金剛石主要切割技術(shù)對(duì)比分析及展望

林娜，胡濱鎧，林明山

?

金剛石主要切割技術(shù)對(duì)比分析及展望

林娜，胡濱鎧，林明山

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與自動(dòng)化工程系，福建 漳州 363000）

介紹了圓盤(pán)鋸片切割、鋸條切割和串珠繩等三種金剛石主要切割技術(shù)，分析了三種切割技術(shù)的切割機(jī)理、切割效率和經(jīng)濟(jì)效果，對(duì)石材加工廠合理選擇切割技術(shù)起到了一定的指導(dǎo)作用。

金剛石；切割；對(duì)比；展望

引 言

石材作為裝飾材料，頗具莊重、耐用、典雅的特點(diǎn)，在建筑物、廣場(chǎng)、家裝等場(chǎng)合廣泛應(yīng)用，石材的需求量逐年提高。因此，圍繞提高出材率，降低切割成本，切割大規(guī)格板材等方面技術(shù)，成為國(guó)內(nèi)外石材設(shè)備研發(fā)及石材加工廠選擇的重點(diǎn)。近年來(lái)，人造金剛石在石材加工應(yīng)用上取得巨大的成功，圓盤(pán)鋸片切割技術(shù)、鋸條切割技術(shù)和串珠繩切割技術(shù)成為用于切割石材最成功的金剛石切割技術(shù)，大幅度降低了石材加工的成本，在石材加工中發(fā)揮了重要的作用。由于這三種切割技術(shù)存在較大差異，因此有必要進(jìn)行對(duì)比分析，以供參考。

1 金剛石主要切割技術(shù)

1.1 圓盤(pán)鋸片切割技術(shù)

圓盤(pán)鋸片切割技術(shù)是最早用來(lái)切割石材的金剛石切割技術(shù)之一，是以金剛石圓盤(pán)鋸片為切割刀具將石材切割為具有一定厚度的板材或塊料的加工技術(shù)，具有設(shè)備操作簡(jiǎn)單，切割工藝參數(shù)易控制，加工效率高等特點(diǎn)。但因圓盤(pán)鋸片依靠傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)，鋸片切割的深度不能超過(guò)其直徑的40%[1]，這就限制了加工大板石材的能力。

目前，采用此切割技術(shù)增加加工幅面寬度的主要方法有：(1)用上下配對(duì)鋸片進(jìn)行對(duì)剖的方法，相當(dāng)兩臺(tái)切割機(jī)同時(shí)加工；(2)對(duì)石材進(jìn)行調(diào)頭兩次裝夾、分兩次加工；(3)增大鋸片的直徑。前兩者操作難度大，加工的板材質(zhì)量差使用較少，比較多的選擇是增大鋸片的直徑。然而，直徑在2 200mm以上的鋸片，隨著直徑的增大，考慮鋸片應(yīng)有的強(qiáng)度，則應(yīng)相應(yīng)增加鋸片基體厚度和金剛石刀頭寬度，增加基體材料及刀頭的消耗，相對(duì)的制造工藝也較復(fù)雜、精度控制也困難，其制造成本呈倍數(shù)增加。此外，石材加工中鋸縫寬度也同步增大，減少石材出材率，這樣導(dǎo)致綜合成本增加，若過(guò)分增大鋸片直徑以滿足切割大板需要，雖解決了加工大幅面板材的問(wèn)題，但影響圓盤(pán)鋸片切割加工的低成本優(yōu)勢(shì)。基于種種因素考慮，直徑1 600mm的圓鋸片是最常用的規(guī)格，其最大切割深度一般為600mm。

1.2 鋸條切割技術(shù)

鋸條切割技術(shù)就是把金剛石刀頭鑲嵌在特殊鋼板上制成鋸條，然后把鋸條安裝在鋸框里，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)鋸框往復(fù)運(yùn)動(dòng)切割石材的加工技術(shù)，也叫框架鋸切。根據(jù)刀頭運(yùn)動(dòng)速度緩慢和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，又金剛石鋸條切割沒(méi)有軸心的限制，成為可以加工大板石材的主要工具。鋸條切割石材時(shí)，依靠刀頭與石材磨擦，把石材切開(kāi)，不需要鋼砂作為磨料，因此在鋸條上不需要留磨料進(jìn)給槽。因金剛石具有高硬度、耐摩擦、易脆、抗碰撞差等特點(diǎn)，在采用鋸條切割石材時(shí)要采取直線運(yùn)動(dòng)方式，不能采取擺線運(yùn)動(dòng)方式。

這種鋸條常用的規(guī)格，長(zhǎng)度有4 300mm、4 350mm、4 400mm，總寬度為188.5mm，厚度為3.5mm，刀頭橫斷面為梯形，長(zhǎng)為20mm，高為8.5mm，上窄下寬，窄部寬度為4.7mm，寬部寬度為5.2mm，采取上窄下寬形狀的作用鋼板與石材之間有間隙，防止切割過(guò)程中石板夾住鋸條，同時(shí)也是為了較好的散熱。

金剛石刀頭鑲嵌的數(shù)量是根據(jù)鋸條的長(zhǎng)度而定，按一定規(guī)律采用非等距離排列，以減輕鋸條的振動(dòng)，提高鋸條工作效率，延長(zhǎng)刀頭壽命。例如GASPARI公司的鋸條排列規(guī)律是在奇數(shù)號(hào)間距發(fā)生變化，不在偶數(shù)號(hào)間距發(fā)生，偶數(shù)號(hào)間距都是60mm，奇數(shù)號(hào)間距依次為：55、95、110、115、120等[2]。

1.3 串珠繩切割技術(shù)

串珠繩切割技術(shù)是把金剛石鑲嵌在鋼絲繩上，隨著鋼絲繩的拉動(dòng)將石材切割成一定厚度板材的加工技術(shù)。這種切割技術(shù)把金剛石的高硬度和鋼絲繩的高柔性結(jié)合在一起，起到剛?cè)嵯酀?jì)的作用，在石材開(kāi)采、異形石材加工及特殊工況領(lǐng)域都能發(fā)揮作用，而這些領(lǐng)域加工條件相對(duì)惡劣，加工工具受力復(fù)雜，鋸條切割和圓盤(pán)鋸片切割難以涉及。例如，在礦山開(kāi)采加工時(shí)串珠繩可以穿過(guò)預(yù)先開(kāi)鑿的小孔，以彎曲的形狀切割荒料；在建筑物的拆除中，串珠繩可以繞過(guò)拆除對(duì)象進(jìn)行切割。但因技術(shù)和成本的因素，這種切割技術(shù)未能發(fā)揮其應(yīng)有的潛力，還未能廣泛推廣。

串珠繩在切割時(shí)，切割曲線上各個(gè)部位的切割速度與該點(diǎn)所受串珠繩的正壓力成正比，而串珠繩對(duì)被切石材的正壓力跟該點(diǎn)的曲率半徑有關(guān)[3]。曲率半徑大的部位所受正壓力小，切割速度慢，因此要考慮加工曲線多變性。這樣，被切割石材表面若有凸出或凹陷部位，因其較小的曲率半徑而得到快速的切割，其它曲率半徑較大的部位則切割速度緩慢，從而使凸出或凹陷部位很快被切入而跟周邊趨于一致。這種切割速度自動(dòng)調(diào)節(jié)的結(jié)果，使串珠繩的切割曲線的曲率半徑最終趨于一致，接近于圓弧的形狀[1]。

2 三種切割技術(shù)對(duì)比

2.1 切割機(jī)理

三種金剛石切割技術(shù)都是采用切割去除材料的方法加工，主要區(qū)別是刀頭的基體和切割運(yùn)動(dòng)方式不同，所以應(yīng)用范圍不同。

用圓盤(pán)鋸片切割石材時(shí)，金剛石刀頭被固定在基體上，既繞軸心做圓周運(yùn)動(dòng)，又隨著切割進(jìn)給做直線運(yùn)動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)綜合作用的結(jié)果，其側(cè)面和端部同時(shí)受到磨損。因此，在切割過(guò)程中，基體的磨損速度應(yīng)略大于金剛石的磨損速度，使金剛石不斷出刃，鋸片保持鋒利。若基體磨損速度低于金剛石或過(guò)慢，則影響金剛石出刃，就不能正常發(fā)揮切割作用，同時(shí)鋸片產(chǎn)生大量的熱量就難于散出，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鋸片發(fā)生變形，或因夾鋸而損壞基體。相反，若基體磨損太快，則造成金剛石沒(méi)有依托出現(xiàn)脫落，導(dǎo)致壽命縮短。由于側(cè)面磨損的存在，目前刀頭基本采用多層結(jié)構(gòu)，外層采用更耐磨或者更高強(qiáng)度的金剛石，以確保刀頭磨損后，外觀上仍保持原來(lái)的形狀。

用鋸條切割石材時(shí)，切割軌跡是直線運(yùn)動(dòng)，刀頭的外形磨損情況與圓盤(pán)切割類(lèi)似。但因鋸條是低速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，金剛石的磨損情況跟圓鋸有較大的差距。

用串珠繩切割石材時(shí)，串珠繩的受力情況和切割軌跡比較復(fù)雜，隨著切割的條件不同而變化；切割的運(yùn)動(dòng)軌跡既非直線，也非圓鋸那樣由兩種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合，這些是研究串珠繩切割機(jī)理的難點(diǎn)。

2.2 經(jīng)濟(jì)效果

從切割軌跡上分析，鋸條切割采用的是直線切割方式，圓盤(pán)鋸片切割采用的是圓周運(yùn)動(dòng)方式，而串珠繩切割則以曲線運(yùn)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；前兩種加工技術(shù)簡(jiǎn)便、易控制，而后者的加工曲線復(fù)雜，難以控制，后者的技術(shù)含量高，加工成本也高。

但直線或圓周的運(yùn)動(dòng)方式切割，只勝任形狀簡(jiǎn)單的加工；而曲線運(yùn)動(dòng)方式切割，在加工形狀上幾乎沒(méi)有限制，適應(yīng)性更強(qiáng)。前者與后者相比，加工效率高、出材率高、設(shè)備操作簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是切深受鋸片直徑的影響，加工板材幅面小，勞動(dòng)力成本高等。

綜上所述，鋸條切割技術(shù)適合大板的加工，圓盤(pán)鋸片切割技術(shù)適合小規(guī)格板材的加工，保持簡(jiǎn)便、高效的優(yōu)勢(shì)。串珠繩切割技術(shù)因成本、技術(shù)等因素所限，目前應(yīng)用領(lǐng)域主要在礦山開(kāi)采、異形石材加工和工程拆除等方面[4]。因此，最經(jīng)濟(jì)的選擇是根據(jù)不同工作環(huán)境，不同加工對(duì)象選擇加工技術(shù)。

3 金剛石切割技術(shù)的展望

隨著粉末冶金技術(shù)的發(fā)展，人造金剛石的誕生，用于石材加工的人造金剛石的耗用量量直線上升，約占全國(guó)總量的90%[5]。用金剛石刀具加工石材的技術(shù)和工藝方法將成為主流，三種主要切割技術(shù)將各自挖掘潛力不斷發(fā)展。

1）圓盤(pán)鋸片切割技術(shù)

隨著圓盤(pán)鋸片切割技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，保持低成本，提高切割效率是此種切割技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，隨著機(jī)械、電子、冶金等科技進(jìn)步，將走向多鋸片組合加工，繼續(xù)走高效率方向，并根據(jù)產(chǎn)品的加工對(duì)象、鋸機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率、加工工藝和操作習(xí)慣等不同，研發(fā)相應(yīng)產(chǎn)品；同時(shí)加強(qiáng)對(duì)切割大幅面板材的研究，最新有研究提出新型組合式石材切割圓盤(pán)鋸[6]，把圓鋸基體圓盤(pán)改為圓環(huán)，使驅(qū)動(dòng)軸軸心與圓鋸基體圓盤(pán)不同心，增大切割深度。如果該項(xiàng)技術(shù)研究成功，那么切割大幅面石材時(shí)就能替代超大直徑鋸片及結(jié)構(gòu)龐大的雙鋸片對(duì)剖加工。

2）鋸條切割技術(shù)

為適應(yīng)大規(guī)格大理石板生產(chǎn)的需要，大理石金剛石切割的沖程和切割寬度越來(lái)越大，功能越來(lái)越完善，正朝著大規(guī)格、高精度、高效率、節(jié)能、高自動(dòng)化控制方向發(fā)展。國(guó)外有學(xué)者[7]已研究出沖程800mm和l 000mm兩種，切割寬度2 000mm，切割運(yùn)動(dòng)采用四桿機(jī)構(gòu)，近似直線運(yùn)動(dòng)，用雙連桿來(lái)穩(wěn)定鋸框直線度，整機(jī)重量在同類(lèi)型產(chǎn)品中最輕，屬國(guó)際領(lǐng)先水平。

3）串珠繩切割技術(shù)

串珠繩切割技術(shù)在礦山開(kāi)采、異形石材加工和建筑市場(chǎng)方面前景看好，被國(guó)際石材加工領(lǐng)域確定為21世紀(jì)最優(yōu)化發(fā)展的高新技術(shù)領(lǐng)域。目前國(guó)外在研制生產(chǎn)不同結(jié)構(gòu)的多繩串珠繩，一次可安裝80條。同時(shí)研究提高金剛石的燒結(jié)技術(shù)，以減少串珠直徑，減少串珠繩的消耗成本，減少鋸縫帶來(lái)的石材損失。

總之，石材切割技術(shù)的市場(chǎng)潛力在于大幅面板材的切割，隨著多繩式串珠繩切割技術(shù)的出現(xiàn)，將與圓盤(pán)鋸片切割、鋸條切割技術(shù)形成競(jìng)爭(zhēng)勢(shì)態(tài)。

4 金剛石切割技術(shù)應(yīng)用

金剛石圓盤(pán)鋸可分為外圓切割和內(nèi)圓切割兩種，外圓切割主要用于石材的切割，房屋、橋梁、路面等建筑的拆除、改建；內(nèi)圓切割在硬脆材料切割領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，發(fā)展速度相當(dāng)迅速，特別適于切割硅晶體、陶瓷及硬質(zhì)合金硬質(zhì)材料及薄片硬質(zhì)材料，近期有研究表明采用電鍍金剛石圓盤(pán)鋸可切割超薄材料[8,9]。金剛石圓盤(pán)鋸及金剛石鋸條都可用于切割石材等硬質(zhì)材料，但主要用于切割直線型的，若有曲線形狀則應(yīng)采用金剛石串珠鋸。金剛石串珠鋸是近十幾年才發(fā)展起來(lái)的切割方法，最初用于開(kāi)采石材，后來(lái)也用于建筑物、橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的拆除與改造，也用于切割玻璃等材料[10]；近年來(lái)有報(bào)道顯示金剛石串珠可用于切割海底輸油鋼管[11]。

5 小 結(jié)

石材加工業(yè)依靠機(jī)械、電子、冶金等科技進(jìn)步不斷提高加工技術(shù)，人造金剛石已得到廣泛應(yīng)用，三種主要的金剛石切割技術(shù)各有特點(diǎn)，鋸條適合大板的加工，圓盤(pán)鋸片適合小規(guī)格板材的加工，保持簡(jiǎn)便、高效的優(yōu)勢(shì)，串珠繩既適用大板的加工，又具有高效率、出材質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)，但技術(shù)要求高、加工成本也高。隨著金剛石燒結(jié)技術(shù)的不斷進(jìn)步，金剛石串珠繩切割技術(shù)將不斷降低制造成本，減少加工消耗，這項(xiàng)技術(shù)將被逐步采用。石材加工廠最經(jīng)濟(jì)的選擇是根據(jù)不同工作環(huán)境，不同加工對(duì)象選擇加工技術(shù)。

[1] 唐存印.幾種金剛石工具切割石材分析[J].珠寶科技,2004(5):40-43.

[2] 姜華九,姜國(guó)森.對(duì)切割大理石用金剛石鋸條的要求[J].石材,2003(12):32-33.

[3] 劉寶昌,張祖培,等.金剛石繩鋸的切割軌跡及切割機(jī)理研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2002(6):17-20.

[4] 呂智,唐存印.金剛石繩鋸技術(shù)的發(fā)展和未來(lái)[J].珠寶科技,2004(4):1-4.

[5] 李春林.國(guó)內(nèi)金剛石鋸片基體的發(fā)展現(xiàn)狀和走勢(shì)[J].石材,2008(6):24.

[6] 王軍,王志.寬幅大理石板材切割設(shè)備初步研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2006(2):36-37.

[7] 譚金華.國(guó)內(nèi)外金剛石框架鋸的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].石材,2004(10):29-31.

[8] 高偉,劉鎮(zhèn)昌.超硬磨料在硬質(zhì)材料切割中的應(yīng)用[J].金剛石與磨料磨具工程,2001(3):26-29.

[9] 唐營(yíng),何偉春.超薄金剛石切割片的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].超硬材料工程,2002(3):34-36.

[10] 張進(jìn)生,張政梅,王志.新型石材回采金剛石串珠鋸研究及創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].金剛石與磨料磨具工程,2006(4):17-20.

[11] 王茁,張渡,王立權(quán),等.金剛石串珠繩鋸水下切割海底輸油鋼管試驗(yàn)研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2008(10):60-62.

The comparative analysis and Prospects of main cutting for Diamond

LIN Na，HU Bin-kai，LIN Ming-shan

（Department of Mechanical and Automation engineering，Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou 363000, China)

This paper introduced three kinds of Diamond’s cutting technology of Circular saw blades cutting and Saw blade cutting and Beaded rope and so on , analyzed the cutting mechanism, the cutting efficiency and the economic efficiency of three kinds of cutting technology, it played a guiding role for stone processing factory to Reasonable choice of cutting technology.

diamond; cutting; comparison; Prospect

2013－03－15

林娜（1983－），女，福建莆田人，助教，碩士，研究方向：材料物理與化學(xué)性能、材料成型技術(shù)。

TG142

A

1673-1417（2013）02-0011-04

（責(zé)任編輯：季 平）