石材加工專用金剛石工具綠色評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)體系研究

林潤(rùn)澤，白碩瑋，王 清，周 琪，井國(guó)超

（青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071）

0 引言

近年來(lái)石材產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，天然石材廣泛應(yīng)用于建筑裝飾、精密儀器以及高端機(jī)床等領(lǐng)域。但作為環(huán)境友好性差、資源消耗性大的粗放型產(chǎn)業(yè)，在強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)今面臨著發(fā)展放緩甚至受阻的境況。作為石材加工的直接參與者，金剛石工具在石材加工過(guò)程中起著舉足輕重的作用，但目前金剛石工具存在著選擇評(píng)價(jià)的混亂性與滯后性的重大問(wèn)題，這致使對(duì)金剛石工具進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)成為石材加工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然一環(huán)。

1 金剛石工具評(píng)價(jià)研究

石材加工用金剛石工具的科學(xué)評(píng)價(jià)一直是石材加工領(lǐng)域的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，迄今為止，眾多學(xué)者從不同角度對(duì)金剛石工具的評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。

段隆臣等人系統(tǒng)整理了金剛石工具的設(shè)計(jì)與制造要點(diǎn)，籠統(tǒng)歸納了抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性等金剛石顆粒評(píng)價(jià)指標(biāo)，硬度、抗彎強(qiáng)度等金剛石工具胎體評(píng)價(jià)指標(biāo)以及鋒利度、耐磨性等金剛石工具整體評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。吳志英采用鋒利度對(duì)金剛石工具進(jìn)行評(píng)價(jià)，并明確提出具有最佳出刃高度的金剛石工具具有最優(yōu)鋒利度的觀點(diǎn)[2]。張紹和等人從金剛石工具鋒利度與鋸切功率消耗的關(guān)聯(lián)出發(fā)，通過(guò)試驗(yàn)研究了金剛石顆粒濃度、粒度與金剛石工具鋒利度之間的關(guān)系[3]。王鳳榮等以金剛石工具胎體硬度、抗彎強(qiáng)度、孔隙率、金剛石工具耐磨性、鋸切性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)金剛石工具胎體及整體進(jìn)行關(guān)聯(lián)研究，得出硬度與耐磨性指標(biāo)無(wú)必然聯(lián)系的結(jié)論[4]。陳秀玉通過(guò)構(gòu)建金剛石結(jié)塊離散元模型，對(duì)抗彎強(qiáng)度法、推剪法、劃擦法對(duì)金剛石工具胎體，對(duì)金剛石顆粒的把持力進(jìn)行研究，指出各方法的適用性[5]。謝北萍等使用金剛石顆粒把持強(qiáng)度對(duì)金剛石工具進(jìn)行評(píng)價(jià)，并研究了硬度、屈服強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度對(duì)金剛石工具胎體的影響[6]。宋月清等通過(guò)自制石材切割試驗(yàn)機(jī)，首次采用單節(jié)塊法對(duì)金剛石工具進(jìn)行試驗(yàn)，并通過(guò)切削比、出刃高度、切削效率、切割質(zhì)量和壽命指標(biāo)對(duì)金剛石工具進(jìn)行評(píng)價(jià)[7]。胡煥校等通過(guò)自制高溫硬度測(cè)定儀研究了胎體高溫軟化點(diǎn)與胎體性能的關(guān)系，并利用高溫耐磨性指標(biāo)對(duì)金剛石工具進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。李云妹等人通過(guò)對(duì)鋸片鋸切原理與金剛石磨損特性進(jìn)行分析，定性闡述了金剛石顆粒強(qiáng)度、濃度、粒度對(duì)鋸片鋒利度、壽命的影響[9]。王秦生等人根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究結(jié)果，將金剛石工具的鋸切效率、使用壽命和加工質(zhì)量作為金剛石工具評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，并從制造因素和使用因素兩方面對(duì)金剛石工具進(jìn)行系統(tǒng)性分析與評(píng)價(jià)[10]。Li Yuan等人利用損耗、能耗、切割效率、加工質(zhì)量指標(biāo)對(duì)金剛石工具進(jìn)行評(píng)價(jià)，并確定低損耗、低能耗、高切割效率和高加工質(zhì)量是石材綠色加工的基本要素[11]。Ylmaz研究了夾層鋸片鋸切花崗巖的加工過(guò)程與鋸切效果，并與常規(guī)鋸片在有功功率消耗、力比、比磨損率、噪聲四個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)[12]。張真等人利用效益指數(shù)法對(duì)普通鉆頭和同心徑向環(huán)齒金剛石鉆頭進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益對(duì)鉆頭選型的綜合影響[13]。

2 金剛石工具評(píng)價(jià)體系的建立

通過(guò)前一節(jié)眾多學(xué)者的研究不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于金剛石工具的評(píng)價(jià)研究，大多數(shù)學(xué)者只專注于一個(gè)方面，尤其是技術(shù)指標(biāo)方面，對(duì)于經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和綠色指標(biāo)方面的研究相對(duì)比較少。而作為環(huán)境友好型較差的石材加工行業(yè)，在全球綠色可持續(xù)發(fā)展的大背景、大趨勢(shì)下，單純的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)或者技術(shù)指標(biāo)難以對(duì)金剛石工具進(jìn)行全面有效的評(píng)價(jià)，因此，對(duì)石材加工企業(yè)而言，對(duì)金剛石工具進(jìn)行考慮綠色、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)三個(gè)屬性的綜合評(píng)價(jià)是及其有必要的。但由于金剛石工具評(píng)價(jià)指標(biāo)沒(méi)有相對(duì)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以當(dāng)前研究存在大量金剛石工具評(píng)價(jià)指標(biāo)重疊、冗余的情況，因而需要對(duì)諸多評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比篩選。基于易操作、有代表性、覆蓋面廣、針對(duì)性強(qiáng)的篩選原則，對(duì)篩選后的評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終建立如圖1所示的相對(duì)合理、全面的金剛石工具綠色決策評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

圖1 金剛石工具綠色決策評(píng)價(jià)體系

2.1 綠色屬性指標(biāo)

石材加工行業(yè)屬于環(huán)境友好型較差的行業(yè)，不符合現(xiàn)階段綠色可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展理念，因此，為促使石材加工企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，需要對(duì)金剛石工具進(jìn)行綠色屬性方面的評(píng)價(jià)。在石材加工過(guò)程中，出于冷卻、排屑的需求，通常伴隨有大量的水資源消耗與含泥渣污水產(chǎn)生，同時(shí)，出于鋸切工藝需要，往往向冷卻水中添加大量的化學(xué)制劑，因此，在水資源消耗和水體污染方面必須對(duì)金剛石工具進(jìn)行評(píng)價(jià)。同樣的，在石材加工過(guò)程中，伴隨有大量粉塵和懸浮污染物產(chǎn)生，故而，在空氣污染方面也必須對(duì)金剛石工具進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于石材加工所用設(shè)備屬于大功率、多消耗設(shè)備，使用過(guò)程中間接產(chǎn)生大量溫室氣體，消耗大量化石燃料，且石材加工行業(yè)屬于粗放型產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)過(guò)程中的原材料非必要損耗現(xiàn)象嚴(yán)重，所以對(duì)金剛石工具進(jìn)行評(píng)價(jià)必須考慮能量和礦產(chǎn)資源損耗。

基于上述現(xiàn)狀，引入全生命周期評(píng)價(jià)法（LCA）來(lái)進(jìn)行金剛石工具綠色屬性的評(píng)價(jià)。根據(jù)EU Directive on Industrial Emissions[14]規(guī)定的直排污染物和European Recommendation[15]列出的環(huán)境足跡評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合石材加工過(guò)程中的環(huán)境問(wèn)題，選用European Commission’s product environmental footprint guide[16]中的七個(gè)針對(duì)性指標(biāo)作為金剛石工具綠色屬性評(píng)價(jià)指標(biāo)。所選七個(gè)指標(biāo)是：酸化潛力（AP），溫室效應(yīng)潛力（GWP），水體富營(yíng)養(yǎng)化潛力（WEP），可吸入無(wú)機(jī)物（RI），礦產(chǎn)資源消耗（RD），水資源消耗（WD），不可再生資源需求（PED）。

2.2 經(jīng)濟(jì)屬性指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)屬性是企業(yè)的固有屬性，對(duì)金剛石工具進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，石材加工企業(yè)必然考慮其經(jīng)濟(jì)屬性方面的表現(xiàn)。由于金剛石工具在石材加工企業(yè)的采購(gòu)周期很長(zhǎng)，單次采購(gòu)批量很大，單個(gè)金剛石工具的生命周期又相對(duì)較短，故而不能以單個(gè)金剛石工具的生命周期來(lái)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)屬性評(píng)價(jià)?；诖?，根據(jù)Economics and Cross-media Effects[17]中的污染綜合防治經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，結(jié)合石材加工企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)狀況，以月為單位對(duì)金剛石工具進(jìn)行經(jīng)濟(jì)屬性評(píng)價(jià)，提出四個(gè)經(jīng)濟(jì)屬性指標(biāo)：采購(gòu)成本（IC），綜合月成本（TMC），月凈節(jié)約成本（NMS），回收周期（PT）。

2.3 技術(shù)屬性指標(biāo)

作為花崗巖加工的直接參與者，金剛石工具的技術(shù)屬性直接決定了石材加工企業(yè)的生產(chǎn)效率與效益，同時(shí)也間接影響了石材加工企業(yè)與環(huán)境的關(guān)系，因此，在對(duì)金剛石工具進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)必須考慮其技術(shù)屬性。由于金剛石工具由金剛石顆粒及胎體兩部分組成，所以這兩部分自身的技術(shù)屬性直接決定金剛石工具的整體性能。但是金剛石顆粒與胎體粉末需要經(jīng)過(guò)燒結(jié)才能形成金剛石工具整體，故而不能僅以金剛石顆粒或者胎體自身的技術(shù)屬性來(lái)評(píng)價(jià)金剛石工具。基于此種情況，對(duì)金剛石工具進(jìn)行技術(shù)屬性的評(píng)價(jià)需要綜合考慮金剛石顆粒、胎體以及金剛石工具整體。

目前，由于金剛石工具性質(zhì)的交互性和不確定性，并沒(méi)有針對(duì)金剛石工具技術(shù)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)性指標(biāo)，石材加工企業(yè)更多的還是基于經(jīng)驗(yàn)對(duì)金剛石工具進(jìn)行評(píng)價(jià)。因?yàn)檫@個(gè)原因，金剛石工具的技術(shù)屬性指標(biāo)存在大量冗余、重疊情況。對(duì)此，在大量閱讀相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合石材加工企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，在壽命和效率兩方面針對(duì)金剛石顆粒、胎體和金剛石工具整體提出了六個(gè)技術(shù)屬性指標(biāo)：金剛石顆?？箟簭?qiáng)度，金剛石顆粒沖擊韌性，金剛石工具耐磨性，金剛石工具鋒利度，金剛石工具胎體硬度，金剛石工具胎體抗彎強(qiáng)度。

3 金剛石工具評(píng)價(jià)指標(biāo)的獲取

3.1 綠色屬性

對(duì)于前一節(jié)提出的綠色屬性指標(biāo)，首先建立鋸切過(guò)程能量-物料守恒圖；然后采集鋸切過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，形成全生命周期清單；最后將全生命周期清單導(dǎo)入到全生命周期評(píng)價(jià)軟件中，得到各綠色屬性指標(biāo)值。

3.2 經(jīng)濟(jì)屬性

結(jié)合金剛石工具和石材加工企業(yè)的特性，對(duì)于前一節(jié)提出的經(jīng)濟(jì)屬性指標(biāo)，依據(jù)白碩瑋等[18]的研究提出如下獲取方法。

（1）采購(gòu)成本。采購(gòu)成本PC通過(guò)查閱石材加工企業(yè)每次采購(gòu)的采購(gòu)單據(jù)獲得。

（2）綜合月成本。綜合月成本由月平均成本和運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用兩部分組成。月平均成本和運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用通過(guò)查閱石材加工企業(yè)的月資金流水單據(jù)獲得，綜合月成本通過(guò)式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中，TMC—綜合月成本；AMC—月平均成本；r—折舊率；n—采購(gòu)周期月數(shù)；OMC—運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用。

（3）月凈節(jié)約成本。月凈節(jié)約成本表示月避免成本與綜合月成本的差異，月避免成本表示采用備選金剛石工具與采用參考金剛石工具在成本方面的差異。通過(guò)查閱石材加工企業(yè)月資金流水單據(jù)獲得原始成本數(shù)據(jù)，通過(guò)式（2）和式（3）進(jìn)行月凈節(jié)約成本和月避免成本的計(jì)算。

式中，NMS—月凈節(jié)約成本；MCS—月避免成本；I—節(jié)約成本的項(xiàng)目總數(shù)；ICi0—采用參考金剛石工具時(shí)第i項(xiàng)的月消耗量；ICi—采用備選金剛石工具時(shí)第i項(xiàng)的月消耗量；UPi—第i項(xiàng)的單位月消耗價(jià)格。

（4）回收周期。回收周期通過(guò)式（4）計(jì)算。

式中，PT—回收周期。

3.3 技術(shù)屬性

（1）金剛石顆?？箟簭?qiáng)度。首先對(duì)金剛石工具進(jìn)行酸洗處理[19]，獲取足量的金剛石顆粒并清洗、干燥；然后依據(jù)《GB/T 6406-2016》[20]對(duì)金剛石顆粒進(jìn)行篩分，并依據(jù)《JB/T 3914-2012》[21]對(duì)金剛石顆粒進(jìn)行縮分至規(guī)定重量；最后依據(jù)《JB/T 10985-2010》[22]規(guī)定方法對(duì)金剛石顆粒施加逐漸增大的壓力直至破碎，以金剛石顆粒破碎時(shí)載荷的多次測(cè)定值的算術(shù)平均值作為樣品金剛石工具的金剛石顆?？箟簭?qiáng)度最終值。

（2）金剛石顆粒沖擊韌性。首先對(duì)金剛石工具進(jìn)行酸洗處理，獲取足量的金剛石顆粒并清洗、干燥；然后依據(jù)《GB/T 6406-2016》對(duì)金剛石顆粒進(jìn)行篩分，接著按照《JB/T 10987-2010》[23]規(guī)定方法使用金剛石顆粒沖擊韌性測(cè)定儀以一定頻率對(duì)金剛石顆粒進(jìn)行鋼珠沖擊，然后再篩分。通過(guò)稱量沖擊前后未破碎金剛石顆粒質(zhì)量，以式（5）計(jì)算金剛石顆粒沖擊韌性值。式中，TI—金剛石顆粒的沖擊韌性；m1—篩分后未破碎金剛石顆粒質(zhì)量；m—沖擊前金剛石顆粒質(zhì)量。

（3）金剛石工具耐磨性。將直徑390mm的圓鋸片鋸齒與基體主體部分切割分離。使用可拆卸連接方式將鋸齒與基體連接，如圖2所示。將不同的金剛石工具分別焊接至鋸齒上，將鋸片安裝到金剛石圓盤(pán)鋸石機(jī)上并進(jìn)行鋸切試驗(yàn)。通過(guò)稱量鋸切前后的鋸齒的質(zhì)量獲得金剛石工具損耗量。耐磨性通過(guò)式（6）計(jì)算：

圖2 單節(jié)塊試驗(yàn)原理圖

式中，Q—金剛石工具耐磨性；△S—石材累計(jì)鋸切面積；△Gm—金剛石工具損耗量。

（4）金剛石工具鋒利度。本文采用電流表征法測(cè)定金剛石工具鋒利度[24]。通過(guò)使用電質(zhì)量分析儀（如圖3所示）實(shí)時(shí)采集圓鋸片鋸切時(shí)的電流，以鋸片平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的平均電流表示金剛石工具鋒利度。

圖3 電質(zhì)量分析儀

（5）金剛石工具胎體硬度。依據(jù)《GB/T 3849.1-2015》[25]，使用洛氏硬度計(jì)（圖4）對(duì)金剛石工具胎體硬度進(jìn)行測(cè)定：在每個(gè)金剛石工具試樣工作面中心線上均勻取10個(gè)非金剛石顆粒點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，以去除最大測(cè)定值與最小測(cè)定值的剩余8個(gè)測(cè)定值的算術(shù)平均值作為單個(gè)試樣的硬度，以單批次所有試樣硬度的平均值作為該批次金剛石工具胎體硬度的最終值。

圖4 洛氏硬度計(jì)

（6）金剛石工具胎體抗彎強(qiáng)度。參照《GB/T 232-2010》[26]，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（圖5）采用三點(diǎn)彎曲法進(jìn)行金剛石工具胎體抗彎強(qiáng)度的測(cè)定。

圖5 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

將標(biāo)準(zhǔn)尺寸的金剛石工具試樣置于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，逐漸加壓至試樣斷裂，根據(jù)斷裂時(shí)的載荷，按式（7）計(jì)算金剛石工具抗彎強(qiáng)度。

式中，σ—金剛石工具抗彎強(qiáng)度；P—試樣斷裂時(shí)的載荷；L—支點(diǎn)間距；b—試樣寬度；h—試樣高度。

4 結(jié)論

本文基于眾多學(xué)者對(duì)金剛石工具和鋸切過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究，提取了適合的金剛石工具評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)各指標(biāo)實(shí)際意義與可操作性等因素，結(jié)合當(dāng)前石材行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，綜合綠色、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)三方面屬性，剔除冗余指標(biāo)，構(gòu)建了無(wú)冗余且可對(duì)金剛石工具進(jìn)行相對(duì)全面評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)體系。同時(shí)，針對(duì)提出的金剛石工具評(píng)價(jià)體系，對(duì)各指標(biāo)的獲取方式進(jìn)行了明確說(shuō)明。該指標(biāo)體系可以使石材加工企業(yè)在選擇石材加工用金剛石工具時(shí)更為科學(xué)、有效，有助于石材加工企業(yè)選擇經(jīng)濟(jì)、高效且環(huán)境友好的金剛石工具，從而達(dá)到節(jié)約成本、可持續(xù)發(fā)展的目的。