金刚石主要切割技术对比分析及展望

林娜，胡滨铠，林明山



金刚石主要切割技术对比分析及展望

林娜，胡滨铠，林明山

（漳州职业技术学院 机械与自动化工程系，福建 漳州 363000）

介绍了圆盘锯片切割、锯条切割和串珠绳等三种金刚石主要切割技术，分析了三种切割技术的切割机理、切割效率和经济效果，对石材加工厂合理选择切割技术起到了一定的指导作用。

金刚石；切割；对比；展望

引 言

石材作为装饰材料，颇具庄重、耐用、典雅的特点，在建筑物、广场、家装等场合广泛应用，石材的需求量逐年提高。因此，围绕提高出材率，降低切割成本，切割大规格板材等方面技术，成为国内外石材设备研发及石材加工厂选择的重点。近年来，人造金刚石在石材加工应用上取得巨大的成功，圆盘锯片切割技术、锯条切割技术和串珠绳切割技术成为用于切割石材最成功的金刚石切割技术，大幅度降低了石材加工的成本，在石材加工中发挥了重要的作用。由于这三种切割技术存在较大差异，因此有必要进行对比分析，以供参考。

1 金刚石主要切割技术

1.1 圆盘锯片切割技术

圆盘锯片切割技术是最早用来切割石材的金刚石切割技术之一，是以金刚石圆盘锯片为切割刀具将石材切割为具有一定厚度的板材或块料的加工技术，具有设备操作简单，切割工艺参数易控制，加工效率高等特点。但因圆盘锯片依靠传动轴驱动，锯片切割的深度不能超过其直径的40%[1]，这就限制了加工大板石材的能力。

目前，采用此切割技术增加加工幅面宽度的主要方法有：(1)用上下配对锯片进行对剖的方法，相当两台切割机同时加工；(2)对石材进行调头两次装夹、分两次加工；(3)增大锯片的直径。前两者操作难度大，加工的板材质量差使用较少，比较多的选择是增大锯片的直径。然而，直径在2 200mm以上的锯片，随着直径的增大，考虑锯片应有的强度，则应相应增加锯片基体厚度和金刚石刀头宽度，增加基体材料及刀头的消耗，相对的制造工艺也较复杂、精度控制也困难，其制造成本呈倍数增加。此外，石材加工中锯缝宽度也同步增大，减少石材出材率，这样导致综合成本增加，若过分增大锯片直径以满足切割大板需要，虽解决了加工大幅面板材的问题，但影响圆盘锯片切割加工的低成本优势。基于种种因素考虑，直径1 600mm的圆锯片是最常用的规格，其最大切割深度一般为600mm。

1.2 锯条切割技术

锯条切割技术就是把金刚石刀头镶嵌在特殊钢板上制成锯条，然后把锯条安装在锯框里，驱动系统带动锯框往复运动切割石材的加工技术，也叫框架锯切。根据刀头运动速度缓慢和往复运动的特点，又金刚石锯条切割没有轴心的限制，成为可以加工大板石材的主要工具。锯条切割石材时，依靠刀头与石材磨擦，把石材切开，不需要钢砂作为磨料，因此在锯条上不需要留磨料进给槽。因金刚石具有高硬度、耐摩擦、易脆、抗碰撞差等特点，在采用锯条切割石材时要采取直线运动方式，不能采取摆线运动方式。

这种锯条常用的规格，长度有4 300mm、4 350mm、4 400mm，总宽度为188.5mm，厚度为3.5mm，刀头横断面为梯形，长为20mm，高为8.5mm，上窄下宽，窄部宽度为4.7mm，宽部宽度为5.2mm，采取上窄下宽形状的作用钢板与石材之间有间隙，防止切割过程中石板夹住锯条，同时也是为了较好的散热。

金刚石刀头镶嵌的数量是根据锯条的长度而定，按一定规律采用非等距离排列，以减轻锯条的振动，提高锯条工作效率，延长刀头寿命。例如GASPARI公司的锯条排列规律是在奇数号间距发生变化，不在偶数号间距发生，偶数号间距都是60mm，奇数号间距依次为：55、95、110、115、120等[2]。

1.3 串珠绳切割技术

串珠绳切割技术是把金刚石镶嵌在钢丝绳上，随着钢丝绳的拉动将石材切割成一定厚度板材的加工技术。这种切割技术把金刚石的高硬度和钢丝绳的高柔性结合在一起，起到刚柔相济的作用，在石材开采、异形石材加工及特殊工况领域都能发挥作用，而这些领域加工条件相对恶劣，加工工具受力复杂，锯条切割和圆盘锯片切割难以涉及。例如，在矿山开采加工时串珠绳可以穿过预先开凿的小孔，以弯曲的形状切割荒料；在建筑物的拆除中，串珠绳可以绕过拆除对象进行切割。但因技术和成本的因素，这种切割技术未能发挥其应有的潜力，还未能广泛推广。

串珠绳在切割时，切割曲线上各个部位的切割速度与该点所受串珠绳的正压力成正比，而串珠绳对被切石材的正压力跟该点的曲率半径有关[3]。曲率半径大的部位所受正压力小，切割速度慢，因此要考虑加工曲线多变性。这样，被切割石材表面若有凸出或凹陷部位，因其较小的曲率半径而得到快速的切割，其它曲率半径较大的部位则切割速度缓慢，从而使凸出或凹陷部位很快被切入而跟周边趋于一致。这种切割速度自动调节的结果，使串珠绳的切割曲线的曲率半径最终趋于一致，接近于圆弧的形状[1]。

2 三种切割技术对比

2.1 切割机理

三种金刚石切割技术都是采用切割去除材料的方法加工，主要区别是刀头的基体和切割运动方式不同，所以应用范围不同。

用圆盘锯片切割石材时，金刚石刀头被固定在基体上，既绕轴心做圆周运动，又随着切割进给做直线运动，两种运动综合作用的结果，其侧面和端部同时受到磨损。因此，在切割过程中，基体的磨损速度应略大于金刚石的磨损速度，使金刚石不断出刃，锯片保持锋利。若基体磨损速度低于金刚石或过慢，则影响金刚石出刃，就不能正常发挥切割作用，同时锯片产生大量的热量就难于散出，严重时导致锯片发生变形，或因夹锯而损坏基体。相反，若基体磨损太快，则造成金刚石没有依托出现脱落，导致寿命缩短。由于侧面磨损的存在，目前刀头基本采用多层结构，外层采用更耐磨或者更高强度的金刚石，以确保刀头磨损后，外观上仍保持原来的形状。

用锯条切割石材时，切割轨迹是直线运动，刀头的外形磨损情况与圆盘切割类似。但因锯条是低速往复运动，金刚石的磨损情况跟圆锯有较大的差距。

用串珠绳切割石材时，串珠绳的受力情况和切割轨迹比较复杂，随着切割的条件不同而变化；切割的运动轨迹既非直线，也非圆锯那样由两种运动的复合，这些是研究串珠绳切割机理的难点。

2.2 经济效果

从切割轨迹上分析，锯条切割采用的是直线切割方式，圆盘锯片切割采用的是圆周运动方式，而串珠绳切割则以曲线运动方式来实现；前两种加工技术简便、易控制，而后者的加工曲线复杂，难以控制，后者的技术含量高，加工成本也高。

但直线或圆周的运动方式切割，只胜任形状简单的加工；而曲线运动方式切割，在加工形状上几乎没有限制，适应性更强。前者与后者相比，加工效率高、出材率高、设备操作简单；缺点是切深受锯片直径的影响，加工板材幅面小，劳动力成本高等。

综上所述，锯条切割技术适合大板的加工，圆盘锯片切割技术适合小规格板材的加工，保持简便、高效的优势。串珠绳切割技术因成本、技术等因素所限，目前应用领域主要在矿山开采、异形石材加工和工程拆除等方面[4]。因此，最经济的选择是根据不同工作环境，不同加工对象选择加工技术。

3 金刚石切割技术的展望

随着粉末冶金技术的发展，人造金刚石的诞生，用于石材加工的人造金刚石的耗用量量直线上升，约占全国总量的90%[5]。用金刚石刀具加工石材的技术和工艺方法将成为主流，三种主要切割技术将各自挖掘潜力不断发展。

1）圆盘锯片切割技术

随着圆盘锯片切割技术应用领域的扩大，保持低成本，提高切割效率是此种切割技术的优势，随着机械、电子、冶金等科技进步，将走向多锯片组合加工，继续走高效率方向，并根据产品的加工对象、锯机的转速和功率、加工工艺和操作习惯等不同，研发相应产品；同时加强对切割大幅面板材的研究，最新有研究提出新型组合式石材切割圆盘锯[6]，把圆锯基体圆盘改为圆环，使驱动轴轴心与圆锯基体圆盘不同心，增大切割深度。如果该项技术研究成功，那么切割大幅面石材时就能替代超大直径锯片及结构庞大的双锯片对剖加工。

2）锯条切割技术

为适应大规格大理石板生产的需要，大理石金刚石切割的冲程和切割宽度越来越大，功能越来越完善，正朝着大规格、高精度、高效率、节能、高自动化控制方向发展。国外有学者[7]已研究出冲程800mm和l 000mm两种，切割宽度2 000mm，切割运动采用四杆机构，近似直线运动，用双连杆来稳定锯框直线度，整机重量在同类型产品中最轻，属国际领先水平。

3）串珠绳切割技术

串珠绳切割技术在矿山开采、异形石材加工和建筑市场方面前景看好，被国际石材加工领域确定为21世纪最优化发展的高新技术领域。目前国外在研制生产不同结构的多绳串珠绳，一次可安装80条。同时研究提高金刚石的烧结技术，以减少串珠直径，减少串珠绳的消耗成本，减少锯缝带来的石材损失。

总之，石材切割技术的市场潜力在于大幅面板材的切割，随着多绳式串珠绳切割技术的出现，将与圆盘锯片切割、锯条切割技术形成竞争势态。

4 金刚石切割技术应用

金刚石圆盘锯可分为外圆切割和内圆切割两种，外圆切割主要用于石材的切割，房屋、桥梁、路面等建筑的拆除、改建；内圆切割在硬脆材料切割领域中广泛应用，发展速度相当迅速，特别适于切割硅晶体、陶瓷及硬质合金硬质材料及薄片硬质材料，近期有研究表明采用电镀金刚石圆盘锯可切割超薄材料[8,9]。金刚石圆盘锯及金刚石锯条都可用于切割石材等硬质材料，但主要用于切割直线型的，若有曲线形状则应采用金刚石串珠锯。金刚石串珠锯是近十几年才发展起来的切割方法，最初用于开采石材，后来也用于建筑物、桥梁混凝土结构的拆除与改造，也用于切割玻璃等材料[10]；近年来有报道显示金刚石串珠可用于切割海底输油钢管[11]。

5 小 结

石材加工业依靠机械、电子、冶金等科技进步不断提高加工技术，人造金刚石已得到广泛应用，三种主要的金刚石切割技术各有特点，锯条适合大板的加工，圆盘锯片适合小规格板材的加工，保持简便、高效的优势，串珠绳既适用大板的加工，又具有高效率、出材质量好等优势，但技术要求高、加工成本也高。随着金刚石烧结技术的不断进步，金刚石串珠绳切割技术将不断降低制造成本，减少加工消耗，这项技术将被逐步采用。石材加工厂最经济的选择是根据不同工作环境，不同加工对象选择加工技术。

[1] 唐存印.几种金刚石工具切割石材分析[J].珠宝科技,2004(5):40-43.

[2] 姜华九,姜国森.对切割大理石用金刚石锯条的要求[J].石材,2003(12):32-33.

[3] 刘宝昌,张祖培,等.金刚石绳锯的切割轨迹及切割机理研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2002(6):17-20.

[4] 吕智,唐存印.金刚石绳锯技术的发展和未来[J].珠宝科技,2004(4):1-4.

[5] 李春林.国内金刚石锯片基体的发展现状和走势[J].石材,2008(6):24.

[6] 王军,王志.宽幅大理石板材切割设备初步研究[J].现代制造技术与装备,2006(2):36-37.

[7] 谭金华.国内外金刚石框架锯的现状及发展趋势[J].石材,2004(10):29-31.

[8] 高伟,刘镇昌.超硬磨料在硬质材料切割中的应用[J].金刚石与磨料磨具工程,2001(3):26-29.

[9] 唐营,何伟春.超薄金刚石切割片的研究及应用现状[J].超硬材料工程,2002(3):34-36.

[10] 张进生,张政梅,王志.新型石材回采金刚石串珠锯研究及创新设计[J].金刚石与磨料磨具工程,2006(4):17-20.

[11] 王茁,张渡,王立权,等.金刚石串珠绳锯水下切割海底输油钢管试验研究[J].金刚石与磨料磨具工程,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，硕士，研究方向：材料物理与化学性能、材料成型技术。

TG142

A

1673-1417（2013）02-0011-04

（责任编辑：季 平）