超薄天然石板材切割現(xiàn)狀及金剛石線切板技術(shù)研究

陳超，彭少波，陳家榮，秦建新，肖樂銀，謝德龍，潘曉毅，林峰

(廣西超硬材料重點實驗室;中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司;國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心，廣西桂林 541004)

超薄天然石板材切割現(xiàn)狀及金剛石線切板技術(shù)研究

陳超，彭少波，陳家榮，秦建新，肖樂銀，謝德龍，潘曉毅，林峰

(廣西超硬材料重點實驗室;中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司;國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心，廣西桂林 541004)

超薄天然石板材是現(xiàn)代石材行業(yè)發(fā)展的趨勢。文章列舉了傳統(tǒng)薄板的切割設(shè)備和方法，闡述了現(xiàn)今金剛石串珠多組繩鋸的應(yīng)用，提出金剛石線超薄天然石板材切割技術(shù)，并結(jié)合多組繩鋸理念說明未來金剛石線鋸在石材行業(yè)應(yīng)用的前景。通過切割大理石荒料進(jìn)行試驗，得出金剛石線切割大理石具有切割效率高，切割表面光潔度好，板材更薄，耗能小等諸多優(yōu)勢。進(jìn)一步分析了金剛石線上磨粒強度、粒度、濃度，對金剛石線磨損的影響，分析結(jié)合劑磨損，裂紋，氣泡效應(yīng)對金剛石線失效的貢獻(xiàn)等。

超薄;天然石板材;線鋸;切割

1 引言

天然石材由于具有質(zhì)感好、耐壓、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點，是一種優(yōu)質(zhì)的建筑及裝飾材料。隨著現(xiàn)代建筑業(yè)及裝飾業(yè)的發(fā)展，天然石材的應(yīng)用更加廣泛。石材屬于不可再生資源，故天然石材的節(jié)約與充分利用當(dāng)今已逐漸成為石材界的熱門話題，普遍認(rèn)為未來裝飾石材將向超薄、輕型化方向發(fā)展。

本文定義超薄天然石材是厚度為2～5mm的天然石板。超薄型天然石材除了具有石材的美觀，典雅的藝術(shù)特點外，還具有超薄、超輕、透光等優(yōu)良特性，并且安裝、拆除方便快捷，它在滿足用戶需求的基礎(chǔ)上，更節(jié)約和有效利用了有限的珍貴石材資源。不僅可以直接粘貼，還可以將超薄板制成功能性板材，例如:保溫板、隔熱板、蜂窩板、復(fù)合板等。超薄石材板經(jīng)多層復(fù)合后，韌性有效增強，可將其彎曲成任意形狀，多用在透光幕墻、天花板吊頂、高檔酒店電梯內(nèi)壁、游艇內(nèi)部裝飾墻板，既效果美觀，又能減輕設(shè)施或建筑的重量［1］。

超薄石材概念由來已久，從加工方面來說，把石材做薄并非難事，但做大幅面的薄石板則非常困難，大批量加工巨型超薄天然石板則更是難上加難。鋸切加工是超薄石材制作的第一道工序。

傳統(tǒng)的石材鋸切加工主要還是采用金剛石圓鋸片切割，切縫大(6mm以上)，圓鋸片加工尺寸受到約束(最大不超過它的半徑，隨著半徑增大厚度也增大)。金剛石圓鋸多片組合加工，滿足了一定量的加工需求，設(shè)備由多組薄鋸片組成，最薄切割10mm的薄片(600mm×600mm)，切縫5～10mm;另有框架大砂鋸(用于花崗巖)、框架金剛石排鋸(用于大理石)、金剛石帶鋸。隨著市場需求變化，石材朝著更薄、更大尺寸的方向發(fā)展，以上幾種切割方式都難以滿足更薄，更快捷，更多片切割的市場發(fā)展需求。近年來，多組繩鋸，多組線鋸技術(shù)的出現(xiàn)，在切割石材大板及薄板方面有較好的應(yīng)用，并有取代其他加工方式的勢頭。

2 傳統(tǒng)設(shè)備及方法

第一種:用框架金剛石排鋸(如圖1)或圓盤鋸組鋸(如圖2)將石材荒料切割成20mm厚的毛板，兩面校平粗磨再雙面粘貼復(fù)合物或直接切割(如圖3)——剖切石板成為兩塊4～8mm的超薄板。

第二種是:用帶鋸機(如圖4所示)將石板直接切割成4～8mm的超薄板。

圖1 框架金剛石排鋸Fig.1 The framework of diamond gang saw

圖2 金剛石圓鋸多片組合鋸Fig.2 Circular diamond multi blade saw

圖3 金剛石圓鋸片切割超薄石材板Fig.3 Ultra-thin natural stone slab cutting by circular dimond saw

圖4 金剛石帶鋸剖切超薄石材板Fig.4 Ultra-thin natural stone slab cutting by dimond belt saw

3 金剛石多組繩鋸切割技術(shù)

多組繩鋸切割技術(shù)可用來批量切割石材大板，這種技術(shù)使用多組繩鋸設(shè)備，配套環(huán)型金剛石串珠繩鋸共同進(jìn)行。根據(jù)文獻(xiàn)資料，歐美國家最先推出多組繩鋸，主要切割花崗巖荒料，設(shè)備單次可安裝幾十條金剛石串珠繩，目前多繩鋸安裝串珠繩的數(shù)量最多可達(dá)133根［2］。如圖5所示，為多組繩鋸機。石材板材具有很大的應(yīng)用市場，用金剛石多組繩鋸切花崗巖大板具有多種優(yōu)勢。1)金剛石組鋸可切割多種厚度板材;2)板材的表面質(zhì)量好，表面粗糙度低，平整，平面度公差在0.5mm以內(nèi)。3)石材利用率高且對環(huán)境友好。4)操作人員少，人工成本低。

圖5 多組繩鋸設(shè)備Fig.5 multi-group wire saw equipment

目前，最小的繩鋸串珠直徑為6.3mm。這些的串珠構(gòu)成的金剛石繩鋸用于花崗巖石材大板的鋸切生產(chǎn)，多數(shù)板厚為15mm或20mm。據(jù)多家用戶介紹，直徑越小的金剛石串珠繩鋸切割效率越高，在鋸切材質(zhì)相同的條件下，直徑6.3mm的串珠繩鋸切割效率和綜合成本相比較粗(直徑7.2mm)直徑的繩鋸都有明顯下降［3］。為了使設(shè)備更加靈活地生產(chǎn)不同厚度的板材，多數(shù)繩鋸設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，在設(shè)計輪系時，采用切割輪小間隔槽的方式，通過調(diào)整繩間距即可實現(xiàn)這一目的的結(jié)構(gòu)，例如可通過調(diào)整定位輪槽的間隔實現(xiàn)鋸切幾種規(guī)格厚度的板材。

4 金剛石線鋸切割技術(shù)

超薄石板材厚度多在10mm以下，但是，傳統(tǒng)石材加工所使用的工具的寬度約在10mm左右，當(dāng)生產(chǎn)10mm厚度以下的薄板時，使用以上所述任何一種方法，切割損失都占石材原料的30%～50%，切縫寬，浪費較多;另外，切割時由于工具本身原因，切出板材破裂嚴(yán)重，使薄板成材率較低，各種原因?qū)е履壳俺√烊皇陌鍍r格依然較高。

為了減小切割損失，提高超薄板材的出材率，并大幅提高超薄板材成材率，我們制作了直徑為2.5mm以下的金剛石線鋸。金剛石線切割薄板時，切割引起的振動力較小，切割對薄板的損傷深度淺，切割板厚度可以達(dá)到3mm以內(nèi)(如圖7所示)。所以線鋸切割荒料時可大幅提高板材的出材率和成材率，以1m寬工件為例:使用最細(xì)繩鋸(直徑6.3mm)切割時鋸縫寬度約為7mm，假設(shè)可切出的板材板厚為8mm，那么，可切割得到1000/(7+8)=66塊板材;使用金剛石線(2.5mm)，鋸縫寬度約為3mm，假設(shè)可切出的板材板厚為3mm，可切割得到1000/(3+3)=166塊板材。另外，金剛石線切割薄石板時，切割力小，不容易引起或?qū)е麓罄硎鍍?nèi)部沿板厚方向裂紋的形成和生長，即使切割成厚度為 3mm(長×寬:2000mm× 1000mm)的大板也能使板材保持完整，使得切割薄板具有很高的成材率。為了滿足批量化市場生產(chǎn)的需求，可將金剛石線與多組繩鋸設(shè)備有機結(jié)合，形成金剛石線多線切割，單刀產(chǎn)出20～50片超薄板，效率極高。

使用礦山開采繩鋸機，進(jìn)行石材荒料切割加工實驗(試驗裝置及切割方式如圖6所示)，以驗證該線鋸切割加工石材的實用性。

圖6 金剛石線及切割大理石荒料示意圖Fig.6 Diagram of marble block cutting by diamond wire saw

4.1 金剛石線鋸的特點及性能

所使用的金剛石線為環(huán)形金剛石線，直徑為2.5mm，長度可根據(jù)設(shè)備型號和荒料的尺寸調(diào)整。環(huán)形繩跨過機器導(dǎo)輪和荒料，機器在導(dǎo)軌上前進(jìn)使線鋸張緊，然后開動機器，通過電流來調(diào)整導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速，帶動線鋸進(jìn)行切割;切割的同時，根據(jù)切割石料的快慢調(diào)整繩鋸機前進(jìn)的速度，用自來水冷卻切割部位，線鋸線速度可以達(dá)到50m/s。

4.2 切割情況

金剛石線較其他切割工具，具有較小的切割面，切割阻力小，在其他條件相同的情況下具有較高的切割效率，較強的切割能力和低的電能消耗。

(1)切割效率

大理石硬度較低，切割時使用較高線速度。啟動時用較低速切割，待穩(wěn)定后加速到切割正常速度，線速度約40m/s，切割完成1m×2m面積約15min的板材。

(2)切割板厚

金剛石線直徑2.5mm，鋸縫寬度約3mm，如圖7所示。

圖7 金剛石線鋸切割大理石鋸縫寬約3mmFig.7 Kerf width of marble by diamond wire saw is about 3 mm

3)板面效果

線鋸切割板材表面光滑，粗糙度可以控制在＜0.3mm，遠(yuǎn)超出其他加工方式加工效果。而由于試驗使用繩鋸機設(shè)備本身的原因，板材的平整度及整體厚度偏差暫時無法控制。

4.3 金剛石線磨損

4.3.1 金剛石的狀況

(1)金剛石強度

試驗選用高強度的磨粒，磨粒切削刃在使用一段時間后會出現(xiàn)磨圓狀態(tài)(如圖8所示)，加工效率降低，鋸切力增大，對金屬結(jié)合劑沖擊力增大，當(dāng)同時被磨損的結(jié)合劑磨損到一定包裹高度時，磨粒就會被外力“撬出”，留下較大凹坑，甚至在結(jié)合劑表面形成裂紋。

(2)金剛石粒度

金剛石磨粒的粒度決定了切削刃的大小，磨粒的粒度越大，出刃高度相對較高，工具越鋒利;粒度變小，參與切割的切削刃數(shù)目增加，單顆磨粒壓入工件的壓強減小，容易發(fā)生打滑，相反的，工具耐磨度會提高，工具壽命較長。試驗采用45～50目金剛石，品級較高，在鋸切時，能重復(fù)經(jīng)受高速下的沖擊力，在切割過程中，當(dāng)某些金剛石磨粒受磨損鈍化后，受力過大，隨即脫落，產(chǎn)生自銳作用。

圖8 部分金剛石顆粒磨圓照片F(xiàn)ig.8 Photo of some of the rounded diamond grains

(3)金剛石濃度

每節(jié)塊中金剛石磨粒的密度，也就是單位面積內(nèi)金剛石磨粒的相對數(shù)目，參與切削的磨粒數(shù)量也增加。由于切削力是分配到參與切削的每一個切削刃的，濃度變高則參與切削的單個磨粒施加的切割壓力相對減小，壓入工件的瞬時壓強減小，不易壓入并破碎工件，整條線鋸就表現(xiàn)比較耐磨，壽命就長。然而，當(dāng)節(jié)塊中的金剛石濃度過高，結(jié)合劑所占體積比例相對減小，將會削弱其對金剛石的把持力，隨著切割的進(jìn)行，結(jié)合劑磨損到一定程度，會出現(xiàn)顆粒大面積脫落(如圖9所示)的現(xiàn)象;而且由于參與切削的磨粒增多，單顆金剛石壓入被切材料的壓強減小，不易使被切材料產(chǎn)生破碎，整條金剛石線切削能力下降，在切割參數(shù)來不及調(diào)整的時候，便會導(dǎo)致切削功率增大;另外，每節(jié)塊中金剛石濃度的增大，必然會導(dǎo)致金剛石顆粒間容削空間減小，極易造成鋸片“堵塞”并產(chǎn)生振動。

圖9 金剛石顆粒大面積脫落照片F(xiàn)ig.9 Photo of large area of diamond particle detachment

4.3.2 結(jié)合劑情況

考慮到電沉積金剛石工具的特性，并應(yīng)用于切割石材，試驗將結(jié)合劑層高度調(diào)整到金剛石平均粒徑的90%以上，以期更長的使用壽命。

(1)磨損

金剛石顆粒在切割工件的過程中受到磨損的同時，金屬結(jié)合劑也會受到石材切屑的作用磨損。石材切削巖屑和破碎的金剛石碎屑在切削液的帶動下沖蝕結(jié)合劑表面，使金屬結(jié)合劑磨損，減薄，金剛石出刃高度相對變高，切割效率提高，磨損屬于正常磨損。

(2)裂紋

切割后期，部分金剛石顆粒逐漸磨損，結(jié)合劑層高度持續(xù)降低。變薄的結(jié)合劑對金剛石顆粒的包裹能力下降，由于較大的沖擊力，金剛石從結(jié)合劑中被撬出，部分結(jié)合劑層出現(xiàn)裂紋。如果結(jié)合劑中有并排或緊挨的金剛石顆粒脫落，則結(jié)合劑層將會加速磨損，圖10所示為結(jié)合劑表面出現(xiàn)裂紋及后續(xù)切割中金剛石顆粒脫落情況照片。

圖10 結(jié)合劑表面出現(xiàn)裂紋及后續(xù)切割中金剛石顆粒脫落情況Fig.10 Diamond particle detachment situation when crack occurs on the surface of the bondand during the following cutting

(3)基體

絲繩基體在高速導(dǎo)輪的帶動下連續(xù)旋轉(zhuǎn)，并且繞過石材進(jìn)行切割。切割時金剛石節(jié)塊一方面受到高強度沖擊，跨過圓形導(dǎo)輪及弧形石材切割面，同時基體為柔性絲繩又繞自身旋轉(zhuǎn)，當(dāng)結(jié)合劑厚度減薄，結(jié)合劑層就會因為絲繩扭曲而出現(xiàn)裂紋。裂紋處金剛石脫落，甚至整個結(jié)合劑層被沖擊掉落。

(4)氣泡效應(yīng)

在切割的過程中，采用自來水實時冷卻，金剛石線節(jié)塊在高速切割運動時可將自來水帶入切割縫，進(jìn)行冷卻和帶走切屑。當(dāng)節(jié)塊在進(jìn)入冷卻水時可帶入空氣，形成氣泡;另外，在冷卻水中進(jìn)行切割石材運動時，產(chǎn)生瞬時高溫，也形成氣泡。在切割絲高速運動形成較高水流壓力作用下，氣泡進(jìn)入結(jié)合劑層裂紋，迅速膨脹，使結(jié)合劑層裂紋繼續(xù)擴展，對結(jié)合劑脫落有重要影響。

5 總結(jié)及展望

天然石材超薄板在建筑，裝飾，功能應(yīng)用等方面具有諸多優(yōu)勢，廣受人們的歡迎。隨著社會的進(jìn)步及人們生活品質(zhì)及節(jié)約資源等方面的因素，天然石材超薄板逐漸向更薄化、大型化方向發(fā)展。提高天然石材超薄板材加工生產(chǎn)效率、提高出材率、成材率并降低生產(chǎn)成本等逐漸被人們所重視。這就促使石材設(shè)備得以迅猛發(fā)展，金剛石圓盤鋸機多片組合鋸片、砂鋸、框架鋸、金剛石多組繩鋸等切割技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大幅面石材薄板加工中。在提倡綠色環(huán)保及合理利用地球礦產(chǎn)資源的大背景下，要求自然環(huán)境實現(xiàn)和諧發(fā)展，石材加工“生態(tài)化”發(fā)展。因此更加先進(jìn)的切割超薄石板切割技術(shù)——金剛石線切割技術(shù)應(yīng)運而生，成為石材超薄板加工設(shè)備的發(fā)展方向。

［1］齊自成.薄型和超薄型石材的發(fā)展和應(yīng)用［J］.中國建材，2006 (3):84-86.

［2］謝志剛，王智慧，張延軍.金剛石組鋸繩技術(shù)綜述［J］.超硬材料工程，2012，24(2):35-39.

［3］廖原時.2015年意大利維羅納國際石材展機械觀感［J］.石材，2015(12):10-18.

Current Situation of Ultra Thin Natural Stone Slab Cutting and Research on Diamond Wire Cutting Technology

CHEN Chao，PENG Shao-bo，CHEN Jia-rong，QIN Jian-xin，XIAO Le-yin，XIE De-long，PAN Xiao-yi，LIN Feng
(Guangxi Key Laboratory of Superhard Materials;China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.Ltd.; Chinese National Engineering Research Center for Special Materials，Guilin，China 541004)

Ultra-thin natural stone slab is the trend of the development of the modern stone industry.Traditional sheet cutting equipment and method has been listed in this article，and current application of diamond wire saw has been discussed.Meanwhile，the application prospect of diamond wire saw in stone indusrty has been predicted through analysis of ultra-thin natural stone slab cutting technique by diamond wire saw along with the concept of multi-group wire saw.Through the cutting experiment to marble blocks，it is concluded that diamond wire saw cutting has many advantages such as hign efficiency，good surface smoothness，thinner finished product and lower energy consumption.Influence of strength，particle size and concentration of the abrasive particles of the diamond wire saw on its abrasion has been further discussed.The influence of binding agent abrasion，fissure and bubble effect on the failure of diamond wire saw has also been analyzed.

Ultra-thin;natural stone slab;wire saw;cutting

TQ164

A

1673－1433(2016)06－0041－05

2016－09－18

陳超(1980－)，男，碩士，高級工程師，研究領(lǐng)域:超硬材料制品，高壓科學(xué)與技術(shù)。E-mail:52304264@qq.com

林峰(1963－)，男，博士，教授級高級工程師，研究領(lǐng)域:材料學(xué)、超硬材料。E-mail:linf6316@sina.com

陳超，彭少波，陳家榮，等.超薄天然石板材切割現(xiàn)狀及金剛石線切板技術(shù)研究［J］.超硬材料工程，2016，28(6):41-45.