Φ3.5mm金刚石串珠绳的锯切工艺研究

陈家荣，林 峰，肖乐银，谢德龙，潘晓毅，莫培程，陈 超

(1.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西 桂林 541004；2.国家特种矿物材料工程技术研究中心，广西 桂林 541004；3.广西超硬材料研究开发重点实验室，广西 桂林 541004)

1 引言

金刚石串珠绳自研发应用以来经历了不断的革新变化，应用领域不断拓展[1]。其已经从刚刚开始的矿山开采[2]应用到各种建筑[3]、船舶[4]及水底物体[5]的锯切再到超薄花岗岩和大理石大板锯切及异形面板材加工，使其在众多领域得到了广泛的应用[6,7]。在超薄花岗岩和大理石大板生产中，过去主要的方法是先使用框架金刚石排锯或圆盘锯组锯将石材荒料切割成20mm厚的毛板，再使用大型圆锯片或金刚石带锯剖切石板成为两块4～8mm的超薄板[8,9]。采用金刚石圆锯片切割是目前最主要切割方式，为了满足超薄石材的批量加工要求，市场上新研制出多组锯片切割设备，是将20mm的厚板立起、夹紧，将圆锯片组合起来进行切割，最薄切割8mm的薄片尺寸600mm×600mm，切缝5～10mm，不过，圆锯片加工尺寸受到约束，最大不超过它的半径，随着半径增大锯片厚度也增大[10,11]。而随着市场需求，石材是朝着更薄更大尺寸的方向发展，这两种切割设备因此难以满足市场的发展需求。而现有的如图1A和图1C所示的无压烧结的金刚石串珠，其直径分别为11.5mm和6.5mm，图1B所示电镀金刚石串珠其直径为11.0mm，上述金刚石串珠制备的金刚石串珠绳锯切加工时切缝大，石材成材率低，石材资源得不到充分利用，而且由于现有金刚石绳锯比较粗，锯切加工时耗能大，噪音大，废渣排放量也大，加重了环境污染[12]。所以只有小直径金刚石串珠绳锯可以满足超薄石板的加工需求[13]。目前，关于Φ3.5mm的金刚石串珠绳使用的工艺方法鲜有报道，而Φ3.5mm的金刚石串珠绳适合哪种类型的绳锯机使用也尚未发现报道，Φ3.5mm小直径金刚石绳锯的应用中不仅要把金刚石串珠绳直径做小而且要将其与设备充分结合，使其应用达到最优以节省石材加工成本。因此，选择适合的设备并开发使用工艺对小直径金刚石绳锯应用于切割大尺寸超薄板更具有重大意义。

本文主要研究了小直径金刚石绳锯的制作工艺以及其在不同设备上应用的概况，并用其切割了花岗岩和大理石，分析了小直径金刚石绳锯上的金刚石的抛光机理。

2 实验材料、设备及方法

2.1 材料及设备

桂林平乐开采的花岗岩石材一批，桂林大理石一批；加工完好的串珠基体一批，电镀药品若干，高强度柔性不锈钢钢丝直径1.5mm规格1×7 SUS304一批，直流电源一台，电镀槽两个；3.5m闭环线锯机一台，6.8m闭环线锯机一台，龙门吊一台，super eyes 数码显微镜一台。

2.2 实验方法

由于串珠绳的制作工艺比较多样化，本文选择了传统的制作方法，在具备柱形面的金刚石串珠基体上电镀镍与金刚石的复合镀层制备得到小直径金刚石串珠，串珠内孔直径为1.7mm，外直径3.5mm，如图1D所示，串珠套入直径1.5mm的闭环钢丝绳，使用聚氨酯(TPU)注塑得到小直径金刚石串珠绳，图2是环形小直径金刚石串珠绳的光学照片。小直径金刚石串珠绳长度可根据设备的需要制成3.5m和6.8m两个规格的长度以适应设备使用。小直径金刚石串珠绳切割石材时的线速度可以通过控制设备主动轮的转动速度实现。由于小直径金刚石串珠绳在使用过程中会受到不同设备结构的影响而遭受损伤或者金刚石被抛光而失去切割效率甚至失去切割能力，因此在切割中采用了两种不同结构的金刚石绳锯机测试使用效果，图3A为侧进料式绳锯机示意图，图3B为龙门式绳锯机示意图。通过控制水流观察切割效果，通过记录绳子的弯曲情况了解小直径金刚石串珠绳的切割能力，通过光学数码相机记录注塑的塑胶的磨损情况以及被加工材料的表面形态以及通过光学显微镜观察金刚石被石材抛光的情况。

3 实验结果与讨论

3.1 设备对金刚石线锯的影响

两种不同的绳锯机锯切花岗岩时会受到线速度与给水量的影响，在线速度30m/s时改变给水量测试切割效果，在给水量1L/min时改变线速度测试两种不同结构的设备的切割效果并记录了现象。

图1 金刚石串珠光学照片Fig.1 Optical photograph of Diamond BeadsA.直径11.5mm金刚石串珠 B.直径11.0mm金刚石串珠 C.直径6.5mm金刚石串珠 D.直径3.5mm金刚石串珠

图2 环形小直径金刚石串珠绳光学照片Fig.2 Optical photograph of diamond wires in ring shape

图3 金刚石串珠绳切割石材示意图Fig.3 Schematic diagram of diamond string cutting stonesA.侧进料式绳锯机 B.龙门式绳锯机

表1 线速度30m/s给水量对切割状态的影响

表2 给水量1L/min线速度对切割状态的影响

表1与表2数据显示，给水量1L/min时侧进料式绳锯机绳子出口在出水雾的同时还会飘出少量的灰尘，当水量提升到4L/min时绳子出口不再飘灰尘。通过观察并分析，其主要原因是侧进料式绳锯机水流受到高速运行的串珠绳产生的气流影响致使绳子出口端水流不足及切割过程绳子弯曲水到达出口下端不足而产生灰尘，图4A是侧进料式绳锯机切割过程示意图，绳子下端的出水口存在浇水死角，只有加大水量才能使死角得到润湿。注塑用的聚氨酯TPU表面也由于下端出口水量不足而发热进而导致皮熔化并黏连切削发黑；同时由于金刚石串珠发热，绳子上的金刚石串珠与聚氨酯界面结合力降低并裂开进水及渗入切削，使得钢丝绳产生自磨损而发黑，水流量加大后绳子出口端水流得到补充，润湿条件达到要求，绳子保持良好。龙门式绳锯机在使用过程中用水量少，且容易控制，因为其改变了水流的方式，水从线速度进口方向进入，被绳子的串珠及气流带起一部分，最后由于重力作用又回到了切口继续润湿切割位置，因此给水量虽小但其润湿效果良好。龙门式绳锯机金刚石绳锯外观整体保持良好，注塑用的聚氨酯TPU保持干净透明。

图4 切割过程示意图Fig.4 The cutting process diagramA.侧进料式绳锯机 B.龙门式绳锯机

3.2 切割面积与小直径金刚石线锯弯曲角的关系

小直径金刚石线锯弯曲角是其离开原始位置的角度，在切割花岗岩或大理石的过程中进给速度保持不变时，小直径金刚石线锯保持一定弯曲角。图5为小直径金刚石线锯切割花岗岩时的弯曲角随切割面积的变化曲线。图6为小直径金刚石线锯切割大理石时的弯曲角随切割面积的变化曲线。曲线基本表现为金刚石绳锯切割石材的量越大其弯曲角度就越大。随着切割量的增加金刚石锋利度会下降，受金刚石锋利度下降的影响，小直径金刚石线锯弯曲角会越来越大甚至会扯断绳锯。一开始由于龙门式绳锯机绳子的跨度大，绳子受力的杠杆长度大其表现出比较大的弯曲角，后面的曲线由于侧进料式绳锯机的绳锯金刚石破损或者被抛光，锋利度下降绳子磨损相对较快，其金刚石串珠绳的弯曲角度比龙门式绳锯机的大。

图5 弯曲角度与花岗岩面积的曲线Fig.5 The Curve of bending of angles and granite areasA.侧进料式绳锯机 B.龙门式绳锯机

图6 弯曲角度与大理石面积的曲线Fig.6 The curve of bending angles and marble areasA.侧进料式绳锯机 B.龙门式绳锯机

图5A为侧进料式金刚石绳锯机测试曲线，其弯曲较快主要是因为其使用的是3.5m小直径金刚石串珠绳，而图5B所示的是龙门式金刚石串珠绳使用的6.8m串珠绳，而且切割的花岗岩使小直径金刚石串珠相对损耗较快，所以切割过程中其弯曲角偏大的变化率大。图6所示为小直径金刚石线锯切割大理石的测试，相比于图5所示切割花岗岩，小直径金刚石串珠绳达到最大允许弯曲角前切割大理石的面积是切割花岗岩面积的三倍。

3.3 金刚石被抛光失效

金刚石失效有多种方式，其中最为常见的是金刚石破碎[z]和金刚石被抛光，金刚石被抛光的测试过程中为防止由于浇水不当而干扰实验结果，采用了浇水较容易的龙门式绳锯机进行测试。金刚石晶体结构中的主要晶面有(100)、(110)和(111)，(111)面为金刚石解理面。对金刚石抛光加工的理论主要是通过研究八面体金刚石(111)、(001)和(011)面的抛光而提出的[14]。而本实验中是金刚石被抛光，被抛光的位置是金刚石(111)、(001)和(011)三个面组成的角。图7为小直径金刚石线锯上的串珠的数码电子显微图，图7A为未使用过的串珠，图7B、C、D、E、F为不同线速度的小直径金刚石线锯切割1m2花岗岩后其串珠表面的数码电子显微图。图7B的线速度为25m/s，金刚石的边缘棱角出现了倒角，棱角和棱边出现了少量的磨损，棱边反光，说明其已经开始被抛光。对比B 25m/s、C 30m/s、D 35m/s、E 40m/s、F 45m/s的不同速度，我们发现随着线速度加快金刚石被抛光是越来越严重的，其中速度达到40m/s后金刚石被抛光特别明显，说明Φ3.5mm金刚石绳锯使用过程中不适合使用超过40m/s的线速度。

40 m/s的线速度使得金刚石更加容易被抛光，从而失去切割作用，40 m/s以上的线速度也会使得绳子发出共振的声音，造成绳子从设备上脱落，切出的石材板面有绳痕。

4 结论

Φ3.5mm金刚石串珠绳可以在龙门式绳锯机上使用也可以在侧进式绳锯机上使用。其中在龙门式绳锯机上使用其切割工艺更好控制，进水量更少，更节约水资源。

Φ3.5mm小直径金刚石绳锯切割大理石的面积可以达到其切割花岗岩面积的三倍。

图7 不同速度下使用的金刚石串珠表面Fig.7A.未使用 B.25m/s C.30m/s D.35m/s E.40m/s F.45m/s

Φ3.5mm小直径金刚石串珠绳使用过程中会出现金刚石被抛光的现象，在线速度提高到40m/s时其被抛光是最严重的，有效切割的金刚石边角被磨圆抛光。