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.這一增長的主要?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不斷增長.
　　
　　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)藏量的國家來說情況是不同的.直到現(xiàn)在,許多較小的石材生產(chǎn)國加工石材基本上是用于本地的消費(fèi),而未開拓出口市場.近年來,全球市場開始有了顯著的變化.
　　
　　用于加工的石材的開采量大幅度增長.1998年全球開采量約為4740萬噸,較1997年增長了48%.
　　
　　
　　1993年石材開采量大于200萬噸的國家只有三個(gè),它們是意大利,西班牙和中國,產(chǎn)量分別為750萬噸,340萬噸和250萬噸.5年以后,這樣的國家數(shù)已增加到7個(gè):意大利以750萬噸領(lǐng)先;中國上升到第二位,產(chǎn)量達(dá)到600萬噸;西班牙以450萬噸位于第三,而處于第四位的印度其產(chǎn)量為240萬噸.分享其余的200萬噸市場的其它三個(gè)國家是巴西,葡萄牙和希臘.
　　
　　圖3所示為這些國家在全球產(chǎn)量中所占的份額，圖4所示是全球產(chǎn)量的洲際分布。
　　
　　
　　石材加工
　　
　　1998年14個(gè)主要國家進(jìn)行的精加工和半精加工產(chǎn)品處理的石材總量,與接近1520萬噸的1997年的水平相當(dāng).使得這14個(gè)主要國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)國家的材料加工量在增長,但是如同所預(yù)料的那樣,石材加工量的減少反映在開采量上,日本,韓國和臺(tái)灣在加工上都呈現(xiàn)出下降的趨勢.
　　
　　石材加工方面正在產(chǎn)生一個(gè)清晰的全球格局.三個(gè)國家控制著世界市場,即意大利,中國和西班牙,1998年這三個(gè)國家占了全球天然石材加工量(前14位) 如圖5：
　　
　　
　　石材加工量的39.5%.這些地區(qū)的考察表明,歐洲與中國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.
　　
　　中國和歐洲石材加工技術(shù)的比較
　　
　　近來,中國已顯現(xiàn)出作為石材開采和加工領(lǐng)頭國的苗頭.今天,中國生產(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1600億萬平方米的各種石板材,用于本國市場和出口市場.這里有大約500家公司具有開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(chǎn)品的用途是不相符的.因?yàn)閺氖澜绲膶用鎭砜?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.在中國石材與其它民用建筑材料,如陶瓷,水泥和木材直接競爭.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,中國的勞動(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.開采石塊的時(shí)候,中國使用的是爆破法,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)商要想具有競爭力,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),盡可能地把開采出來的石塊轉(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)出并減少廢料的成本之外,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%.一般說來,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際組織,開始研究給石材加工工藝帶來一個(gè)新天地的計(jì)劃.重點(diǎn)放在尋求解決問題的途徑,以及技術(shù),經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的綜合評(píng)價(jià),以及問題的逼近.這一計(jì)劃的目標(biāo)是開發(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滑的經(jīng)改進(jìn)系統(tǒng),以便保證長時(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,潤滑和修整系統(tǒng))的開發(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)的簡化模型公式.
　　
　　heq =ae Vft /Vc λ
　　
　　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.
　　
　　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(yè)中,可用來加工和開采花崗石和大理石荒料已為世人公認(rèn).在歐洲,金剛石繩鋸已被定為大理石的標(biāo)準(zhǔn)開采工具,并正在有效地進(jìn)入花崗石的開采中.金剛石繩鋸的使用也在增加.現(xiàn)在花崗石,大理石加工的許多應(yīng)用中都可以發(fā)現(xiàn)有繩鋸在使 用.在上世紀(jì)九十年代早期,固定式金剛石繩鋸機(jī)使用僅限于極少數(shù)石材加工者,他們已使 用這一技術(shù)來進(jìn)行石塊的制備.從那時(shí)以來,在技術(shù)上已有了很大不同.1997年,一個(gè)相當(dāng)新的設(shè)想在CNC控制的繩鋸機(jī)上商品化了,它具有鋸切建筑用的相當(dāng)復(fù)雜的形狀的能力. 把最新機(jī)床概念,機(jī)床控制技術(shù)和現(xiàn)代化的金剛石工具匯集一身,成為一個(gè)綜合設(shè)備,可以根據(jù)設(shè)計(jì)把石材加工成各種不同的形狀,在此之前必須花費(fèi)大量的費(fèi)用才能完成.這種金剛石繩鋸的引入解除了建筑師和設(shè)計(jì)師們?cè)趯?shí)現(xiàn)他們內(nèi)外石材裝飾工程中外形設(shè)計(jì)在技術(shù)和費(fèi)用上的障礙.
　　
　　10～40mm厚的花崗石大尺寸薄板只有用常規(guī)的鋼砂鋸才能完成.由于鋸片基體設(shè)計(jì)和與之相關(guān)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(shí)的技術(shù),已經(jīng)想了好多年了,但是直到1997年金剛石工具化之后才成為可能.這種鋸機(jī)是專門設(shè)計(jì)用來實(shí)現(xiàn)用高檔金剛石繩鋸代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(jī)的加工能力相當(dāng)于二臺(tái)傳統(tǒng)的框架鋸,同時(shí)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(zhì)量的改善就意味著后續(xù)的磨削加工的時(shí)間減少近20%.
　　
　　這種加工概念的成功,在很大程度上依賴于稱作金剛石繩鋸的工具的性能.有二個(gè)因素是這種應(yīng)用成功的關(guān)鍵.首先,繩的直徑直接決定著工件材料的實(shí)用性.最初,用于加工花崗石的金剛石繩鋸的直徑為10～12mm,然而今天,最小的直徑范圍達(dá)到6～8mm.其次是金剛石繩鋸的實(shí)際性能.這可以用兩種方式進(jìn)行測量.其一,金剛石繩鋸必須達(dá)到一定的切割速率,并且這個(gè)效率能夠在長時(shí)間內(nèi)保持,它還必須能使其帶來的其它優(yōu)點(diǎn)得以極大發(fā)揮,例如降低功率消耗和材料的廢棄.為了實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn),金剛石技術(shù)更前進(jìn)了一步.早期用于大理石開采的電鍍金剛石繩鋸使用了不規(guī)則的天然金剛石磨料或相當(dāng)易切的低于中等強(qiáng)度的金剛石,今天的金剛石繩鋸使用的是相當(dāng)完善的耐磨損的材料,使高強(qiáng)度,規(guī)則形狀的人造金剛石產(chǎn)品具有的優(yōu)點(diǎn)得以充分地發(fā)揮.
　　
　　DEBID研究了過去十年中金剛石繩鋸的應(yīng)用情況.研究集中在應(yīng)用的細(xì)節(jié)上,特別是工具,工件和機(jī)床設(shè)計(jì)之間的相互作用.這個(gè)過程允許DEBID把它的注意力集中在研究手段上,以便生產(chǎn)出能充分滿足未來市場需要的人造金剛石產(chǎn)品,包括產(chǎn)品和粒度,強(qiáng)度,熱穩(wěn)定性和特性.
　　
　　現(xiàn)場試驗(yàn)使用在英國的DEBID的繩鋸設(shè)備,按一定的程序進(jìn)行.繩鋸機(jī)的配置盡量接近通常生產(chǎn)的環(huán)境條件.
　　
　　通過近十年來的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,大量的觀測報(bào)告顯示的趨勢已經(jīng)確認(rèn).一些觀測到的趨勢不是工具性能的,而是對(duì)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,緊接著用于花崗石的結(jié)合劑和燒結(jié)串珠被引入.今天的制造技術(shù)最新發(fā)展可以見到熱等靜壓制法生產(chǎn)的串珠.它帶來了粉末冶金金剛石工具的批量生產(chǎn)的新領(lǐng)域.同時(shí)也看到了燒結(jié)料的密度和一致性的明顯改進(jìn).最后,還引入了單層或多層釬焊的金剛石工具,它提供了較現(xiàn)用的金剛石工具在金剛石磨粒暴露高度和粘結(jié)牢固度方面的優(yōu)越性.這一結(jié)果使工具規(guī)范化,可以增加繩鋸生產(chǎn)量并在一定程度上降低成本.
　　
　　加工數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,以便生成精確的工具性能的表達(dá)式,其中包含二項(xiàng),即當(dāng)固定加工功率條件下的可達(dá)到的切割效率和工具的壽命.與工件的選擇和加工參數(shù)不同,影響工具性能的因素為金剛石品牌的技術(shù)條件,其粒度分布,結(jié)合劑粉末冶金原料和制造方法.
　　
　　這些變量,當(dāng)幾種不同的繩鋸在同樣的使用條件下進(jìn)行評(píng)定時(shí),發(fā)生了一個(gè)有趣的情況,應(yīng)用的生產(chǎn)率是特別有趣的.在十年考查期間,這種應(yīng)用取得的鋸切效率均穩(wěn)定地保持在170～250cm2/min的范圍內(nèi).隨著這一結(jié)論的產(chǎn)生,可以斷定,在這一領(lǐng)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(shí)現(xiàn)了這一增長,因?yàn)樾阅艿母倪M(jìn)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)為5m2/m(繩鋸),到了研究后期,這一指數(shù)增加了2倍.〖CM(19*2〗加工成本上顯著下降,因而促進(jìn)了應(yīng)用的增長.
　　
　　正如所看到的,盡管目前經(jīng)濟(jì)上出現(xiàn)一些混亂,但石材加工仍穩(wěn)定地連續(xù)增長.在幾乎所有有合適的天然資源的國家,在石材的開采和加工方面毫無疑問地都在增長.但是最終的石材產(chǎn)品的大部分生產(chǎn)來自于三個(gè)主要國家,橫跨兩大洲.在這兩大洲之間存在大量的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的不同.因而對(duì)機(jī)床,工具,以致于金剛石產(chǎn)品的技術(shù)要求有巨大的不同. 由于歐洲國家在努力保持其成本的競爭能力,所以在技術(shù)開發(fā)方面進(jìn)行了大量的嘗試,它正在不斷地改進(jìn)工件的實(shí)用性.通過金剛石繩鋸應(yīng)用的增長,高精度的機(jī)床的使用,能 夠進(jìn)行大切深和精密的鋸切,以及多根繩鋸的開發(fā)利用,都可以看到這些進(jìn)展.產(chǎn)量的增長主要來源于三個(gè)地區(qū),在那里可以實(shí)現(xiàn)成本降低.