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金剛石磨具在石材加工技術(shù)的應(yīng)用前景

 

         金剛石磨具在石材加工工業(yè)所有領(lǐng)域中的應(yīng)用穩(wěn)步地增長(zhǎng)。這一增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿?，是由于金剛石合成技術(shù)，工具制造技

術(shù)的改進(jìn)和機(jī)床設(shè)計(jì)的改善，使成本得到全面降低。這些改進(jìn)使石材的利用率和產(chǎn)量從初始的開(kāi)采階段到最終的加工都得到明

顯的增加。這些進(jìn)步全面影響了金剛石的消費(fèi)量的增加，并在各種現(xiàn)行的和最新開(kāi)發(fā)的加工工藝中代替了傳統(tǒng)的磨具。本文考

察了石材加工中的技術(shù)進(jìn)步，這些進(jìn)步確實(shí)促進(jìn)了天然石材用作內(nèi)外裝飾建筑材料的市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)。

　　用作建筑和裝飾的天然石材的可獲量，對(duì)大多數(shù)具有大量原材料儲(chǔ)藏量的國(guó)家來(lái)說(shuō)情況是不同的。直到現(xiàn)在，許多較小的

石材生產(chǎn)國(guó)加工石材基本上是用于本地的消費(fèi)，而未開(kāi)拓出口市場(chǎng)。近年來(lái)，全球市場(chǎng)開(kāi)始有了顯著的變化。

　　用于加工的石材的開(kāi)采量大幅度增長(zhǎng)。1998年全球開(kāi)采量約為4740萬(wàn)噸，較1997年增長(zhǎng)了48%。

　　1993年石材開(kāi)采量大于200萬(wàn)噸的國(guó)家只有三個(gè)，它們是意大利，西班牙和中國(guó)，產(chǎn)量分別為750萬(wàn)噸，340萬(wàn)噸和250

萬(wàn)噸。5年以后，這樣的國(guó)家數(shù)已增加到7個(gè)：意大利以750萬(wàn)噸領(lǐng)先；中國(guó)上升到第二位，產(chǎn)量達(dá)到600萬(wàn)噸；西班牙以450

萬(wàn)噸位于第三，而處于第四位的印度其產(chǎn)量為240萬(wàn)噸。分享其余的200萬(wàn)噸市場(chǎng)的其它三個(gè)國(guó)家是巴西，葡萄牙和希臘。

　　為這些國(guó)家在全球產(chǎn)量中所占的份額，是全球產(chǎn)量的洲際分布。

　　石材加工

　　1998年14個(gè)主要國(guó)家進(jìn)行的精加工和半精加工產(chǎn)品處理的石材總量，與接近1520萬(wàn)噸的1997年的水平相當(dāng)。使得這14

個(gè)主要國(guó)家的石材加工量占全球的71。5%。

　　在這個(gè)集團(tuán)中，其發(fā)展情況是有變化的。多數(shù)國(guó)家的材料加工量在增長(zhǎng)，但是如同所預(yù)料的那樣，石材加工量的減少反映

在開(kāi)采量上，日本，韓國(guó)和臺(tái)灣在加工上都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

　　石材加工方面正在產(chǎn)生一個(gè)清晰的全球格局。三個(gè)國(guó)家控制著世界市場(chǎng)，即意大利，中國(guó)和西班牙，1998年這三個(gè)國(guó)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(qū)的考察表明，歐洲與中國(guó)在使用的方法和技術(shù)之間具有明顯的差異。文化，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，

基礎(chǔ)和技術(shù)上的差異，造成采用不同加工技術(shù)和裝備及工具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，及對(duì)這些工具中的金剛石的性能不同要求的工業(yè)的發(fā)

展。

　　中國(guó)和歐洲石材加工技術(shù)的比較

　　近來(lái)，中國(guó)已顯現(xiàn)出作為石材開(kāi)采和加工領(lǐng)頭國(guó)的苗頭。今天，中國(guó)生產(chǎn)著240種不同品種的花崗石，占其產(chǎn)量的65%

[3]，60個(gè)品種的大理石和10個(gè)品種的石板。1998年，生產(chǎn)了1600億萬(wàn)平方米的各種石板材，用于本國(guó)市場(chǎng)和出口市場(chǎng)。這

里有大約500家公司具有開(kāi)采和加工本地石材的能力，而且公司的數(shù)量還在增加。這一數(shù)量的變化節(jié)奏也是明顯的，然而，產(chǎn)

量的急劇增加并沒(méi)有在機(jī)床技術(shù)投資方面得到反映。大部分加工設(shè)備還在使用老式的，陳舊的生產(chǎn)方法。

　　開(kāi)采方法采用爆破法，這意味著只有5%～8%的石材可用于加工。許多選出的塊料經(jīng)常被從加工過(guò)程退回，因?yàn)槠渲杏性S

多爆破時(shí)產(chǎn)生的裂紋和缺陷。

　　中國(guó)花崗石的主要用途是用作地磚和貼面磚。中國(guó)市場(chǎng)與這類產(chǎn)品的用途是不相符的。因?yàn)閺氖澜绲膶用鎭?lái)看，這些石材

仍然基本上被用于知名的建筑，而不是標(biāo)準(zhǔn)的民用建筑。在中國(guó)石材與其它民用建筑材料，如陶瓷，水泥和木材直接競(jìng)爭(zhēng)。受

到如此對(duì)待，用于這種用途的石材其光潔度和尺寸精度的質(zhì)量要求當(dāng)然要低于西方用作有知名度建筑項(xiàng)目的石材的質(zhì)量要求。

　　這方面的主要差別在于勞動(dòng)力市場(chǎng)，中國(guó)的勞動(dòng)力成本明顯低于歐洲；也反映在鋸機(jī)投資，自動(dòng)化程度和全員勞動(dòng)生產(chǎn)率

水平上。開(kāi)采石塊的時(shí)候，中國(guó)使用的是爆破法，采出的是形狀不規(guī)則的石塊，其尺寸必須小到能夠用小卡車裝運(yùn)的程度，而

后石塊經(jīng)短距離運(yùn)到加工廠。通常，對(duì)用于地磚和貼切面磚的板材的加工，一般是用國(guó)產(chǎn)的往復(fù)式多鋸片系統(tǒng)為基礎(chǔ)的設(shè)備，

這個(gè)系統(tǒng)有5個(gè)1m直徑和5個(gè)1。6m直徑的鋸片兩種組合。鋸機(jī)的生產(chǎn)能力很低，因?yàn)榍邢饔昧渴艿皆O(shè)備功率和簡(jiǎn)單的工具技

術(shù)的限制。加工普通花崗石的典型工藝參數(shù)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(jìn)速度：5m/min

　　鋸切效率：每只鋸片50cm2/min或0。3m2/h

　　鋸機(jī)生產(chǎn)效率：24m2/工作日(每工作日按8小時(shí)計(jì))

　　隨后石塊被從鋸機(jī)上取下，人工將鋸出的石板放到旋臂式拋光機(jī)上用普通磨具拋光。拋光后這些長(zhǎng)條石板則在手動(dòng)切斷機(jī)

上被切成最終的尺寸。

　　由于使用的是這種低水平的自動(dòng)化和低的鋸切效率，所以對(duì)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。由于鋸切效率慢得多，所以磨粒的粒度相應(yīng)地較細(xì)，這種應(yīng)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(fù)載是低的，因而使用的金剛石的性能與歐洲類似的應(yīng)用中使用的金剛石性能有很大不

同。其需用的金剛石品級(jí)是非常不規(guī)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。

　　由于一系列原因，歐洲的情況是不同的。歐洲人的生活標(biāo)準(zhǔn)比中國(guó)高，因此歐洲的勞動(dòng)力成本要高得多。歐洲的主要石材

生產(chǎn)商要想具有競(jìng)爭(zhēng)力，他們必須把注意焦點(diǎn)放到加工上，即優(yōu)化生產(chǎn)率并極大化原料的成品率。這些方法集中在低的能量耗

費(fèi)和極小化不必要的石材廢料的同時(shí)，盡可能地把開(kāi)采出來(lái)的石塊轉(zhuǎn)換成最終成品。這些方法要求鋸機(jī)技術(shù)具有高速作業(yè)和精

良的工具，這些工具能夠長(zhǎng)時(shí)間維持自動(dòng)的工作。90年代，歐洲進(jìn)行了機(jī)床和金剛石工具的技術(shù)開(kāi)發(fā)，它促進(jìn)了生產(chǎn)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(chǎn)模塊化的貼面磚時(shí)歐洲使用的技術(shù)和中國(guó)的技術(shù)，我們可以看到在機(jī)床工具技術(shù)和生產(chǎn)率二方面存

在很大的分別。在歐洲，這些貼切面磚的生產(chǎn)幾乎是全自動(dòng)化的，使用的是有效的機(jī)床設(shè)計(jì)和自動(dòng)化的裝卸設(shè)備。用于這種生

產(chǎn)的最新設(shè)備，在一根主軸上可以安裝80片直徑為1m的鋸片。

　　機(jī)床和工具的設(shè)計(jì)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(jìn)速度：17m/min

　　切割效率：每片170cm2/min或者1。

　　02m2/h

　　機(jī)床生產(chǎn)能力：640m2/工作日(每個(gè)工作日按8小時(shí)計(jì))

　　在此條件下，廢料也必須極小化，以便使產(chǎn)品的產(chǎn)出極大化。舉一個(gè)有代表性的例子，鋸片的切口寬度在10mm以下，而

中國(guó)的則為12～15mm。材料的裝卸和加工時(shí)間的優(yōu)化也是達(dá)到生產(chǎn)率最大化的關(guān)鍵，所以就地將石塊鋸成板材，并自動(dòng)傳

輸?shù)揭粋€(gè)自動(dòng)化機(jī)床上，準(zhǔn)備第二步加工。

　　由于切割效率非常高，所以對(duì)金剛石工具的要求很高。在這類應(yīng)用中金剛石磨料的品級(jí)和粒度與在中國(guó)使用的大不相同。

由于切割效率較高，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(yīng)地也就較大，因而對(duì)金剛石的性能要求也就截然不同。對(duì)金剛石的典型要求是：一致性好，強(qiáng)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(tài)。同時(shí)，在高負(fù)荷使用的狀態(tài)下仍能長(zhǎng)時(shí)間地保持性能的

穩(wěn)定性。

　　金剛石在花崗石加工中的應(yīng)用前景

　　為進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，各種研究集中在改進(jìn)石材加工工藝的經(jīng)濟(jì)性上，除了改進(jìn)材料的產(chǎn)出并減少?gòu)U料的成本之外，金剛

石生產(chǎn)商，機(jī)床制造商和工具制造商為增加機(jī)床的生產(chǎn)能力和工具的匹配進(jìn)行了大量的研究。其中的一項(xiàng)研究找出了目前大理

石加工機(jī)床的生產(chǎn)能力達(dá)到的水平。歐洲現(xiàn)使用的最高效率的花崗石鋸機(jī)的生產(chǎn)效率水平只相當(dāng)于大理石加工達(dá)到水平的約

4%。一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)切深大于25mm之后，用于加工花崗石則可能性不大，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致大量發(fā)熱和金剛石工具過(guò)載。

　　由金剛石生產(chǎn)商，金剛石工具制造商，機(jī)床制造商，鋸片基體生產(chǎn)商和一個(gè)研究所組成的歐洲伙伴國(guó)際組織，開(kāi)始研究給

石材加工工藝帶來(lái)一個(gè)新天地的計(jì)劃。重點(diǎn)放在尋求解決問(wèn)題的途徑，以及技術(shù)，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的綜合評(píng)價(jià)，以及問(wèn)題的逼近。

這一計(jì)劃的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)加工系統(tǒng)的各子系統(tǒng)，使之滿足深切的條件下的需要，即切深范圍從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(rùn)滑的經(jīng)改進(jìn)系統(tǒng)，以便保證長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地工作。因?yàn)檫@對(duì)一個(gè)高度自動(dòng)化的

加工是基本的要求。研究工作分二個(gè)階段進(jìn)行：

　　1，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，以便得到一些基礎(chǔ)性的信息(材料的性能，切削力，溫度和振動(dòng))，作為機(jī)床和工具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)達(dá)到的

必須改進(jìn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　2，在第一階段數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行工具和機(jī)床部件(鋸片結(jié)塊，潤(rùn)滑和修整系統(tǒng))的開(kāi)發(fā)。在第一階段，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的關(guān)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(qū))的溫度，以及振動(dòng)特性。當(dāng)使用小鋸片的時(shí)

候，系統(tǒng)特性與工業(yè)應(yīng)用中實(shí)際使用條件特性必須相匹配，這一點(diǎn)是至關(guān)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(tǒng)中的兩個(gè)主要變量得到公認(rèn)，即切削速度(Vc)和切割深度(ae)。使用這些參數(shù)和有關(guān)工具幾何尺寸的信息，就能提

出一個(gè)圓鋸片鋸切時(shí)的簡(jiǎn)化模型公式。

　　heq=aeVft/Vcλ

　　使用這種公式能夠再現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用中正常情況下相近的條件和力。