金剛線多線切割機(jī)在天然石材荒料板材加工領(lǐng)域的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化可行性分析

林培林

（廈門品河機(jī)械制造有限公司， 福建 廈門 361000）

引言

石材作為一種重要的天然建筑材料，廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)承重、家裝地鋪、內(nèi)外墻飾面和雕刻藝術(shù)等方面。中國(guó)是世界上最大的石材生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)市場(chǎng)。中國(guó)石材協(xié)會(huì)公布的數(shù)據(jù)顯示，2020 年中國(guó)石材行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)1 萬(wàn)億元。石材行業(yè)作為我國(guó)重要的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)，其加工設(shè)備的提升將對(duì)石材產(chǎn)業(yè)整體水平的提升起到至關(guān)重要的作用。大部分的石材粗加工，首先需要把大塊石材荒料切割成15 mm、20 mm 等厚度的板材?，F(xiàn)在中國(guó)包括全世界所使用的傳統(tǒng)石材加工刀具都采用金屬合金刀頭，例如采用在圓鋸片、鋼帶上焊接合金刀頭或燒結(jié)串珠的方式，通過(guò)設(shè)備帶動(dòng)合金刀頭高速運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)石材的切割，達(dá)到分離石材的效果。

1 傳統(tǒng)石材設(shè)備和刀具的缺點(diǎn)

1）加工鋸縫大，成材率低。由于燒結(jié)的刀頭焊接在金屬基體上，基體需要有一定的厚度來(lái)保證強(qiáng)度，基體厚度一般達(dá)到2～7 mm，而刀頭的厚度則需要略大于基體。因此傳統(tǒng)的石材加工方式將形成3～8mm的鋸縫。石材的鋸縫就是損耗掉的石材，石材在刀頭切割過(guò)程中被磨削，從而形成廢水、廢渣和粉塵。具體包含兩方面：一方面，鋸縫的存在影響了石材的成材率，以較普遍的花崗巖圓盤鋸鋸切15 mm 板材厚度為例，鋸切形成了5 mm 左右的鋸縫。這樣的圓盤鋸加工方式的成材率僅僅為75%，其余25%的原材料將成為廢棄物，這些廢棄物不僅浪費(fèi)原材料，而且廢渣風(fēng)干之后還容易成為粉塵、加工廢水中的有害化學(xué)物質(zhì)也容易污染地下水，可以說(shuō)鋸縫的存在就是石材加工中造成污染的最根本源頭。另一方面，鋸縫還造成了石材的浪費(fèi)，降低了利潤(rùn)。如何減小鋸縫、提高成材率，是石材從業(yè)人員永恒的探討話題。

2）金屬基體在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)抖動(dòng)大，對(duì)石材形成的附加力強(qiáng)，使得鋸切的石材必須保持一定的強(qiáng)度，不然很容易破損石材。天然石材屬于脆性材料，其天然地存在一定的裂紋、雜質(zhì)，這使得傳統(tǒng)設(shè)備目前最薄只能加工到10 mm，無(wú)法一次性在石材荒料上加工出超薄的板材。

3）較大尺寸的鋸切基體使得帶動(dòng)切割工具的設(shè)備體積和功耗也隨之變大，同時(shí)剛性金屬基體刀頭與石材直接的剛性碰撞，由此產(chǎn)生的噪聲可以達(dá)到130 dB 以上，且尖銳刺耳的聲音大大降低了從業(yè)人員的工作舒適度。剛性基體高速運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的慣性使得設(shè)備本身振動(dòng)大，機(jī)身必須加重、加大，以保證切割的穩(wěn)定性，隨之帶來(lái)了設(shè)備的較大占地面積和對(duì)安裝設(shè)備預(yù)埋基礎(chǔ)要求的提高。橋式龍門鋸石機(jī)最大鋸片直徑3.3 m，每片超過(guò)500 kg，一組鋸片超過(guò)1 t，整機(jī)設(shè)備也超過(guò)15 t。鉆石拉鋸每臺(tái)設(shè)備自重超過(guò)50 t，有的多股繩鋸機(jī)自重更是超過(guò)60 t，功率超過(guò)200 kW。單單是安裝設(shè)備時(shí)混凝土基礎(chǔ)就是一筆不小的開(kāi)支，進(jìn)一步增加了成本。

綜上得出結(jié)論，現(xiàn)階段石材加工設(shè)備和工藝主要圍繞燒結(jié)的金屬刀頭展開(kāi)，雖然工程師試圖通過(guò)減小刀頭的厚度降低各種損耗，但是隨著刀頭的不斷變薄，工藝難度越來(lái)越大，成本也越來(lái)越高，同時(shí)也帶來(lái)了切割設(shè)備精度上的要求和不可避免地帶來(lái)了對(duì)加工對(duì)象上的一些特殊要求和加工效率上的妥協(xié)。因此金屬刀頭自身屬性使得承載刀頭的基體無(wú)法無(wú)限制地變薄。想要大幅度地降低鋸縫，就必須要尋找一種全新的能夠擺脫片狀金屬基體來(lái)切割石材的新工具。

2 金剛線線鋸的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

1）金剛線也稱線鋸，是一種在直徑為0.05～0.50 mm 細(xì)的鋼絲線上面電鍍一層金剛石顆粒，并通過(guò)鍍鎳層包裹金剛石形成的硬脆材料切割工具。金剛線自2013 年起從日本開(kāi)始引入中國(guó)，并迅速在硅晶片加工行業(yè)得到應(yīng)用和普及。它是通過(guò)表面凸起的金剛石在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，對(duì)所接觸的工件表面實(shí)現(xiàn)磨削，進(jìn)而對(duì)工件進(jìn)行切割。金剛線早已廣泛應(yīng)用于光伏行業(yè)加工硅晶片，現(xiàn)在已經(jīng)普及至藍(lán)寶石、磁性材料、光學(xué)玻璃、石墨、陶瓷和泡沫鋁加工等領(lǐng)域。從目前金剛線的應(yīng)用領(lǐng)域上來(lái)看，所加工硬脆材料的莫氏硬度等級(jí)為2～9 級(jí)。從這里可以看出，金剛線的加工能力強(qiáng)，對(duì)不同硬度等級(jí)的材料能夠進(jìn)行良好的切割。天然石材的硬度為：大理石在2～5 級(jí)，花崗巖硬度4～6 級(jí)，少數(shù)花崗巖和石英石的硬度達(dá)到7 級(jí)。對(duì)比金剛線應(yīng)用最廣泛的硅晶片，硬度等級(jí)達(dá)到7 級(jí)，無(wú)論從加工速度還是加工耗材成本上看，金剛線加工7 級(jí)硬度的硅都經(jīng)受了市場(chǎng)的考驗(yàn)與認(rèn)可。從金剛線和多線切割機(jī)的原理上分析，金剛線切割具有線徑小、柔性切割的特點(diǎn)，在加工過(guò)程中加水、油等冷卻劑及時(shí)地進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，對(duì)所加工的工件不產(chǎn)生額外的熱量，具有加工精度高等特點(diǎn)。

2）放眼有關(guān)金剛線加工的場(chǎng)景，絕大多數(shù)集中在光伏硅晶片和磁性材料切割領(lǐng)域。權(quán)威統(tǒng)計(jì)表明，中國(guó)的光伏硅晶片加工占了世界95%以上的市場(chǎng)，中國(guó)目前的金剛線產(chǎn)銷量也占了全世界98%以上的份額，中國(guó)幾乎在金剛線應(yīng)用領(lǐng)域端壟斷了世界的應(yīng)用端需求。因此，包括石材機(jī)械王國(guó)意大利，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，國(guó)外也很難有研發(fā)金剛線和設(shè)備的條件與土壤。這也導(dǎo)致了金剛線在石材應(yīng)用端很大概率上也將發(fā)生在中國(guó)。如果能夠研發(fā)并普及專用的石材金剛線多線切割機(jī)，并且使之穩(wěn)定高效生產(chǎn)，以金剛線線徑小、高速柔性的特點(diǎn)，那將會(huì)改變傳統(tǒng)石材設(shè)備鋸縫大和難以直接在荒料上加工出超薄板的痛點(diǎn)，對(duì)行業(yè)起到一個(gè)顛覆式創(chuàng)新的作用。這不僅將大大提高石材加工的成材率，大幅地降低加工超薄板的難度和成本，同時(shí)將改善石材加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢水、廢渣、粉塵和噪聲污染，改善加工行業(yè)，影響行業(yè)生產(chǎn)格局，響應(yīng)了國(guó)家關(guān)于節(jié)能減排的號(hào)召。

3）現(xiàn)有金剛線設(shè)備的加工對(duì)象主要是硅晶片、磁性材料、光學(xué)玻璃等較小巧的對(duì)象，絕大多數(shù)加工尺寸低于300 mm。而在單線環(huán)形金剛線設(shè)備領(lǐng)域，目前在天然石材領(lǐng)域使用的僅有翡翠、寶石的加工，但是切割效率低，且環(huán)形金剛線的成本相較于開(kāi)環(huán)金剛線要高上幾十倍，只適合高價(jià)值的天然昂貴寶石，環(huán)形金剛線并不適用于常規(guī)普通石材的加工，是無(wú)法普及到普通飾面石材的加工。而天然的石材應(yīng)用領(lǐng)域尺寸則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)300 mm，家裝領(lǐng)域應(yīng)用的鋪貼石材成品尺寸大多數(shù)大于600 mm×600 mm 或800mm×800mm，背景墻有的超過(guò)3000mm×2000 mm，而且有越來(lái)越大的趨勢(shì)。在荒料大板加工領(lǐng)域，加工尺寸往往需要達(dá)到能夠加工3 000 mm×2 000 mm的大板。這樣規(guī)格的尺寸現(xiàn)有的針對(duì)小規(guī)格硅晶片的金剛線多線切割機(jī)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)辦法直接應(yīng)用的。同時(shí)，硅片切割的金剛線直徑在0.05～0.07 mm，張力控制在4～9 N，切割厚度僅有0.2 mm，一次性切割超過(guò)2 000 片。而天然石材尺寸長(zhǎng)寬高一般超過(guò)1 500 mm×2 500 mm×1 500 mm，重量超過(guò)20 t。傳統(tǒng)設(shè)備的加工尺寸能夠達(dá)到3 000 mm×2 000 mm×2 000 mm，厚度一般為15～25 mm，一次性切割80～120 片。因此，對(duì)金剛線多線切割石材也需要針對(duì)石材的特點(diǎn)作一些特殊的改進(jìn)。例如，切割的石材跨度大，為了保證金剛線的強(qiáng)度，需要把金剛線加粗，使得金剛線切割時(shí)候張力加大，降低斷線率。同時(shí)需要把加工行程加大，一次切割的片數(shù)控制在50～120片，同時(shí)加大切割的厚度，這樣才能滿足石材行業(yè)的需求。

3 金剛線石材多線切割機(jī)的研發(fā)進(jìn)度

據(jù)悉，廈門品河線鋸公司在金剛線石材應(yīng)用切割的探索已經(jīng)走在國(guó)際的最前沿。在此之前，專門用于石材荒料加工的金剛線多線石材切割機(jī)，不管是在中國(guó)還是石材機(jī)械最強(qiáng)國(guó)意大利，都沒(méi)有在石材廠成功應(yīng)用的案例。廈門品河線鋸公司在金剛線剛開(kāi)始在國(guó)內(nèi)應(yīng)用時(shí)就已經(jīng)研究其應(yīng)用的可行性，并早在幾年前就全力進(jìn)行金剛線切割石材設(shè)備的研發(fā)。目前已經(jīng)成功研發(fā)出數(shù)臺(tái)金剛線多線切割機(jī)樣機(jī)，成功實(shí)現(xiàn)在荒料上直接一次性加工出80 片以上厚度為3～5 mm 的超薄板材，鋸縫僅為0.5 mm，板材尺寸為3 000 mm×1 000 mm，為金剛線在石材加工領(lǐng)域的應(yīng)用普及鋪平了道路。廈門品河線鋸工程研究中心已牽手廈門大學(xué)、集美大學(xué)等福建知名院校，目前正全力攻克技術(shù)難關(guān)，相信在不久的將來(lái)，更大規(guī)格的石材金剛線多線切割機(jī)將逐漸在市場(chǎng)上得到應(yīng)用和普及，為石材行業(yè)的節(jié)能減排、超薄化作出貢獻(xiàn)。