金刚石磨具在石材加工工业所有领域中的应用稳步地增长.这一增长的主要动力,是由于金刚石合成技术,工具制造技术的改进和机床设计的改善,使成本得到全面降低.这些改进使石材的利用率和产量从初始的开采阶段到最终的加工都得到明显的增加.这些进步全面影响了金刚石的消费量的增加,并在各种现行的和最新开发的加工工艺中代替了传统的磨具.本文考察了石材加工中的技术进步,这些进步确实促进了天然石材用作内外装饰建筑材料的市场不断增长.
用作建筑和装饰的天然石材的可获量,对大多数具有大量原材料储藏量的国家来说情况是不同的.直到现在,许多较小的石材生产国加工石材基本上是用于本地的消费,而未开拓出口市场.近年来,全球市场开始有了显著的变化.
用于加工的石材的开采量大幅度增长.1998年全球开采量约为4740万吨,较1997年增长了48%.
1993年石材开采量大于200万吨的国家只有三个,它们是意大利,西班牙和中国,产量分别为750万吨,340万吨和250万吨.5年以后,这样的国家数已增加到7个:意大利以750万吨领先;中国上升到第二位,产量达到600万吨;西班牙以450万吨位于第三,而处于第四位的印度其产量为240万吨.分享其余的200万吨市场的其它三个国家是巴西,葡萄牙和希腊.
图3所示为这些国家在全球产量中所占的份额，图4所示是全球产量的洲际分布。
石材加工
1998年14个主要国家进行的精加工和半精加工产品处理的石材总量,与接近1520万吨的1997年的水平相当.使得这14个主要国家的石材加工量占全球的71.5%.
在这个集团中,其发展情况是有变化的.多数国家的材料加工量在增长,但是如同所预料的那样,石材加工量的减少反映在开采量上,日本,韩国和台湾在加工上都呈现出下降的趋势.
石材加工方面正在产生一个清晰的全球格局.三个国家控制着世界市场,即意大利,中国和西班牙,1998年这三个国家占了全球天然石材加工量(前14位) 如图5：
石材加工量的39.5%.这些地区的考察表明,欧洲与中国在使用的方法和技术之间具有明显的差异.文化,经济结构,基础和技术上的差异,造成采用不同加工技术和装备及工具设计标准,及对这些工具中的金刚石的性能不同要求的工业的发展.
中国和欧洲石材加工技术的比较
近来,中国已显现出作为石材开采和加工领头国的苗头.今天,中国生产着240种不同品种的花岗石,占其产量的65%[3],60个品种的大理石和10个品种的石板.1998年,生产了1600亿万平方米的各种石板材,用于本国市场和出口市场.这里有大约500家公司具有开采和加工本地石材的能力,而且公司的数量还在增加.这一数量的变化节奏也是明显的,然而,产量的急剧增加并没有在机床技术投资方面得到反映.大部分加工设备还在使用老式的,陈旧的生产方法.
开采方法采用爆破法,这意味着只有5%～8%的石材可用于加工.许多选出的块料经常被从加工过程退回,因为其中有许多爆破时产生的裂纹和缺陷.
中国花岗石的主要用途是用作地砖和贴面砖.中国市场与这类产品的用途是不相符的.因为从世界的层面来看,这些石材仍然基本上被用于知名的建筑,而不是标准的民用建筑.在中国石材与其它民用建筑材料,如陶瓷,水泥和木材直接竞争.受到如此对待,用于这种用途的石材其光洁度和尺寸精度的质量要求当然要低于西方用作有知名度建筑项目的石材的质量要求.
这方面的主要差别在于劳动力市场,中国的劳动力成本明显低于欧洲;也反映在锯机投资,自动化程度和全员劳动生产率水平上.开采石块的时候,中国使用的是爆破法,采出的是形状不规则的石块,其尺寸必须小到能够用小卡车装运的程度,而后石块经短距离运到加工厂.通常,对用于地砖和贴切面砖的板材的加工,一般是用国产的往复式多锯片系统为基础的设备,这个系统有5个1m直径和5个1.6m直径的锯片两种组合.锯机的生产能力很低,因为切削用量受到设备功率和简单的工具技术的限制.加工普通花岗石的典型工艺参数如下:
锯片周边切削速度:(直径为1米的锯片)27m/s,(直径为1.6米的锯片)17m/s
锯切深度:1mm
送进速度:5m/min
锯切效率:每只锯片50cm2/min或0.3m2/h
锯机生产效率:24m2/工作日(每工作日按8小时计)
随后石块被从锯机上取下,人工将锯出的石板放到旋臂式抛光机上用普通磨具抛光.抛光后这些长条石板则在手动切断机上被切成最终的尺寸.
由于使用的是这种低水平的自动化和低的锯切效率,所以对金刚石锯片的要求不高,因而在这种使用中看到的磨具品种和尺寸与在欧洲常用的不同.由于锯切效率慢得多,所以磨粒的粒度相应地较细,这种应用中选用的金刚石粒度通常为50至70筛目.在这种锯切效率下,锯片承受的负载是低的,因而使用的金刚石的性能与欧洲类似的应用中使用的金刚石性能有很大不同.其需用的金刚石品级是非常不规则的,易碎的磨粒,它能使锯片在通常的条件下被做得很锋利.
由于一系列原因,欧洲的情况是不同的.欧洲人的生活标准比中国高,因此欧洲的劳动力成本要高得多.欧洲的主要石材生产商要想具有竞争力,他们必须把注意焦点放到加工上,即优化生产率并极大化原料的成品率.这些方法集中在低的能量耗费和极小化不必要的石材废料的同时,尽可能地把开采出来的石块转换成最终成品.这些方法要求锯机技术具有高速作业和精良的工具,这些工具能够长时间维持自动的工作.90年代,欧洲进行了机床和金刚石工具的技术开发,它促进了生产效率的增加,以及石材加工成本的显著的降低.
如果我们比较一下生产模块化的贴面砖时欧洲使用的技术和中国的技术,我们可以看到在机床工具技术和生产率二方面存在很大的分别.在欧洲,这些贴切面砖的生产几乎是全自动化的,使用的是有效的机床设计和自动化的装卸设备.用于这种生产的最新设备,在一根主轴上可以安装80片直径为1m的锯片.
机床和工具的设计允许更快的切割效率,其典型的用量如下:
锯片周边切削速度:25～35m/s
锯切深度:1mm
送进速度:17m/min
切割效率:每片170cm2/min或者1.02m2/h
机床生产能力:640m2/工作日(每个工作日按8小时计)
在此条件下,废料也必须极小化,以便使产品的产出极大化.举一个有代表性的例子,锯片的切口宽度在10mm以下,而中国的则为12～15mm.材料的装卸和加工时间的优化也是达到生产率最大化的关键,所以就地将石块锯成板材,并自动传输到一个自动化机床上,准备第二步加工.
由于切割效率非常高,所以对金刚石工具的要求很高.在这类应用中金刚石磨料的品级和粒度与在中国使用的大不相同.由于切割效率较高,则金刚石磨料的粒度自然是要用较粗的,最通用的金刚石粒度是30～50筛目.在高切割效率的情况下,作用在工具上的载荷相应地也就较大,因而对金刚石的性能要求也就截然不同.对金刚石的典型要求是:一致性好,强度高,块状颗粒,它们能使工具在高加工效率下保持良好的非常锋利的状态.同时,在高负荷使用的状态下仍能长时间地保持性能的稳定性.
金刚石在花岗石加工中的应用前景
为进一步提高生产率,各种研究集中在改进石材加工工艺的经济性上,除了改进材料的产出并减少废料的成本之外,金刚石生产商,机床制造商和工具制造商为增加机床的生产能力和工具的匹配进行了大量的研究.其中的一项研究找出了目前大理石加工机床的生产能力达到的水平.欧洲现使用的最高效率的花岗石锯机的生产效率水平只相当于大理石加工达到水平的约4%.一般说来,当切深大于25mm之后,用于加工花岗石则可能性不大,因为这会导致大量发热和金刚石工具过载.
由金刚石生产商,金刚石工具制造商,机床制造商,锯片基体生产商和一个研究所组成的欧洲伙伴国际组织,开始研究给石材加工工艺带来一个新天地的计划.重点放在寻求解决问题的途径,以及技术,经济和环境的综合评价,以及问题的逼近.这一计划的目标是开发加工系统的各子系统,使之满足深切的条件下的需要,即切深范围从100～300mm.它包括一种高效的金刚石圆锯片,以及为工具和工件接口处提供润滑的经改进系统,以便保证长时间稳定地工作.因为这对一个高度自动化的加工是基本的要求.研究工作分二个阶段进行:
1,进行实验室试验,以便得到一些基础性的信息(材料的性能,切削力,温度和振动),作为机床和工具设计时应达到的必须改进的基础数据.
2,在1阶段数据的基础上进行工具和机床部件(锯片结块,润滑和修整系统)的开发.在1阶段,本项目设计的关键之一就是使用小锯片模拟,以便考察加工的力,在工具和工件的接口处(磨削区)的温度,以及振动特性.当使用小锯片的时候,系统特性与工业应用中实际使用条件特性必须相匹配,这一点是至关重要的.为满足这一要求,许多作者提出了各种锯切模型,系统中的两个主要变量得到公认,即切削速度(Vc)和切割深度(ae).使用 这些参数和有关工具几何尺寸的信息,就能提出一个圆锯片锯切时的简化模型公式.
heq =ae Vft /Vc λ
使用这种公式能够再现工业应用中正常情况下相近的条件和力.
深锯切条件下的切割温度和切削力的测量
用小型实验室试验实施深锯切,以便测量在切削区产生的热和切削力.这一信息对于确定大型生产型锯机的润滑装备和预测金刚石工具在加工过程中可能承受的切削力是必须的.使用了高强度的金刚石,其粒度为30/40,每克拉颗粒数为660±30粒. 首先锯切了中等硬度的意大利花岗石,接着又锯切了更难加工的印度红花岗石,这是一种最难切的材料之一.在锯切试验中,锯切深度保持为90mm,调整送进速度,使之在最温和的切割条件100cm2/min与最恶劣的条件600cm2/min之间改变.这一条件可满足工业生产设定的380cm2/min到1000cm2/min的生产效率.得到了温度测量结果.正如所预料的,随锯切效率的提高产生的切削温度也在上升,但即使在最高的速度下,产生的切削温度仍然低于200℃. 使用测力计测量加工中的法向力和切向力,给锯机设计和最大尺寸的工具规格的开发提供帮助.切削力的分析和金刚石磨损过程的考察则确定在其工艺范围内应在那一段上进行工作.这是保持金刚石均匀磨损和调整金刚石用来完成材料的切削所需的暴露高度的关键.
花岗石深锯的加工要求
在1阶段得到的信息的基础上,确定与深锯切工艺相关的专门设计的加工设备.考虑金刚石锯片的设计,重点检查下列工具设计要求.工具的规格和加工的条件必须保证达到材料切除率和金刚石暴露高度相匹配时实现的磨屑厚度.在深锯的条件下不同于切屑厚度太小的情况,关心的主要方面在于,如果切削参数相过大,则切屑的厚度将会超过金刚石的暴露高度.在本例中,由于金刚石颗粒显示出过大的脆性,将会导致工件与结合剂之间的间隙不足,发生灾难性失败.这将引起法向力的增加,造成工具的灾难性的失败.项目计划的另一方面,重点是机床稳定性,润滑的动力等各种要求,这些则要到深锯机最后组装时再考虑.
深锯切工艺的前景
这些试验显示了当今的高强度人造金刚石的潜在的前景.当注意力指向加工工艺,机床,加工参数的优化,同时开展锯片设计的时候,就有可能建立一个系统,它可以突破常规系统当前的限制.这个系统的优点,在不久的将来,当2000年机床制造商开发出专用的深切锯床的时候即会被实现.基于这一情况,可以预测使用目前强度最高的人造金刚石的一整套加工系统,能有效地达到生产效率的极大增加.
石材加工中金刚石绳锯的使用前景
金刚石绳锯在石材加工工业中,可用来加工和开采花岗石和大理石荒料已为世人公认.在欧洲,金刚石绳锯已被定为大理石的标准开采工具,并正在有效地进入花岗石的开采中.金刚石绳锯的使用也在增加.现在花岗石,大理石加工的许多应用中都可以发现有绳锯在使 用.在上世纪九十年代早期,固定式金刚石绳锯机使用仅限于极少数石材加工者,他们已使 用这一技术来进行石块的制备.从那时以来,在技术上已有了很大不同.1997年,一个相当新的设想在CNC控制的绳锯机上商品化了,它具有锯切建筑用的相当复杂的形状的能力. 把最新机床概念,机床控制技术和现代化的金刚石工具汇集一身,成为一个综合设备,可以根据设计把石材加工成各种不同的形状,在此之前必须花费大量的费用才能完成.这种金刚石绳锯的引入解除了建筑师和设计师们在实现他们内外石材装饰工程中外形设计在技术和费用上的障碍.
10～40mm厚的花岗石大尺寸薄板只有用常规的钢砂锯才能完成.由于锯片基体设计和与之相关的槽宽的限制,用圆锯片加工是绝不可能的.用金刚石绳锯代替这种过时的技术,已经想了好多年了,但是直到1997年金刚石工具化之后才成为可能.这种锯机是专门设计用来实现用高档金刚石绳锯代替传统的框架锯.这种使用10根直径为8mm的金刚石绳锯的金刚石锯机的加工能力相当于二台传统的框架锯,同时加工的石板的表面形貌得到改善,废弃石材的量和功率的消耗都得到降低.单单表面质量的改善就意味着后续的磨削加工的时间减少近20%.
这种加工概念的成功,在很大程度上依赖于称作金刚石绳锯的工具的性能.有二个因素是这种应用成功的关键.首先,绳的直径直接决定着工件材料的实用性.最初,用于加工花岗石的金刚石绳锯的直径为10～12mm,然而今天,最小的直径范围达到6～8mm.其次是金刚石绳锯的实际性能.这可以用两种方式进行测量.其一,金刚石绳锯必须达到一定的切割速率,并且这个效率能够在长时间内保持,它还必须能使其带来的其它优点得以极大发挥,例如降低功率消耗和材料的废弃.为了实现这些优点,金刚石技术更前进了一步.早期用于大理石开采的电镀金刚石绳锯使用了不规则的天然金刚石磨料或相当易切的低于中等强度的金刚石,今天的金刚石绳锯使用的是相当完善的耐磨损的材料,使高强度,规则形状的人造金刚石产品具有的优点得以充分地发挥.
DEBID研究了过去十年中金刚石绳锯的应用情况.研究集中在应用的细节上,特别是工具,工件和机床设计之间的相互作用.这个过程允许DEBID把它的注意力集中在研究手段上,以便生产出能充分满足未来市场需要的人造金刚石产品,包括产品和粒度,强度,热稳定性和特性.
现场试验使用在英国的DEBID的绳锯设备,按一定的程序进行.绳锯机的配置尽量接近通常生产的环境条件.
通过近十年来的试验数据的分析,大量的观测报告显示的趋势已经确认.一些观测到的趋势不是工具性能的,而是对绳锯工艺专用的.早期金刚石绳锯是电镀的,用来锯切大理石,紧接着用于花岗石的结合剂和烧结串珠被引入.今天的制造技术最新发展可以见到热等静压制法生产的串珠.它带来了粉末冶金金刚石工具的批量生产的新领域.同时也看到了烧结料的密度和一致性的明显改进.最后,还引入了单层或多层钎焊的金刚石工具,它提供了较现用的金刚石工具在金刚石磨粒暴露高度和粘结牢固度方面的优越性.这一结果使工具规范化,可以增加绳锯生产量并在一定程度上降低成本.
加工数据进行了处理,以便生成1的工具性能的表达式,其中包含二项,即当固定加工功率条件下的可达到的切割效率和工具的寿命.与工件的选择和加工参数不同,影响工具性能的因素为金刚石品牌的技术条件,其粒度分布,结合剂粉末冶金原料和制造方法.
这些变量,当几种不同的绳锯在同样的使用条件下进行评定时,发生了一个有趣的情况,应用的生产率是特别有趣的.在十年考查期间,这种应用取得的锯切效率均稳定地保持在170～250cm2/min的范围内.随着这一结论的产生,可以断定,在这一领域中的金刚石绳锯的使用具有显著的效益.金刚石绳锯已实现了这一增长,因为性能的改进带来成本的下降,包括改善工具的寿命,因而,直接减少了加工成本.在研究初期,直径为10mm的金刚石绳锯的使用寿命的工业标准指数为5m2/m(绳锯),到了研究后期,这一指数增加了2倍.〖CM(19*2〗加工成本上显著下降,因而促进了应用的增长.
正如所看到的,尽管目前经济上出现一些混乱,但石材加工仍稳定地连续增长.在几乎所有有合适的天然资源的国家,在石材的开采和加工方面毫无疑问地都在增长.但是最终的石材产品的大部分生产来自于三个主要国家,横跨两大洲.在这两大洲之间存在大量的经济和技术上的不同.因而对机床,工具,以致于金刚石产品的技术要求有巨大的不同. 由于欧洲国家在努力保持其成本的竞争能力,所以在技术开发方面进行了大量的尝试,它正在不断地改进工件的实用性.通过金刚石绳锯应用的增长,高精度的机床的使用,能 够进行大切深和精密的锯切,以及多根绳锯的开发利用,都可以看到这些进展.产量的增长主要来源于三个地区,在那里可以实现成本降低。