关于石材制品加工工具的现状与展望 摘要: 石材的优异特点使其在建筑业中得到大规模的应用。随着新技术新工艺在石材工业中的应用，其加工工具也有了长远的发展。特别是金刚石工具的运用，使石材加工有了巨大的飞跃。本文简要的论述了加工石材制品的影响因素、金刚石锯片的制造和金刚石锯片切割的相关研究，{zh1}介绍了几种新型的金刚石锯片。 关键词: 石材、金刚石、锯片 xx石材具有质地坚硬、色彩缤纷、古朴典雅、抗震耐压、耐酸、抗风化和磨光性好等特点。由于其众多的优点，石材的应用范围越来越广，用量越来越大，在人类生活中起着重要的作用。随着世界上建筑业及装饰业的发展，石材已成为世界性建筑材料。 石材是自然的建筑材料，整个地球表层是由岩石所组成，而岩石是由许多矿物族群以各种方式结合而形成，—块岩石中含有不同硬度的矿物。这就对对石材加工产生一定的困难，从而使得石材的加工工具也不同于普通的加工具。 随着六十年代中期以来，金刚石加工技术的兴起，金刚石技术的应用给世界石材工业带来了一场“革命”。 金刚石俗称钻石是目前自然界中最坚硬的一种物质。在以相对刻划为基础的摩氏硬度级别中，被列为最硬的一级。将其与结合剂通过烧结、电镀等方法结合起来做成的超硬材料工具，广泛应用于地质勘探、石材、机械、汽车及国防工业等各个领域。各种金刚石工具及其它高新技术相结合，使石材开采和加工变得更加容易、成本更低。从而使石材生产从粗放形走上了自动化、机械化、连续化的大批量、大规模和文明、安全生产的道路上。 石材的加工主要是锯、切、磨、抛。石材的可加工性是指锯、切、磨、抛加工的难易程度。锯、切相同，磨、抛虽有差别，但很相近。因此一般石材的可加工性通常指可锯性和可磨性［1］。影响石材加工性的主要因素有： （1）硬度 一般情况下，石材硬度越大，则加工越困难，对工具的磨损也越大。 （2）矿物成分和化学成分 石材的物质组分物质组分包括矿物组成和化学成分，不同的矿物成分和化学成分，加工性也不同。如大理石造岩矿物主要为方解石、白云石，其摩氏硬度分别是3和3.5－4，较花岗石硬度低，易于加工。花岗石的主要造岩矿物是石英、正长石、斜长石，它们的摩氏硬度为6.5－7。其可加工性在很大程度上取决于石英和长石的含量，含量越高，越难加工。在化学成分上，如SiO2含量愈高，加工愈困难。 （3）岩石的结构构造 一般来说，颗粒均匀比不均匀的石材易加工，细粒比片状磨光质量高，致密石材比疏松石材光泽度高。矿物结晶程度好，且定向排列、光轴方向一致将大大提高抛光后的光泽度。岩石的解理、晶界和初始裂纹对加工性也是很重要的影响因素。 此外，所选的加工工具以及工艺参数都是一个必须考虑的影响因素。 建筑装修用的饰面石材主要有大理石和花岗石两大类。将饰面石材荒料加工成建筑装饰板材 ,其主要工序为锯切、研磨抛光、切割成品板材、修边倒角开槽。其中锯切工序最为关键 ,它决定着产品的产量与质量[ 2]。而在锯切加工中有以金刚石锯片用的最多。据国内外统计资料估计，目前世界上工业金刚石50％左右用于制造石材加工工具，其中主要是石材加工锯片。下边就金刚石锯片的相关问题展开讨论。 判断金刚石锯片使用效果的好坏，主要依据三项指标，即锯切效率、使用寿命、加工质量。上述三项使用效果指标，首先取决于锯片本身的性能，例如锋利性和耐用度。另一方面，还取决于是否合理选择和正确使用。造成锯片使用效果不佳的原因，绝不仅是锯片本身的质量问题，很多情况下是由于使用不当造成的。就目前国内情况来看，双方责任大致各占一半。 金刚石锯片性能和使用效果影响因素概括起来，包括制造因素（原材料、制造工艺与装备）和使用因素（合理选择和正确使用）两个方面［3］。 4 金刚石锯片的制造 金刚石锯片的本质是基体通过适当胎体材料将金刚石嵌镶固定。它是在钢的基体上焊接一种由金刚石颗粒与胎体材料组成的复合烧结体，常称之为刀头。目前 ,国内采用的连接方法主要是钎焊和冷压烧结。冷压烧结主要用于小片，钎焊锯片的基体、刀头结合面靠钎料熔化渗透而连接，抗弯强度低，其弯曲强度仅为350～600N/mm2，承载能力差，特别是干切时，锯片由于受热到高温时钎料软化，常导致刀头脱落，而引起伤害操作人员的危险，所以，国外从 80年代后期就发展激光焊代替钎焊。激光焊与钎焊比较，有许多显著优点，由于激光受热面积小，热影响区小，故大大减少了应力和基体的变形；对金刚石没有影响，保证了产品的{zj0}性能，特别是激光焊属于熔化焊，结合强度高，其弯曲强度达1800N/mm2，可应用于干切场合[4]。 5 对金刚石锯片切割的相关研究 石材加工工业的蓬勃发展，对金刚石切割工具的性能提出了更高的要求。不仅要求其切割速度更快，寿命长；而且要求工具切割石材的种类范围更广，切割质量更好。为此 ,国内外有关学者进行了大量的有针对性的工作。 5.1提高金刚石工具的性能 金刚石制品主要是由粉末冶金的方法制成，其胎体成分多为硬质合金，稀土元素对硬质合金性能的改善可望对金刚石工具的性能同样发挥作用：（1）稀土元素的加入能提高胎体金属对金刚石的浸润性，增强粘结能力；（2）稀土元素的加入能提高胎体材料的抗弯强度、耐磨性、抗冲击韧性等，提高金刚石工具的质量；（3）稀土元素能降低粘结金属的熔点，降低金刚石制品的烧结温度，从而减少热压法高温造成的金刚石质量下降。 金刚石制品主要是由粉末冶金的方法制成，其胎体成分多为硬质合金，稀土元素对硬质合金性能的改善可望对金刚石工具的性能同样发挥作用：（1）稀土元素的加入能提高胎体金属对金刚石的浸润性，增强粘结能力；（2）稀土元素的加入能提高胎体材料的抗弯强度、耐磨性、抗冲击韧性等，提高金刚石工具的质量；（3）稀土元素能降低粘结金属的熔点，降低金刚石制品的烧结温度，从而减少热压法高温造成的金刚石质量下降。 5.1.5设计合理的结构 5.1.6金刚石表面金属化 纳米级材料使用纳米技术制成的纳米级尺度的物体。由于纳米材料的颗粒极其微小，比表面积剧增，表面活性很强，在粉末冶金、石化、航天、军工、能源、机械、电子和探矿等众多领域有广阔的应用前景。 金刚石锯片的磨损状况对其锯切能力和锯切过程的稳定性有着重要的影响，保持切削刃锋利是获得锯切过程稳定的决定性因素。石材锯切过程是磨粒切削加工过程，因此，在锯切过程中应不断有金刚石磨粒的机械微破碎及相应的胎体磨损，以产生新的锋利的刀刃，保证一定的锯切效率。 金刚石锯片的磨损状况对其锯切能力和锯切过程的稳定性有着重要的影响，保持切削刃锋利是获得锯切过程稳定的决定性因素。石材锯切过程是磨粒切削加工过程，因此，在锯切过程中应不断有金刚石磨粒的机械微破碎及相应的胎体磨损，以产生新的锋利的刀刃，保证一定的锯切效率。 金刚石磨粒的磨损过程中，不断进行的微破碎、局部破碎过程使得新的切削刃不断产生，锯片处于锋利切削状态，切削效率高。切削功率消耗降低，但不断的微破碎、局部破碎将导致金刚石磨粒大面积破碎，锯片使用寿命降低；而金刚石的不断磨平和抛光会使切削刃钝化，切削力增大，切削效率降低，但锯片的使用寿命有所提高［8］。 5.3金刚石圆锯片的受力分析［10］ 一般情况下，圆盘锯片的厚度相对直径较小，因此对其受力分析时，可以按平面应力问题处理。锯片放在锯机主轴上并由法兰盘加紧，因此锯片中心孔的六个自由度都受到限制。锯片受力主要瞬时与石材切割相接触的金刚石锯齿上。参与切割的锯齿数与切割深度有关。图1为锯片切割示意图。由图1的几何关系可以得到参与切割的锯齿数Z与切割深度ap的关系式： Z＝ arcos(1– ) 式中：R—锯片半径； P—金刚石节块齿距。 从公式可以看到切割深度越大，参与切割的齿数越多。作用在锯齿上的力是切向力，因此把切向力分解成X方向和Y方向的两个分力并按集中力作用在锯齿节点上。当锯片电机功率确定以后，切向力大小由锯片线速度而定。 一般情况下，圆盘锯片的厚度相对直径较小，因此对其受力分析时，可以按平面应力问题处理。锯片放在锯机主轴上并由法兰盘加紧，因此锯片中心孔的六个自由度都受到限制。锯片受力主要瞬时与石材切割相接触的金刚石锯齿上。参与切割的锯齿数与切割深度有关。图1为锯片切割示意图。由图1的几何关系可以得到参与切割的锯齿数Z与切割深度ap的关系式： Z＝ arcos(1– ) 式中：R—锯片半径； P—金刚石节块齿距。 从公式可以看到切割深度越大，参与切割的齿数越多。作用在锯齿上的力是切向力，因此把切向力分解成X方向和Y方向的两个分力并按集中力作用在锯齿节点上。当锯片电机功率确定以后，切向力大小由锯片线速度而定。 一般情况下，圆盘锯片的厚度相对直径较小，因此对其受力分析时，可以按平面应力问题处理。锯片放在锯机主轴上并由法兰盘加紧，因此锯片中心孔的六个自由度都受到限制。锯片受力主要瞬时与石材切割相接触的金刚石锯齿上。参与切割的锯齿数与切割深度有关。图1为锯片切割示意图。由图1的几何关系可以得到参与切割的锯齿数Z与切割深度ap的关系式： Z＝ arcos(1– ) 式中：R—锯片半径； P—金刚石节块齿距。 从公式可以看到切割深度越大，参与切割的齿数越多。作用在锯齿上的力是切向力，因此把切向力分解成X方向和Y方向的两个分力并按集中力作用在锯齿节点上。当锯片电机功率确定以后，切向力大小由锯片线速度而定。 锯片以高速旋转对石材进行切割，通常切割花岗石的线速度为25～40m／s，切割大理石为45～60m／s。具有一定振动频率的基体，在切割过程中振动频率增加，当附加的频率和固有频率一致时，产生共振，这就要求基体具有高的弹性极限和屈强比；其次，由于机体的不平度，或是锯片安装不良等，切割时产生侧压力使基体反复弯曲，导致基体刚度降低，或发生疲劳强度。所以，基体还应具有高的刚度和疲劳强度；再者，锯片在切割过程中，基体要承受循环的切割压力和冲击力，因此，基体还用具有高的抗拉强度和一定的冲击韧度。 钢的化学成分和热处理状态，决定制品的机械性能和使用寿命。对于要求具有锯片基体这样机械性能高的制品，通常采用含碳量较高的碳素钢或合金钢制造，并经淬火、中温回火，以保证得到符合性能要求的回火托氏体组织。钢中含碳量的高低对制品的机械性能影响很大。含碳量低时，使抗拉强度、弹性极限、疲劳强度等性能降低。反之，脆性增加。合金元素的种类和含量对制品的机械性能、工艺性能也有很大的影响。经研究和实践探索可知，适宜制造锯片基体的材料为硅锰钢。 热处理规范是决定锯片基体机械性能和使用寿命的关键因素之一。采用中频感应加热等温淬火工艺有效地解决了基体采用 65Mn钢的金刚石锯片的盐浴淬火存在的问题［13］。此外，去应力退火、稳定化处理也是基体制造过程中不可忽视的工序［11］。 随着技术的发展，金刚石锯片的家族越来越庞大，新式锯片不断得应用到生产中。 6.1噪声锯片 金刚石锯片在切割硬脆材料时，由于与被加工件的相互摩擦及冲击，基体产生剧烈振动，噪声强度达到100～110dＢ，大大超过各国噪声卫生标准要求的80～85ｄＢ。为降低噪声，国外市场上很早就开始销售低噪声锯片，而我国则处于刚刚起步的阶段。研制开发低噪声锯片，大致遵循两条途径:一是改变基体结构，在基体上用激光加工特定沟槽，在沟槽中填入阻尼材料；二是将基体分成3层组合而成，中间层采用阻尼材料。据报道，世界上大型金刚石工具制造厂之一，芬兰的LevabtoOy公司生产的低噪声锯片近期已开始供应世界上{zd0}的混凝土制件生产商AddtekGroupCo。LevabtoOy公司的低噪声锯片，采用德国的基体，在基体上有激光加工的环槽，环槽中填入阻尼材料。它的刀头设计成三明治形式。经检测，噪声强度可从100ｄＢ降至81～83ｄＢ［14］。 ［1］戴宝刚、陈亚明、贾延龄等. 花岗石可磨性的实验研究. 山东建材学院学报,1997年12月第11卷第4期:304-306 ［2］苑金生.国外饰面石材锯切技术装备发展动向. 中国建材装备,1997(2):34-36 ［3］王秦生、宋诚、左宏森.金刚石与锯片使用性能之间的关系.郑州工业高等专科学校学报,2001(12):5-8 ［4］朱海红、唐霞辉、朱国富. 激光焊接金刚石锯片焊缝强度的研究.激光技术, 1998、10月第22卷第5期:274-276 ［5］张衡. 金刚石覆膜及其对提高工具寿命机理的研究. 金刚石与磨料磨具工程,1999、3月第22卷第2期:41-42 ［6］傅玉灿、徐鸿钧、吴惠贞等.花岗石锯切状态的识别与评估控制策略.南京航空航天大学学报,1998、12月第30卷第6期:616-621 |
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