金刚石磨具在石材加工技术的应用前景

 

         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。

　　为这些国家在全球产量中所占的份额，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)：

　　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，在第一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。在第一阶段，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=aeVft/Vcλ

　　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。