當前石材礦山年產量超過100萬t的國家有l4個,據2006年統計,年產量超過1000萬t的國家有4個,其中中國以年產量2100萬t仍居首位,其他依次為印度、意大利和伊朗。自2002年以來,這4個國家的年增長率穩步上升,但幅度不大。值得矚目的是土耳其,2002年其石材荒料產量為315萬 t,到了2006年已猛增至940萬t,增加了2倍,在國際石材產量排名順序中,由2002年排在西班牙與巴西之后第7位,至2006年已超過西班牙與巴西而躍居第5位。更值得注意的是,2004至2006年世界主要國家和地區出口大理石荒料及加工產品產量統計,土耳其已連續3年位居第一,無論是產量還是年增長率均遙遙領先于原先的大理石出口大國意大利。究其原因,主要是近些年來土耳其加強了石材工業的科研工作,有關大學開展了大理石鋸切工具與工藝的研究。綜觀國際石材市場的競爭已由價格競爭和產品質量競爭,轉向縮短交貨期的競爭。隨著工業技術的發展,國際石材行業中石材鋸切機械、工具和工藝均有長足進步。
1石材鋸切機械
眾所周知,從石材礦山開采荒料并加工成板材以及各種石材產品的生產都離不開石材鋸切機械。面對國際石材市場的激烈競爭,石材機械制造廠商不得不考慮如何優化其產品以期在市場中占有一席之地。當前石材鋸切機械的發展趨勢有以下幾個方面。
1.1在石材礦山開采中進一步普及使用金剛石串珠繩鋸
金剛石串珠繩鋸在大理石礦山開采中取得卓有成效的應用之后,目前在花崗石和其他堅硬石材礦山的開采中也已取得越來越多的應用。除了開采荒料之外,還用于荒料切方,以減小荒料運輸的體積與重量,同時也為其他機械加工提供定尺荒料。
1.2固定式金剛石串珠繩鋸向多道金剛石串珠繩與計算機數控發展
目前大多數較大的石材加工企業越來越多地采用了計算機數控的金剛石串珠繩鋸將石材荒料鋸切成板材或特殊規格的石材產品。但是要鋸切不同厚度的板材就必須配備可便捷調整金剛石串珠繩間距機構的鋸機,這需要較大投資。最經濟合理的辦法就是根據石材產品的種類同時配備金剛石串珠繩鋸、框架鋸和圓鋸片鋸,三者配合使用,相互取長補短。
1.3橋式鋸切機向多用途發展
無論生產什么樣的石材產品,橋式鋸切機是不可或缺的重要設備。新型的橋式鋸切機不但具有多功能性,而且借助電腦控制向全自動化發展,可用辦公室個人電腦編程序,也可連接外部計算機輔助設計程序,在工作中一次設定即可完成全部相繼的加工工序。
在傳統的橋式鋸切機上,圓鋸片的傳動軸固定在一個方向上,工件則置于可旋轉的工作臺上。而今越來越多的制造廠家不再采用旋轉臺方案,而是采用了可改變鋸切方位的鋸片傳動機構。其優點是不用轉動重量大的工作臺,又能提高鋸切精度。
許多制造廠家還研制出可使用多種加工工具的橋式鋸切機,可兼用鉆孔工具和成形加工工具等,實現一機多用。
1.4石材加工中心
所謂加工中心是指可連續完成好幾個工序加工的多工序自動數控機床。
目前國際石材市場中碑石和建筑用裝飾石材產品激烈的價格競爭和交貨時間的不斷縮短,進一步促進了意大利裝飾石材鋸切、研磨和拋光機械以及加工中心的出口。主要是兩種類型的機械,即三座標軸系和五座標軸系的鋸切機,后者除了X、Y、Z座標軸之外,還有旋轉軸C,工具可圍繞垂直軸轉動,而A軸可使工具傾斜任一角度,便于加工墓碑石的斜面。
伴隨著石材機械控制系統的發展,在機械結構上也更趨于完善。例如可調節高度的吸塵機構,可將鋸屑向下方排除而不致影響后續工序的進行。此外,加工表面時工具主軸或工作臺可自動傾斜將冷卻液與鋸屑排人集液盤中。
計算機數控加工中心大多是多功能的,對操作人員的技能要求越來越高。為此,一些石材機械生產廠家也在研制便于用個人計算機控制的操作系統,盡可能減少輔助作業時間。總之,發展趨勢是整個生產線實現自動化。
目前石材制作的廚房操作面板等產品有很大的市場需求。此類操作面板的加工往往需要鋸切出安裝水池與爐灶等的定形孔,其加工過程包括一些標準工序與特殊工序。為此,已有石材機械生產廠家將自動控制的橋式鋸切機與加工中心聯合起來組成廚房操作面板等產品的自動化生產線。
1.5加工立體工件的專用機械
將橋式鋸切機與多工序自動數控機床兩者的優越性相結合使工作臺從各個方向進人加工位置,并使用大直徑圓鋸片,其傳動支架可旋轉至不同方向,并配備了工具倉,可自動更換不同加工工具,在X、Y、Z座標軸上裝配適當規格的導軌即可加工各種立體形狀的工件。
2 石材加工工具
在石材加工中,鋸切機和研磨、拋光等加工機械的推陳出新,需要配備各種不同類型的金剛石工具。當前發展的趨勢是要求金剛石工具工作壽命長、工作速度快、振動小、噪音低。在石材行業中最常用而且用量最大的是金剛石鋸片和金剛石串珠繩。近些年來這兩種工具的性能都在不斷改進。
2.1金剛石圓鋸片
金剛石圓鋸片啟用時需使金剛石出刃才能盡快進入正常與高效的工作狀態。為了縮短這一過程,新型的金剛石圓鋸片多在金剛石刀頭的結構設計上做改進。
將金剛石刀頭制成橫截面呈階梯形或平錐形可減少刀頭兩側的磨損量、降低動力消耗并有利于降低振動與噪音。平錐形截面刀頭的頂部寬度一般比底部寬度小2mm左右。此類型鋸片一開始進入鋸切狀態即具有高速鋸切性能。
流線型刀頭是在金剛石刀頭旋轉方向的前端制成弧線形,鋸切時可減少阻力并降低周期性沖擊負荷。在刀頭兩側制出若干道流線形溝槽可減少刀頭的摩擦阻力,提高冷卻效果,也更利于鋸屑的排出,從而改善鋸切性能。
此外,在金剛石刀頭的燒結材料中采用新型的粘結劑可改變刀頭胎體性能,使金剛石刀頭具有廣譜鋸切性能,適用于鋸切各種軟硬不同的石材。
2.2金剛石串珠繩
實踐證明,金剛石串珠的幾何形狀可影響金剛石串珠繩的鋸切性能。目前有一種新型的雙凸環形金剛石串珠,是采用金剛石注模技術在金剛石串珠圓柱體上制出兩道凸環。這種新型金剛石串珠繩與傳統的金剛石串珠繩相比,可提高鋸切速度,降低鋸切成本,但使用壽命略有降低。重要的是采用金剛石注模技術可以制造出其他形狀更為復雜的金剛石串珠,為全面提高金剛石串珠繩的鋸切性能提供了可能性。改變金剛石串珠形狀是當前提高金剛石串珠繩鋸切性能的關鍵技術之一。
影響金剛石串珠繩使用壽命的因素除了金剛石的品質、金剛石串珠胎體成份、配比與燒結工藝之外,鋸屑與冷卻液的磨蝕也是重要因素。為防止鋸屑與冷卻液對串珠繩的磨蝕,目前采取的技術措施是塑化處理,即在串珠繩外表面包敷一薄層橡膠之類的柔性材料,在一定間隔粘結固定好金剛石串珠后,在金剛石串珠之間模注一種彈性耐磨材料,如橡膠或樹脂類材料,形成串珠之間的間隔套以取代鋼質螺旋彈簧間隔套。這種塑化處理還將金剛石串珠與鋼繩之間以及金剛石串珠與金屬間隔套之間的剛性接觸改為柔性接觸,增強了金剛石串珠繩的整體柔性,降低了金剛石串珠繩的彎曲應力,從而提高了使用壽命。同時還改善了金剛石串珠上金剛石的受力情況,減少金剛石的碎裂與脫落,提高了鋸切效率。
3 石材鋸切工藝
單顆金剛石破碎巖石的實驗研究表明,金剛石的工作速度可高達40m/s以上。由此可見,目前石材工業中使用的各種金剛石工具都遠未充分發揮其潛在效能。在國際石材加工與進出口貿易中一向以大理石和花崗石為大宗產品,因此對大理石和花崗石的鋸切工藝研究一直備受重視。況且石材鋸切工藝還涉及生產成本的降低和石材資源的有效利用問題。
3 .1大理石鋸切工藝的研究
金剛石串珠繩應用在大理石的鋸切已有20余年,為了研究它的最佳工作條件及有效鋸切參數,土耳其Hacattepe大學新近設計出一臺實驗型金剛石串珠繩鋸,采用傳感器自動檢測鋸切過程中的參數,并借助計算機自動程序對所測數據進行存儲與分析。
研究金剛石串珠繩鋸最佳工作狀態首先應分析影響鋸刀效率的諸因素,有些因素是不可控的,有些是可控的。前者包括被鋸切石材的性質,如硬度、強度、均質性,所含礦物成份及結構特點等。后者包括鋸機動力、鋸切方式(水平或垂直)、鋸切速度、鋸入角與鋸出角、金剛石串珠繩的結構和技術性能、操作人員的技能等。對這些因素進行多元統計分析,改變可控因素以應對不可控因素可以獲得金剛石串珠繩的最佳工作狀態,從而提高鋸切效率,降低鋸切成本。采用上述配有傳感器和計算機自動程序的實驗型金剛石串珠繩鋸對不同類型的大理石進行鋸切實驗可測定其最佳鋸切條件,建立大理石的可鋸性分級系統,此外還可鑒定不同類型金剛石串珠結構對鋸切性能的影響。
3.2花崗石鋸切工藝研究
由于國際石材市場競爭激烈,特別是花崗石板材大量用于高層建筑物的外墻飾面,其技術要求要當嚴格,遠非鉆眼放炮方法開采出來的花崗石荒料所能滿足。為此,使用金剛石串珠繩開采花崗石荒料與鋸切花崗石板材的工藝研究勢必受到各石材工業國的重視。其研究內容包括提高荒料開采的成材率和荒料質量、降低鋸切成本、推廣精確而無破損性的鋸切工藝、盡量減少石材資源的損失和對生態環境的破壞。
在金剛石串珠繩鋸切花崗石的實踐中,影響其鋸切性能的直接因素是鋸切參數,主要是金剛石串珠繩的線速度、鋸切速率和鋸人角。還有一個不可忽略的因素就是金剛石串珠繩的彎曲,由于邊緣效應往往加重了金剛石串珠繩的磨損。
研究表明,鋸入角(金剛石串珠繩與水平面之間的夾角)越大,鋸切速度(mZ/m)也越大,而鋸切速率增加則金剛石串珠繩的壽命降低,表現為金剛石串珠繩每米長度所鋸切的面積(mZ/m)減少。但是,在相同鋸切速率條件下,金剛石串珠繩的線速度取25m/s時,其壽命比之線速度低于此值(20m /s)和高于此值(30m/s)時都長一些。
隨著鋸切速率的提高,動力消耗必然增加,只是當線速度取25m/s時,其增加的幅度比之線速度為20m/s或30m/s時均小一些。
綜合上述鋸切參數間的相關性可以看出,金剛石串珠繩的壽命隨著其線速度、鋸切速率、動力消耗以及鋸入角的增大而降低。應指出的是,當鋸刀速率一定的情況下,金剛石串珠繩線速度加大有利于其壽命的提高。但達到最佳值后,線速度進一步加大則壽命降低。鋸人角增大雖有利于鋸切速率的提高,但也會導致金剛石串珠繩的磨損加大。可見過分追求鋸切速率的提高必然降低金剛石串珠繩的使用壽命,亦即造成金剛石串珠繩的過大消耗,即成本增加。不過增大鋸切速率也會降低動力、人工等成本。因此,應通過成本分析求得總成本最低進的鋸切速率最佳值。
3.3板巖鋸切工藝研究
板巖是一種變質巖,顆粒極細,劈理板發育,司剝離成堅硬的薄板,表面光滑,在英國等歐洲國家廣泛用作屋頂鋪設材料,即作為屋瓦用。長期以來這種板巖屋頂材料一直靠人工劈分法來生產,成品率極低,市場上供不應求。在英國北威爾士有一板巖礦,年采掘量為250萬t,用傳統人工劈分法只能生產出2萬 t的屋面板料,資源浪費之大可見一斑。為此該礦改用現代鋸切工藝,即采用多片式金剛石圓鋸片機進行鋸切。原先那些劈理不夠分明的板巖荒料無法用手工劈分法加工,如今可用鋸切法加工,生產過程中的余料還可鋸切成建筑構件和內部裝飾用石材產品,廢料率降低20%,從而使該板巖礦的開采壽命由40年處長至200 年,而且縮短了成品的交貨時間,提高了成品質量,成品尺寸可增大到50em×30em.
從礦山開采出來的板巖荒料先用橋式鋸切機鋸成所要求長度和寬度的54em×34cm×45cm的塊料。再用多片式圓鋸片機沿劈理方向鋸成厚度為53mm的板料,此時產生的廢料率約為35%。最后用水平式圓鋸片機將53mm厚的板料就其厚度分兩次對半鋸切成厚度為8mm的板料并鋸切成 50cm×30cm見方,四邊倒角,用火焰法處理表面使之具有手劈板巖屋面瓦片的天然外觀。
板巖的強度不是很高,采用金剛石圓鋸片以水平鋸切方式鋸出厚度僅為8mm的板材應該說是一種比較先進的鋸切工藝。再者,在二次鋸切中產生的35%的廢料經壓碎加工后用作混凝料或填充料,提高了石材資源的綜合利用,值得借鑒。