有序排列金刚石工具产业化技术的新进

厦门市凯源金刚石工具有限公司  厦门 361012  

                                     侯家祥 程文耿

［ 摘要 ］有序排列金刚石工具拥有高效、节能与降耗等优点，但要实现产业化规模的生产，却有不小的难度。凯源公司通过二年多的努力，终于研制出了既能高效布设金刚石，又能方便与自动冷压工序有机衔接的一套优良装备系统，并通过反复的探索，充分掌握了相关参数对产品性能影响的基本規律。此外，并进行了生产能力的配套建设，建成了专业生产线，从而为大批量生产高性能的金刚石工具以及顺利出口国外市场取得了重大进展。

1．有序排列金刚石产业化技术概述

金刚石有序排列工具的结构原理，始現于上世纪九十年代中期 ^[1--2]。尽管至今应用于产业化生产上的进展缓慢，但是相关单位依据这一原理，先后采取不同的方法布设金刚石而制造出来的相应工具，已展现出这一技术具有高切磨效率、节能以及降耗等方面的优势及其发展潜力。因而，近几年来己受到越来越多业内人士的关注。

正确与全面实施金刚石有序排列的技术，可为产品带来主要的好处，一是，在工具的“三维”空间内，原先处于无序分布状态的金刚石，能按预设的间距实现“点阵”式的分布。由此便使得工具在切割的每一瞬间，均有相同数量并起到同等有效作用的金刚石参与切磨，从而可收到切磨受力均匀、减少摩擦阻力、降低切割能耗以及提高锋利度的显著效果。二是，金刚石有序排列令胎体的磨损及其产物（岩粉），在“时空”上都更为均匀。由此扩大了“容屑空间”，改善了排屑能力，为进一步提高其锋利度创造了更好的条件。此外，在于此工艺在某种程度上较易获得高锋利性的“固有特性”，因而使得产品具有更广泛使用性能的适应性，也更方便于解决原有无序排列工艺，在调整锋利性与耐用度时较难协调的矛盾。

从实施排列的相关方法（如模板法等）可知，实现金刚石的有序排列，看来并不困难。但是，众多实践表明，要实现产业化规模的生产，劫有颇大的难度。如下的案例或在某种程度上得以佐证。即，韩国新韩公司声称，为了实现产业化规模生产，曾耗用十名科技人员及3年多时间并投入二百万美金，于2004年12月研发出了ARIX金刚石自动排列系统，达到月产65000个金刚石刀头的规模，为此而付出了巨大的努力。我们的实践，也体会到其过程的确存着如下的主要的技术难点。

一是，首先在于要研发出一组有效实施有序排列金刚石与胎体冷压成形之优良工艺与装备。它既要将众多细小的金刚石获得高速率的均布，又要方便与冷压工序实现有机地相互衔接，并要金刚石的“点阵分布”之间距，在冷压坯内能达到其足够高的准确度。此外该系统还必须牢固可靠、运行稳定、操作方便以及不能影响产品的性能与污染环境等等。由此可见，对此工艺装备的设计与制造，都必需具备相当高的技术水平。

其次是产品性能的设计。为了确保产品获得高锋利度的同时具有足够的耐用度，除了受制于上述金刚石“点阵分布”的尺寸误差度外，还得掌握“点阵分布”的相关参数（如金刚石的粒径、数量、层数以及“三维”点阵空间的排布方式…），必须与选定的胎体合金特性以及相应使用工况（含切机状态、切割参数及被切割对象等等）达到恰到好处匹配的相应规律。对此，至今并无成熟的经验可循，只能借助磨削加工与摩擦磨损的原理以及粉末热压烧结材料等方面的理论指导，通过试验的摸索，才能顺利地制造出高端性能的有序排列金刚石工具。

如上所述，便不难理解，既使拥有多么高效的布设有序排列金刚石之装置系统，而缺少实現产业化生产相应的有效硬软件成套技术，其制造出来的工具，也难以进入竞争急列的囯际市场。

2.产品的研发、性能检测与批量投产

2.1概况：为了滿足日益增长的国际市场对高性能金刚石工具的需求，凯源公司利用最早拥有“粉合料不制粒分层自动冷压成形技术”用于大批量生产锯片刀头等多方面的优势，于2007年初开始研究有序排列工艺制造金刚石工具。经过调研并全面剖析了国内外已有金刚石有排列技术方案的优缺点，在此基础上，公司决定采用独立自主的技术设计路线，进行开发。通过半年多的努力，一种具有高效优质布设“有序排列”金刚石的独特装置得以研制成功。接着便投入中径锯片的小批试制考核。此后又历经一年多的不懈努力，通过中批量生产实践的全面考验与不断完善，终于攻克了制约高效优质大批量生产成套技术的一系列难题，从而使得大批量生产用于切割花岗岩的中径锯片，受到用户的普遍欢迎。此后便又进一步扩大其应用范国，发展到用于切断大理石、水泥与钢筋混凝土以及高速手持锯片等品种上。另外还在批量生产薄壁钻的系列品种上获得重大的进展。

2008年底开始，为了更好地满足不断增长的国际市场需求，公司先后投入资金400多万元，进行了生产线的配套建设（如引进了国外激光焊机等先进装备等）。到2009年底，已顺利建成了可月产有序排列Φ400锯片一万片能力的专业生产线，为进一步开拓囯际高性能工具市场打下了坚实的基础。

2.2.研制产品的性能检测与实用考核

2.2.1锋利度性能的试验考核。2007年秋，采用新工艺研制出的金刚石中径锯片，经初步性能考核，其结果便显示出这一技术在提高锋利度方面确有其独特的效果。为了进一步挖掘其提高锋利度方面的潜力，2008年初又采用走刀速度更快的改进型切边机，开展进一步的试验与考核，同时并找到国外同一工艺制作的先进水平产品，进行专门的比较测试。其结果，如下表“国内外金刚石锯片切割试验（部份）数据汇总表”所示 ^[3]。

表一 ：“国内外金刚石锯片切割试验（部份）数据汇总表”

锋利度测试条件说明：

（1）系在改进型生产用切边机上进行，锯片转速：2100 n / min ，额定功率:7.5KW 

空载功率：受开机时电压等影响，有所不同。为合理评价所增加的负载功率，均转化为 7.0 KW进行比较；

（2）被切材料: 具有高硬特性的印度红，  厚度(切深):20MM ；

（3）尺寸规格：均为Φ350有序排列金刚石消音片。代号为H x 及H e的国外样品，均由国外某大型贸易商直接提供的当年优质品，测试时间为2008.11.28 “材质代号”的数字，除了表明测试的时间外，对于本公司产品，也表示该试样系为从同期制造的产品中随机抽取的。

上述测试数据表明，本公司制造的锯片，其切割的进给 速度不仅较“无序排列”工艺的锯片（一般在3.0—3.5米/分）有较大的提高，而且也已超过国外同期“有序排列”产品的水平，达到并超过5.3米/分以上。

此后于2009年下半年，又在15Kw红外桥式切边机协作进行进一步的综合性实用性测试与考核。当同样切厚度20mm，高硬度特性相似于印度红的福建655石材时，曾大胆探索了更高速的切割试验，在进给 速度7.0米/分下，仍未出现火花或刹车現象。这与已批量使用过本公司锯片的国外用户称赞具有优良的锋利度是一致的。此外，于今年初本公司新增添了Ts—500Ⅱ型“金刚石锯片(高速)切割试验机”，当进行新机考核试验时，发现最新研制的锯片的切割进给速度又突破了上述高速的记录。

2.2.2耐用度的试验与考核：为了确保工具在不同使用工况下，达到高锋利度与高耐用性的高要求，系在综合考虑到金刚有序排列参数的合理设计与金刚石及胎体合金特性等多方面影响因素，采取不同排列组合的方案，进行试验与探索，从中已归纳出其最佳搭配的基本規律性，从而为产品性能设计获得了主动权。

耐用性的考核工作，除了在普通切割上实用考核外，另在上述国产15Kw红外桥式切边机上进行专门的测试，并取得了滿意的结果。如切割高硬度厚40mm的655石材时，材质代号为09.5.30的 Φ400锯片，其切割截面积可达30m²以上，而切割30mm厚时则为35m²。这一耐用度也已大大超过无序排列工艺的锯片（即该用户的要求为≥15 m²）。

此外通过众多国外用户不同品种的实际使用调查，对本公司的产品耐用度方面，与锋利度一样也都得到十分满意的信息反馈。有的贸易商甚至建议在保持已有锋利度同时，尚可适当降低其耐用度。

至于金刚石有序排列工艺应用于薄壁钻上，本公司率先试验，在无润滑干钻的条件下考核其锋利度。结果表现得十分突出。如，尺寸规格为Φ35，材质代号09.5.28的薄壁钻，采用13AMakita手持钻，在转速为6500n/mim下，对厚30mm 中高硬的654/612花岗岩进行钻孔测试，钻穿每孔时间仅用40秒左右，其锋利度之高，深受国外客商的称赞，而且其耐用度竞达到了200孔以上。（凯源公司有序排列金刚石三大系列产品，首次亮相于2010年.3月厦门石材展上，其中薄壁钻无润滑钻孔演示最受客商的欢迎）。此外，近来本公司还掌握了寿命的调整的技术，可根据不同寿命的需要，控制钻孔数量在60至200个孔以上。

已有较大的出口量的高速手持锯的锋利度与耐用性的考核结果，曾被澳洲一大贸易商称之为“世界上最锋利”的锯片而且其耐用度也非常好，因此至今已下了多次的订单，所给其价位也令我们滿意。                图1凯源公司薄壁干钻演示最受欢迎

2.3产业化成套技术的特点及其市场效果

凯源公司为了全面达到各个环节配套技术的完整性，系采用了具有如下独特的工艺与装备作为对策，从而全面攻克了制约产业化生产的一系列的难点，为批量进入国际市场提供了可靠的保证。一是布设有序排列金刚石的装置系采用独特的原理，不仅达到每分钟可制12个刀头之高效率，而且可确保成品中的金刚石“点阵分布”，在“三维”空间内，具有极高的到位准确率。此外在同一产品上可同时实现布设不同粒径的金刚石并使金刚石能整齐地排列出“表覌线条”与刀头工作面呈“斜线”之特色分布。所用的配套冷压机，系在本公司最早自行开发的基础上又作了相应改进，不仅结构简捷牢固，更具有方便布设金刚石操作而达到高效率的特点 ^[4]；                 

二是，采用预合金粉为主的低钴甚至无钴合金胎体粉料，采用上述冷压机时，因具有优良的冷压成形性与流动性，可不需要预先制粒处理；

三是，全面掌握了可灵活调整产品综合性能的配料及相应    图2. 特色的“斜线”排布方式

加工艺技术，既环保不污染环境，又具有易于操作与运行高稳定性等方面的特点。

为了更好的保护上述产业化生产技术的成果，本公司已于2007年8月申请了我国发明专利 ^[5]，此后进而又在美国、欧盟及加拿大等国也申请了相应的专利。

功夫不负有心人，通过二年多来的大投入，终于获得了良好的回报。特别是通过多次参加国际专业展会并广泛开展促销活动，已使得此类产品较快地为欧美澳等国客商所认可。而近半多年来，更出现了倍受用户（含国外同业贸易及制造公司）欢迎的良好势头。据不完全统计，截至2009年底，包括转手贸易在内，已获得20多个国外客商的订单，累计出口金额达道60多万美元。这些可喜的进展，充分表明了在世界经济不景气的形势下，唯有依靠高科技创新以实现产品升级换代，方能确保公司的经营立于不败之地并以此获得良好的经济效益。

3.回顾与展望

回顾十多年来，为了全面滿足上述产业化生产的苛刻技术要求，除了韩国新韩公司及二和公司外，我国另有武汉、成都、郑州等地的单位，也已先后研制出各具特色的实施有序排列金刚石的装备及其工艺，并且大多申请了相应的技术专利。为了更好更快地批量进入高端性能金刚石工具的市场，也都在为进一歩提高产品的“性价比”，继续进行着不懈的努力。由此不难预计，为了实現产品的更新换代，全面提高金刚石工具的性能，以获得良好的经济效益，在不久的将来，普遍采用有序排列工艺技术实现金刚石工具的产业化生产，或将出现其崭新的局面。

参考文献：

1.陈宝杰、卜长根  有序排列和烧焊一体化制造金刚石工具技术研究［J ］金刚石与磨料磨具工程 2004（4）53

2.Richard Gahin etc. Desigreg  abramond  Surfaces ［J］Wear 266-235（1999）378--694

3..厦门市凯源金刚石工具有限公司 有序排列金刚石工具性能检测报告 2009.10

4. 程文耿 ，舒惠星  金刚石圆锯片冷压成形新工艺装备的探讨 ［J ］石材2009（7）

5.专利号200710009468.7        

                                     注：本文由 程文耿  执笔汇编