對金剛石的性能要求也就截然不同。對金剛石的典型要求是：一致性好，強度高，塊狀顆粒，它們能使工具在高加工效率下保持良好的非常鋒利的狀態。同時，在高負荷使用的狀態下仍能長時間地保持性能的穩定性。
 
    金剛石在花崗石加工中的應用前景
 
    為進一步提高生產率，各種研究集中在改進石材加工工藝的經濟性上，除了改進材料的產出並減少廢料的成本之外，金剛石生產商，工具機製造商和工具製造商為增加工具機的生產能力和工具的匹配進行了大量的研究。其中的一項研究找出了目前大理石加工工具機的生產能力達到的水平。歐洲現使用的最高效率的花崗石鋸機的生產效率水平只相當於大理石加工達到水平的約4%。一般說來，當切深大於25mm之後，用於加工花崗石則可能性不大，因為這會導致大量發熱和金剛石工具過載。
 
    由金剛石生產商，金剛石工具製造商，工具機製造商，鋸片基體生產商和一個研究所組成的歐洲夥伴國際組織，開始研究給石材加工工藝帶來一個新天地的計劃。重點放在尋求解決問題的途徑，以及技術，經濟和環境的綜合評價，以及問題的逼近。這一計劃的目標是開發加工系統的各子系統，使之滿足深切的條件下的需要，即切深範圍從100～300mm。它包括一種高效的金剛石圓鋸片，以及為工具和工件接口處提供潤滑的經改進系統，以便保證長時間穩定地工作。因為這對一個高度自動化的加工是基本的要求。研究工作分二個階段進行：
 
    1，進行實驗室試驗，以便得到一些基礎性的信息(材料的性能，切削力，溫度和振動)，作為工具機和工具設計時應達到的必須改進的基礎數據。
 
    2，在第一階段數據的基礎上進行工具和工具機部件(鋸片結塊，潤滑和修整系統)的開發。在第一階段，本項目設計的關鍵之一就是使用小鋸片模擬，以便考察加工的力，在工具和工件的接口處(磨削區)的溫度，以及振動特性。當使用小鋸片的時候，系統特性與工業應用中實際使用條件特性必須相匹配，這一點是至關重要的。為滿足這一要求，許多作者提出了各種鋸切模型，系統中的兩個主要變量得到公認，即切削速度(Vc)和切割深度(ae)。使用這些參數和有關工具幾何尺寸的信息，就能提出一個圓鋸片鋸切時的簡化模型公式。
 
 
    heq=aeVft/Vcλ
 
    使用這種公式能夠再現工業應用中正常情況下相近的條件和力。
 
    深鋸切條件下的切割溫度和切削力的測量
 
    用小型實驗室試驗實施深鋸切，以便測量在切削區產生的熱和切削力。這一信息對於確定大型生產型鋸機的潤滑裝備和預測金剛石工具在加工過程中可能承受的切削力是必須的。使用了高強度的金剛石，其粒度為30/40，每克拉顆粒數為660±30粒。首先鋸切了中等硬度的義大利花崗石，接著又鋸切了更難加工的印度紅花崗石，這是一種最難切的材料之一。在鋸切試驗中，鋸切深度保持為90mm，調整送進速度，使之在最溫和的切割條件100cm2/min與最惡劣的條件600cm2/min之間改變。這一條件可滿足工業生產設定的380cm2/min到1000cm2/min的生產效率。得到了溫度測量結果。正如所預料的，隨鋸切效率的提高產生的切削溫度也在上升，但即使在最高的速度下，產生的切削溫度仍然低於200℃。使用測力計測量加工中的法向力和切向力，給鋸機設計和最大尺寸的工具規格的開發提供幫助。切削力的分析和金剛石磨損過程的考察則確定在其工藝範圍內應在那一段上進行工作。這是保持金剛石均勻磨損和調整金剛石用來完成材料的切削所需的暴露高度的關鍵。
 
    花崗石深鋸的加工要求
 
    在第一階段得到的信息的基礎上，確定與深鋸切工藝相關的專門設計的加工設備。考慮金剛石鋸片的設計，重點檢查下列工具設計要求。工具的規格和加工的條件必須保證達到材料切除率和金剛石暴露高度相匹配時實現的磨屑厚度。在深鋸的條件下不同於切屑厚度太小的情況，關心的主要方面在於，如果切削參數相過大，則切屑的厚度將會超過金剛石的暴露高度。在本例中，由於金剛石顆粒顯示出過大的脆性，將會導致工件與結合劑之間的間隙不足，發生災難性失敗。這將引起法向力的增加，造成工具的災難性的失敗。項目計劃的另一方面，重點是工具機穩定性，潤滑的動力等各種要求，這些則要到深鋸機最後組裝時再考慮。
 
    深鋸切工藝的前景
 
    這些試驗顯示了當今的高強度人造金剛石的潛在的前景。當注意力指向加工工藝，工具機，加工參數的優化，同時開展鋸片設計的時候，就有可能建立一個系統，它可以突破常規系統當前的限制。這個系統的優點，在不久的將來，當2000年工具機製造商開發出專用的深切鋸床的時候即會被實現。基於這一情況，可以預測使用目前強度最高的人造金剛石的一整套加工系統，能有效地達到生產效率的極大增加。
 
    石材加工中金剛石繩鋸的使用前景
 
    金剛石繩鋸在石材加工工業中，可用來加工和開採花崗石和大理石荒料已為世人公認。在歐洲，金剛石繩鋸已被定為大理石的標準開採工具，並正在有效地進入花崗石的開採中。金剛石繩鋸的使用也在增加。現在花崗石，大理石加工的許多應用中都可以發現有繩鋸在使用。在上世紀九十年代早期，固定式金剛石繩鋸機使用僅限於極少數石材加工者，他們已使用這一技術來進行石塊的製備。從那時以來，在技術上已有了很大不同。1997年，一個相當新的設想在CNC控制的繩鋸機上商品化了，它具有鋸切建築用的相當複雜的形狀的能力。把最新工具機概念，工具機控制技術和現代化的金剛石工具匯集一身，成為一個綜合設備，可以根據設計把石材加工成各種不同的形狀，在此之前必須花費大量的費用才能完成。這種金剛石繩鋸的引入解除了建築師和設計師們在實現他們內外石材裝飾工程中外形設計在技術和費用上的障礙。
 
 
    10～40mm厚的花崗石大尺寸薄板只有用常規的鋼砂鋸才能完成。由於鋸片基體設計和與之相關的槽寬的限制，用圓鋸片加工是絕不可能的。用金剛石繩鋸代替這種過時的技術，已經想了好多年了，但是直到1997年金剛石工具化之後才成為可能。這種鋸機是專門設計用來實現用高檔金剛石繩鋸代替傳統的框架鋸。這種使用10根直徑為8mm的金剛石繩鋸的金剛石鋸機的加工能力相當於二台傳統的框架鋸，同時加工的石板的表面形貌得到改善，廢棄石材的量和功率的消耗都得到降低。單單表面質量的改善就意味著後續的磨削加工的時間減少近20%。
 
    這種加工概念的成功，在很大程度上依賴於稱作金剛石繩鋸的工具的性能。有二個因素是這種應用成功的關鍵。首先，繩的直徑直接決定著工件材料的實用性。最初，用於加工花崗石的金剛石繩鋸的直徑為10～12mm，然而今天，最小的直徑範圍達到6～8mm。其次是金剛石繩鋸的實際性能。這可以用兩種方式進行測量。其一，金剛石繩鋸必須達到一定的切割速率，並且這個效率能夠在長時間內保持，它還必須能使其帶來的其它優點得以極大發揮，例如降低功率消耗和材料的廢棄。為了實現這些優點，金剛石技術更前進了一步。早期用於大理石開採的電鍍金剛石繩鋸使用了不規則的天然金剛石磨料或相當易切的低於中等強度的金剛石，今天的金剛石繩鋸使用的是相當完善的耐磨損的材料，使高強度，規則形狀的人造金剛石產品具有的優點得以充分地發揮。
 
    DEBID研究了過去十年中金剛石繩鋸的應用情況。研究集中在應用的細節上，特別是工具，工件和工具機設計之間的相互作用。這個過程允許DEBID把它的注意力集中在研究手段上，以便生產出能充分滿足未來市場需要的人造金剛石產品，包括產品和粒度，強度，熱穩定性和特性。
 
    現場試驗使用在英國的DEBID的繩鋸設備，按一定的程序進行。繩鋸機的配置儘量接近通常生產的環境條件。
 
    通過近十年來的試驗數據的分析，大量的觀測報告顯示的趨勢已經確認。一些觀測到的趨勢不是工具性能的，而是對繩鋸工藝專用的。早期金剛石繩鋸是電鍍的，用來鋸切大理石，緊接著用於花崗石的結合劑和燒結串珠被引入。今天的製造技術最新發展可以見到熱等靜壓製法生產的串珠。它帶來了粉末冶金金剛石工具的批量生產的新領域。同時也看到了燒結料的密度和一致性的明顯改進。最後，還引入了單層或多層釺焊的金剛石工具，它提供了較現用的金剛石工具在金剛石磨粒暴露高度和粘結牢固度方面的優越性。這一結果使工具規範化，可以增加繩鋸生產量並在一定程度上降低成本。
 
    加工數據進行了處理，以便生成精確的工具性能的表達式，其中包含二項，即當固定加工功率條件下的可達到的切割效率和工具的壽命。與工件的選擇和加工參數不同，影響工具性能的因素為金剛石品牌的技術條件，其粒度分布，結合劑粉末冶金原料和製造方法。
 
    這些變量，當幾種不同的繩鋸在同樣的使用條件下進行評定時，發生了一個有趣的情況，應用的生產率是特別有趣的。在十年考查期間，這種應用取得的鋸切效率均穩定地保持在170～250cm2/min的範圍內。隨著這一結論的產生，可以斷定，在這一領域中的金剛石繩鋸的使用具有顯著的效益。金剛石繩鋸已實現了這一增長，因為性能的改進帶來成本的下降，包括改善工具的壽命，因而，直接減少了加工成本。在研究初期，直徑為10mm的金剛石繩鋸的使用壽命的工業標準指數為5m2/m(繩鋸)，到了研究後期，這一指數增加了2倍。〖CM(19*2〗加工成本上顯著下降，因而促進了應用的增長。
 
    正如所看到的，儘管目前經濟上出現一些混亂，但石材加工仍穩定地連續增長。在幾乎所有有合適的天然資源的國家，在石材的開採和加工方面毫無疑問地都在增長。但是最終的石材產品的大部分生產來自於三個主要國家，橫跨兩大洲。在這兩大洲之間存在大量的經濟和技術上的不同。因而對工具機，工具，以致於金剛石產品的技術要求有巨大的不同。由於歐洲國家在努力保持其成本的競爭能力，所以在技術開發方面進行了大量的嘗試，它正在不斷地改進工件的實用性。通過金剛石繩鋸應用的增長，高精度的工具機的使用，能夠進行大切深和精密的鋸切，以及多根繩鋸的開發利用，都可以看到這些進展。產量的增長主要來源於三個地區，在那裡可以實現成本降低。

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