金剛石組鋸繩技術綜述①

謝志剛，王智慧，張延軍

（1.桂林礦產地質研究院，廣西桂林541004；2.桂林特邦新材料有限公司，廣西桂林541004）

1 組鋸繩概述

石材以其優(yōu)良的物理力學性能以及天然華貴、典雅大方的裝飾效果，使其在建筑裝飾、生活用具等方面得到了廣泛的應用。我國是石材大國，花崗石及大理石資源豐富。在各種各樣的石材產品中，應用最多的是板材制品。據介紹，2010年，我國花崗石板材的產量為30826萬平方米，大理石板材產量達5477萬平方米，據《石材行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要》提出：到2015年，花崗石板材產量將達到6.5億至7億平方米，大理石板材產量將達到8500至9500萬平方米。

在花崗石規(guī)格大板的批量鋸切加工領域，傳統(tǒng)的加工設備主要是花崗石砂鋸。在大理石規(guī)格大板的批量鋸切加工領域，傳統(tǒng)的加工設備主要是金剛石平移鋸或簡易的搖擺鋸。在花崗石及大理石規(guī)格小板的批量鋸切加工領域，傳統(tǒng)的加工設備主要是金剛石圓鋸片。

《石材行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要》提出：石材加工重點是發(fā)展精細化加工、石制品加工以及節(jié)能、節(jié)材型新技術，推廣大型現(xiàn)代成套技術工藝與裝備，包括數控機械、加工中心、計算機輔助設計與加工、智能化控制等，以及超薄板生產、復合板生產、廢料綜合利用、應用護理等新技術。多繩金剛石串珠繩鋸在石材板料加工中的應用符合石材行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要的要求。

多繩金剛石串珠繩鋸主要用于石材板材的批量鋸切加工，產生于20世紀90年代，目前對多繩金剛石串珠繩鋸設備的研發(fā)主要集中在意大利等石材加工強國。最開始的多繩金剛石串珠鋸是一種由意大利Wire Engineering公司生產的可安裝十根串珠繩的長繩式多繩鋸。由于當時串珠繩成本過高，設備的基礎投資過大，限制了它的推廣應用。隨后意大利的Pellegrini和Bideseimpianti公司相繼推出了自己的短繩式多繩鋸，在市場上得到了一定程度的應用。國外生產組合繩鋸機的廠家主要有Gaspary Menotti S.P.A，PELLGRANIT，PEDRINI，其中銷售量最多的是Gaspary Menotti S.P.A。根據石材展會的調查和行業(yè)客戶反映，巴西擁有15臺花崗巖組鋸設備，組數以30組，40組，60組為主，27.5米的標準長度，印度擁有12臺金剛石組合繩鋸機，意大利擁有25臺金剛石組合繩鋸機。目前多繩鋸安裝串珠繩的數量最多可達133根。

2 發(fā)展金剛石組鋸繩的意義

石材板材具有很大的應用市場，與傳統(tǒng)框架砂鋸相比（設備如圖1、所示），用金剛石組鋸繩圖2鋸切花崗巖大板具有下述意義。

（1）金剛石組鋸繩用途廣泛，功能性強。金剛石繩鋸組鋸繩可同時具備切割大理石，花崗巖，人造石材的功能，靈活地切割不同厚度的板材。

（2）板材的表面質量好。用繩鋸切割的板材表面光滑，平直，可提高拋磨生產線效率30%～40%，平面度公差可控制在0.5mm以內，遠小于EUTC246 and ASTM規(guī)定的平面度偏差要求。

圖1 傳統(tǒng)框架砂鋸Fig.1 Traditional gang saw

圖2 金剛石組鋸Fig.2 Diamond multiwire saw

（3）石材利用率高及對環(huán)境友好。因用繩鋸切割的板材表面質量好，單位體積花崗巖荒料的出板率比砂鋸高，石材損失少，可節(jié)省寶貴的石材資源。而且，金剛石繩鋸組鋸繩工作噪音水平大約比砂鋸減少50%，并無需清理鋼砂，有效減少對周圍環(huán)境的影響。

（4）生產效率高。其切割速度可以達到單條2～2.5m2／h，對趕交貨期具有積極的意義。

（5）操作人員少，人工成本低。金剛石繩鋸組鋸繩無需經常更換繩鋸，而砂鋸需要頻繁的更換和調整鋸條，花費大量時間，按照相同生產能力核定，金剛石繩鋸組鋸繩的操作人員減少了70%。

（6）砂鋸及金剛石組鋸繩性能對比見表1。

表1 金剛石砂鋸及金剛石組鋸繩性能對比表Table 1 Comparison of diamond gang saw and diamond multi wire performances

3 組鋸機介紹

3.1 主運動結構形式及張緊機構

組鋸機根據主運動結構形式可分為四輪鼓結構、三輪鼓結構和兩輪鼓結構。圖3是多繩鋸的四輪鼓結構圖片。對于多繩鋸的四輪結構形式來說，四個轉動輪中其中一個是主動輪，另外三個是從動輪，或二個是主動輪，另外二個是從動輪。四個輪鼓直徑在1～1.4m之間。為了實現(xiàn)每根串珠繩的單獨張緊，需要左右兩套組合式張緊輪。每套張緊輪由多片可以獨立運動的張緊輪組成，各片張緊輪由液壓缸驅動對每根串珠繩進行分別張緊。

對于多繩鋸的兩輪鼓結構來說，其中一個輪是主動輪，另一個輪是從動輪。二個輪鼓直徑約2.3m，主動輪是整體式結構，從動輪是分片式結構，每片從動輪可以單獨張緊串珠繩，具有張緊輪的功能。

對于多繩鋸的三輪鼓結構形式來說，三個轉動輪中其中一個是主動輪，另外二個是從動輪。主動輪直徑約2.3m，從動輪直徑在1～1.5m之間，為了實現(xiàn)每根串珠繩的單獨張緊，需要一套組合式張緊輪及一套整體張緊輪。每套組合式張緊輪由多片可以獨立運動的張緊輪組成，各片張緊輪由液壓缸驅動對每根串珠繩進行分別張緊，整體張緊機構通過液壓缸驅動對每根串珠繩同時進行張緊，如圖4所示。以上三種主運動結構特點對比見表2。

圖3 組鋸機四輪結構Fig.3 The four－wheel structure of multi wire machine

圖4 三輪鼓組合式張緊機構及整體張緊機構Fig.4 Combined tensioning system and integral tensioning system

表2 3種主運動結構組鋸機性能對比表Table 2 Comparison of performances of diamond multi wire machine of three main motion structures

3.2 進給機構

進給機構的原理與砂鋸基本相似，由螺母螺桿機構控制垂直升降，并配置了減輕鋸切垂直運動螺桿負荷的平衡油缸。如圖5所示。

圖5 平衡油缸Fig.5 Balancing cylinder

3.3 供水系統(tǒng)及荒料車

供水系統(tǒng)用于冷卻、潤滑金剛石串珠及金剛石串珠繩，減少金剛石串珠繩與被切材料之間的摩擦，并將石屑及時排出，供水壓力為0.15～0.2MPa，流量為15～30L／min?；牧宪囉糜诜胖檬?，荒料車一般可在兩條軌道上運動。如圖6所示。

3.4 液壓系統(tǒng)及電控系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)包括泵站、閥組等部分，電控系統(tǒng)包括主電控柜（含變頻器等）、控制柜、連接電纜等。用于精確控制組鋸機運動及組鋸繩的張力。

圖6 供水系統(tǒng)及荒料車Fig.6 Water feeding system and block tray

4 組鋸技術存在的幾個問題

4.1 組鋸設備問題

由于組鋸設備相對復雜，要求具有很高的設計水平及制造水平，一套組鋸設備售價數百萬元，開發(fā)及前期投入費用大。然而，目前由于組鋸市場沒有開發(fā)、容量較少，導致有實力的單位不愿開發(fā)，愿意開發(fā)的單位又實力不足，至今國內還沒有成熟的組鋸設備生產廠家，國內也少見有組鋸設備成功地應用于板材的鋸切生產。

4.2 組鋸設備設計制造難點

（1）各繩恒張力控制及獨立張緊機構設計

為保證板材表面質量及延長鋼絲繩使用壽命，必須使各繩的張緊力變化控制在較少的范圍內。因各繩出廠長度不一致及被切材料非均質導致各繩進給速度不一致，導致各繩的張緊力在鋸切過程中呈動態(tài)變化，為保證每條繩在鋸切過程中的恒張緊力，要求設計獨立張緊機構及獨立恒張力控制系統(tǒng)。每條組鋸繩之間的最小距離不足30毫米，給獨立張緊機構及恒張力控制系統(tǒng)設計和制造帶來很大的難度。

（2）大型薄壁件的設計及制造

組鋸機需使用一些大型薄壁件，如二輪組鋸設備，因需實現(xiàn)獨立張緊，要求每條繩配一個從動輪，而從動輪直徑達2.3米，壁厚不足2厘米，且要求從動輪重量輕，強度高，這又給設計和制造帶來很大的難度。

（3）組鋸設備要求高的精度

組鋸設備中的輪系、進給機構、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等均要求很高的精度，若精度不夠，在切割過程中就不能實現(xiàn)各繩的恒張力，容易出現(xiàn)因組鋸繩抖動、相鄰繩鋸相互碰撞干擾等情況而導致板材表面質量差，嚴重的會引起斷繩，從而導致整組繩報廢。

4.3 組鋸繩需解決的關鍵技術

（1）鋼絲繩選型

要使組鋸繩取代砂鋸切割石材大板，首先要解決的問題是如何使串珠外徑和鋼絲繩直徑變小，由于鋼絲繩直徑變小會引起鋼絲繩的抗拉強度及拉伸疲勞強度等力學性能下降，從而導致鋼絲繩易斷，最終導致組鋸繩報廢。

（2）鋼絲繩閉環(huán)連接技術

將鋼絲繩由一個開環(huán)連接成同等規(guī)定長度的閉環(huán)，且具有承受80%鋼絲繩破斷拉力的能力，還要求每條組鋸繩長度盡可能一致，以實現(xiàn)組鋸繩在使用過程的恒張力。此外，由于組鋸繩串珠外徑與鋼絲繩直徑相差較小，連接強度相對較弱，且要求在組鋸繩壽命期內不斷繩，若用接頭將一個開環(huán)繩連接成閉環(huán)繩，無法保證組鋸繩在壽命期內不斷繩。

（3）金剛石繩鋸組鋸繩串珠工作層及串珠結構設計

金剛石組鋸因裝繩多，分配到每條繩的功率很小，如GOLD 60多繩金剛石串珠鋸，串珠繩數量為58條，裝機容量為265k W，平均每條串珠繩裝機容量為4.5k W。而一般的單條工廠用繩鋸機裝機容量約為15k W，另外，組鋸繩串珠工作層薄，一般不足1mm，只有進行組鋸繩串珠工作層及串珠結構優(yōu)化設計，才能實現(xiàn)壽命及效率的最佳匹配。

（4）金剛石組鋸繩串珠與鋼絲繩固定技術

由于組鋸繩串珠直徑與鋼絲繩直徑相差較小，固定塑料保護環(huán)的壁厚較薄，常常因為注塑質量不穩(wěn)定、注塑不飽滿及固定強度不足導致在切割過程中鋼絲繩易受到巖屑和水的腐蝕，易出現(xiàn)串珠松動、竄珠情況，嚴重影響組鋸的正常切割工作。

（5）組鋸繩質量穩(wěn)定問題

若各條組鋸繩效率相差較大，將導致整組繩產生鋸切效率低，加工板材平整度差、板材尺寸誤差大等問題，嚴重影響板材的后續(xù)加工。若各條組鋸繩壽命相差較大，將導致整組繩壽命低。為保證組鋸繩正常工作，要求組鋸繩各條繩鋸質量穩(wěn)定一致。

5 結束語

由于天然石材及人造石大板市場容量巨大，國內一些企業(yè)己開始投入資金開展金剛石組鋸機及組鋸繩的研究。國內金剛石組鋸機及組鋸繩一旦研究成功，將是對大板鋸切工藝的一項重要創(chuàng)新，同時也將標志著我國金剛石繩鋸技術全面進入世界先進水平行列。

［1］ 呂智，鄭超，等.超硬材料工具設計與制造［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［2］ 程勝利.十二五期間怎樣發(fā)展中國石材業(yè)［J］.石材，2010.11.

［3］ 廖原時.多繩金剛石串珠鋸的技術特點和加工成本分析［J］.STONE，2008，108（6）：20－23.

［4］ 滕忠良.意大利金剛石串珠多繩鋸綜述（一）［J］.石材，2011.12：11－16.

［5］ 滕忠良.意大利金剛石串珠多繩鋸綜述（二）［J］.石材，2012.1：11－18.