金刚石框架锯条的研究、实践探索与应用

张云才, 李仁德, 胡 欢, 黄昌会

(黑旋风锯业股份有限公司，湖北 宜昌 443005)

1 引言

大理石板材以其丰富多彩的天然纹理、美观而自然的外观而越来越受到人们的广泛青睐，随着社会的发展，天然大理石板材已大量应用于宾馆、展览馆、影剧院、图书馆、机场、高铁站等公共建筑工程的室内外墙面、柱面、地面、窗台板、服务台的饰面等。

大理石从荒料加工成石材板料，一般采用金刚石圆盘锯、金刚石框架锯条和金刚石绳锯切割，但这几种工具切割方式的机理不一样，适应性也不同。金刚石圆盘锯切割可以满足各类石材的切割，其具有加工效率高，操作简单，投入小等优点；但金刚石圆盘锯切割加工的板材幅面受锯片尺寸影响大。一般金刚石圆锯片有效切割石材深度只能达到圆锯片直径的30%～35%。要扩大切割幅面，只有增加圆锯片直径，但大直径尤其是超大直径锯片、锯机的昂贵成本致使其高效、低成本的优势荡然无存。虽然可以使用对剖机进行大幅面板材的切割，但对剖机设备操作复杂，加工精度低。而超大直径的圆锯片基体在Φ2200mm以上，随着其直径的增大，因锯片基体的制造工艺复杂、精度控制困难等问题，使得锯片和设备的制造、使用成本都会呈指数倍数增加，更无法体现圆盘锯加工的低成本优势。

金刚石绳锯切割石材，经过多年来从国外引进并在国内不断发展，基本取代沙锯成为目前花岗石大板加工的主流设备，虽不像圆盘锯切割深度受直径的限制，但绳锯的操作复杂，综合切割成本高。并且绳锯的金刚石串珠直径一般在8～12mm左右，目前虽然很多厂商和研究院所做了很大努力，金刚石串珠直径虽然可以减小到6mm左右，但对于一般名贵荒料的切割，6mm的切割锯缝，也极大地浪费了荒料，导致成材率低、成本高。

基于传统的两种石材切割方式，为有效地提高荒料的成材率，降低石材的切割成本，石材加工行业越来越青睐于金刚石框架锯条的切割方式。金刚石框架锯条采用高速飞轮作为储能机构，大功率电机带动焊接了金刚石节块的锯条作为锯切工具，往复运动成组切割。一次性装机数量可达到25～150条，装机数量大，加工板材数量多，加工幅面也不受限制，一般石材板幅可以达到(4000×3000)mm，加工效率高。常规框架锯条厚度一般在2～3.5mm，较金刚石锯片和金刚石绳锯而言极大地减少了切割锯缝宽度，提高了荒料的成材率。随着框架锯机和框架锯条基体、框架锯条节块制造技术的不断成熟，虽然框架锯切割石材一次性投入大，但后期的切割效率、板材的成材率、切割成本、板面质量及操控性能好等综合优点明显优于金刚石圆锯片和金刚石绳锯，因此被越来越多的大理石切割厂家所重视，框架锯这一切割方式在行业内也不断普及和发展，据初步统计，目前在我国的广东云浮、福建泉州、江苏、重庆、上海、北京、湖北等地，框架锯机数量已经达到4000台左右，目前较为成熟地应用于大理石、软质(低硬度)花岗岩、人造花岗石等。同时这种类型的切割方式，也带动了框架锯条基体的飞速发展和大额需求。

金刚石框架锯机结构见图1所示。其加工原理为框架锯机中的主电机(2)带动飞轮(1)旋转，由连杆(3)驱动带滑动支撑的锯框带动其上的锯条(7)往复运动，实现切削，同时进给电机(4)可使锯框(6)向下运动或荒料向上运动实现进给。目前一台锯机一般可装25～150条金刚石框架锯条，其长度在2500mm～4500mm之间。由于切割条件的复杂性，对金刚石框架锯条的质量要求较高。

图1 金刚石框架锯机结构图Fig.1 The Structure chart of diamond frame saw machine

金刚石框架锯锯解加工原理如图2所示。

图2 金刚石框架锯锯解加工原理示意图Fig.2 The sawing and processing Schematic diagram of diamond frame saw

2 金刚石框架锯条的介绍

金刚石框架锯条作为金刚石框架锯切装备中最为核心的切割部件，由黑旋风锯业、北京安泰、广东奔朗联合起草了行业标准“超硬磨料制品 金刚石框架锯条”(JB/T 8000-2012)[1]。标准中对产品的结构组成、代号标记、基本尺寸、技术要求、试验方法等进行了详细的规定。金刚石框架锯条主要用于切割石材，可安装在各种类型的金刚石框架锯机上进行大理石板材的锯解加工。锯条基体的厚薄、宽窄、材料，以及金刚石刀头的结构对锯解加工效率、加工质量、加工成本和锯条的使用寿命等影响很大。

图3 金刚石框架锯条结构组成简图Fig.3 The Schematic structures of diamond blade frame

2.1 金刚石框架锯条的结构及参数

金刚石框架锯条由金刚石框架锯条基体和长方体(横断面为矩形)或方锥体(横断面为梯形)金刚石刀头通过高频钎焊焊接而成，刀头根据需要按等间距或不等间距有序分布，两端有两块端板固定钢带两端，并铣成燕尾槽，铆在钢带上，金刚石框架锯条的结构如图3。金刚石框架锯条长度随着所配大锯的型号不同而不同,比较常见的有4300mm,4350mm,4400mm。其宽度180mm(不包括金刚石刀头),锯条钢板的厚度有3.5mm、3.0mm、2.5mm、2.0mm以及薄至1.7mm等不同规格。

2.2 金刚石框架锯条刀头

金刚石框架锯条是通过焊接方式将基体和刀头连接在一起的，刀头是通过一定的金属粉末结合剂将金刚石颗粒和金属材料烧结形成的一定形状的烧结体。结合剂应具备一定的硬度、耐磨性和韧性。结合剂有四种：铜基、钴基、铁基和碳化钨基。在这些结合剂中，青铜结合剂运用得最多，价格低廉。另外，钴基结合剂效果最好，但其价格十分昂贵，不能大规模使用。结合剂中的添加成分主要有粘结成分、强化成分、骨架成分、亲和成分。采用不同基的结合剂，添加成分也不相同，使用效果亦不相同。针对不同地区的不同类别的石材，其刀头的配方是不一样的。

2.3 金刚石框架锯条基体

金刚石框架锯条在锯解加工过程中做往复运动，存在着较大的惯性冲击并承受进给方向切削力的作用，因此对锯条基体的要求很高，需要保证金刚石框架锯条在张紧使用时具有良好的刚性和较小的延展性，尤其是高的耐疲劳寿命。目前国内外广泛使用的金刚石框架锯条基体材料牌号见表1。

表1金刚石框架锯条基体材料牌号及化学成份

Table 1 The Diamond material designation and the chemical composition of diamond frame saw blade %

牌号CMnSiPSCrNiMoC75S0,70～0,800,60～0,800,15～0,35<0,035<0,035<0,4075Ni80,75～0,85<0,50< 0,35< 0,030<0,0300,20～0,501,70～2,0075Cr10.72～0.780.60～0.750.20～0.45≤0.35≤0.350.25～0.45≤0.25SKS510.75～0.81≤0.50≤0.35≤0.35≤0.350.20～0.500.20～0.50

2.4 金刚石框架锯条张紧及受力特性

金刚石框架锯条的安装、张紧是金刚石框架锯锯切石材大板的重要工艺，它决定了金刚石框架锯条在锯解石材过程中能否保证足够的刚度，能否保证锯解过程平稳，从而使得金刚石锯齿磨损较为均匀，提高锯条的使用寿命以及板材表面的锯切质量。金刚石框架锯条在锯框上的张紧由前后锯夹拉杆来保持和装夹，并通过液压张紧器来施加张紧力。张紧力的大小与锯条、锯夹的材料特性和锯解石材的特性等有关。

图4 金刚石框架锯条锯夹拉杆张紧机构简图Fig.4 The tension mechanism sketch of the sawing rod of diamond frame saw blade

3 国内外研究现状

3.1 国内外学术研究情况

金刚石框架锯条是最主要的石板材锯解加工工具之一。有关金刚石框架锯条的研究已进行了很多年，主要集中于金刚石框架锯条性能、锯切加工机理、锯切力等。

在金刚石框架锯条性能方面，王成勇、郭永昌等对锯条的张紧变形和受力特性进行了探讨分析，认为在锯切过程中张紧力的存在能够保证锯条的刚性但无法抵消锯切力的作用使锯条一直保持直线状锯切[2]。赵民、张浩等对金刚石框架锯条的固有频率进行了研究，通过改变金刚石框架锯条锯齿的长度、髙度和单位长度分布锯齿的数量，分析不同条件下金刚石框架锯条的固有频率和主振型图[3]；同时赵民等还对金刚石框架锯条基体与金刚石锯齿焊接缺陷进行了检测分析[4]。文献[5，6]分析了金刚石锯齿和锯条基体成分对锯条锯解性能的影响，对制造更加高性能的金刚石框架锯条具有很好的借鉴意义。

在锯切加工机理方面，广东工业大学的王成勇教授运用单个金刚石颗粒和单个金刚石锯齿结块进行切削石材实验，模拟金刚石框架锯条上金刚石颗粒和锯齿结块在不同加工条件下的切削过程，得到金刚石框架锯条锯切石材破碎机理模型[7]。Jerzy Rojek等用离散元方法对金刚石框架锯条锯切石材过程进行了数值模拟分析[8]。

在锯切力方面，R.Clause和J.Stangenberg在改进了Gerlach用的试验机上，通过八角环测力仪和计算机系统，对不同加工条件下金刚石框架锯条锯切多种大理石、砂石和石灰岩的锯切力进行跟踪测量，同时对金刚石锯齿磨损情况进行了分析[9，10]。王成勇、周莉、樊晶明等人通过研究分析得出金刚石框架锯条对加工过程中单个金刚石结块的受力取决于锯解石材种类、进给速度、切削速度、金刚石锯齿的分布间距、金刚石性质和金刚石锯齿性能等因素[11]。

3.2 国内外金刚石框架锯装备技术现状

根据中国石材协会在《石材》杂志[12]发表的文章显示，国外生产大理石金刚石框架锯的有6个知名公司,斯米可(SIMEC)公司、BM公司、葛斯巴利(GASPARIMENOTTI)公司、布莱顿(BRETON)公司、巴桑提(BARSANTI)公司、太马(TEMA-FRUGOLI)公司。为适应大规格大理石板生产的需要，各公司生产的大理石金刚石框架锯其冲程和锯切宽度越来越大,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。

根据中国石材协会资料显示,十多年来国内研发大理石金刚石框架锯的厂家有9个,其中广东佛山科达机电股份有限公司、福建晋江盛达机器有限公司、福建晋江和盛机械有限公司、上海飞宙机械设备有限公司、台湾五合兴有限公司是规模较大、技术较为成熟的厂家,这5家公司所生产的大理石金刚石框架锯代表了目前国产大理石金刚石框架锯的技术和制造水平。国内几种大理石金刚石框架锯的技术参数见表2：

表2 国内不同厂家大理石金刚石框架锯的技术参数(来源于《石材》杂志)

近年来，行业内有部分企业、高校和科研院所对用于锯切花岗岩的框架锯机进行了系统研究[13]，主要围绕锯机结构、锯切方式、刀头配方等方面做了系列研究试验及改进，目前已经开发出用于中硬度以下花岗石锯切的金刚石框架锯，锯切进给速度在4cm～10cm/h、锯缝在5mm左右。但在锯切加工过程中也出现了一些问题，金刚石框架锯条锯切时磨损较快、使用寿命低，易出现拉断现象而使锯切无法进行。

3.3 国内围绕金刚石框架锯条基体产品开展的研制工作及现状

在金刚石框架锯条基体用钢材料上，目前所有的锯条基体带钢材料均从德国、意大利、瑞士等西方发达国家进口，其材料均为冷轧料进行了热处理，处理后的调质态为光亮的卷料，但材料采购周期长，加工昂贵，在国内只需进行取长、铆接端板、校直、调张力及刀头焊接等常规加工，而核心关键的原材料及热处理控制技术仍掌握在西方发达国家手中，使得国内厂家在金刚石框架锯条基体与国外厂家相比各方面不具备竞争优势。国内众多企业也进行了国产化框架锯条基体的替代研究，有将原有的淬火油淬火改用硝盐淬火或分级淬火油淬火的，但大都材料组织结构不稳定，污染大，劳动强度高，生产效率低，品质稍好些的产品使用经冷轧后的原材料，但由于对材料本身和后续深加工处理的认识不够，受原材料供应状态及热处理关键加工工艺处理方式的限制，目前所有进行的国产化替代产品在市场试用时均出现锯条变形大、易被拉长、断带率高等突出问题而导致国产化替代的失败。

4 黑旋风开展的金刚石框架锯条的研究、实践探索与应用情况

为打破国外在金刚石框架锯条基体材料方面的垄断，极大降低该类材料的采购成本，黑旋风公司通过对原材料冶炼相关关键点的控制、材料带钢的冷加工、调质前的预处理、钢带调质等热处理工艺开展深入研究来整体提高材料热处理后组织结构均匀性及力学性能，形成完全国产化的金刚石框架锯条基体材料，并围绕锯条基体关键加工技术、新型“制造+服务”新模式的推出等进行了系列的研究与实践探索及应用。

4.1 国产化金刚石框架锯条基体材料的研究

4.1.1 通过广泛收集国外进口高端硬质合金锯片基体用钢75Cr1从热轧、冷轧及退火、淬火回火后的样品，从材料化学成分、夹杂物、脱碳层和金相组织等方面与国内样品进行对比分析研究，通过对比寻找差异，开展了原材料的基础分析研究。

4.1.2 原材料冷轧、热处理预处理工艺技术研究。目前国内硬质合金锯片基体的原材料普遍为75Cr1，原料为热轧或冷轧状态，其组织为粗大的片状珠光体，淬火加热时奥氏体晶粒易粗大且组织不均匀，淬火后马氏体晶粒粗大，材料应力集中，易导致变形和开裂；通过对德国、奥地利、瑞士等国的考察与技术交流，并对锯片基体用钢进行认真分析并试验，原材料进行冷轧、退火等工艺，使得材料热处理后表面质量好，板型变形小，硬度均匀，碳化物较多且分布均匀，组织晶粒度控制在8级以上。

4.1.3 带钢连续分级淬火热处理生产线的设计开发。依据“共析钢等温分级淬火得到马氏体组织”热处理工艺原理，设计开发出了带钢连续分级淬火热处理生产线。设计开发了等温分级淬火炉、加压熨平炉、在线连续回火炉等核心热处理设备，实现带钢材料的连续等温分级淬火与在线连续回火热处理。

通过近几年的持续科研投入和研究，目前已经掌握了金刚石框架锯条基体用材料的国产化并掌握原材料加工、热处理及相关加工关键技术。经过与国外进口材料进行比较，我们成功开发出的国产化金刚石框架锯条基体材料有如下优势：在化学成分方面已几乎接近进口材料，在有些方面甚至优于进口材料；经冷轧与和预处理后材料在夹杂物、金相组织、硬度、力学性能等方面与进口材料相比基本一致，在个别指标上还略胜一筹。

4.2 金刚石框架锯条关键加工技术

金刚石框架锯条较为成熟的工艺流程为：原材料→带钢热处理→带钢端面磨削加工→粗取长→精取长→校平→铆端板→锯条张力调整→刀头焊接。其加工关键技术如下：

4.2 .1 采用抬片法检测项目产品在受力条件下的平面度的变化，同时采用自由侧立的方式检测产品的弯曲程度，作为项目产品刚性的判断依据，据此相应的进行项目产品的校平。具体检测方法如图5所示。

图5 框架锯条基体张力值检测示意图Fig.5 Schematic diagram of the detection of the tension value of the frame saw blade

4.2.2 锯条张力调整：通过直线辗压的方式，提高项目产品的刚性，使其在受侧向力的条件下变形量最小，同时通过辗压，使基体受力端面形成一定量的侧弯，以使项目产品使用时在受径向力的作用下成一条直线，接近理想的切割状态。

在工作条件下，由于锯条下部边沿因切削力的作用将产生弯曲应力，使得锯条向上挠曲，并有可能产生侧向失稳导致锯割出现偏斜现象。锯条张紧的理想目标是希望在锯切前先施加一个与切削力导致的挠曲方向相反的挠曲，使得锯切时锯条可保持在水平状态，保证锯切时锯条上的锯切结块切削和磨损均匀。为此设计制作了专用的应力碾压机，通过直线辗压的方式探索研究出一套独特的碾压方法，对锯条基体适当部位进行冷作硬化提高项目产品的刚性，使其在受侧向力的条件下变形量最小，同时通过辗压，使基体受力端面形成一定量的侧弯，以使项目产品使用时在受径向力的作用下成一条直线，接近理想的切割状态。具体如图6、图7所示。

图6 锯条预置挠曲度的理想状态(1.0mm≤h≤1.5mm)Fig.6 The ideal state of the blade preset deflection (1.0mm≤h≤1.5mm)

图7 在切割条件下锯条的理想状态Fig.7 The ideal state of the saw blade under cutting conditions

4.3 金刚石框架锯条张力检测研究及应用

我们对目前在石材加工行业中普遍应用的框架锯锯条预张紧、调节过程及提出的测量锯片张力的方法进行概述，通过研发设计了一种简单易操作的框架锯锯条张力检测仪，对框架锯锯条预张紧进行检测研究，以此寻求一种锯条预紧力的快速测量方法，并用以指导生产上框架锯锯条的张紧与调节应用。

4.3.1 锯条预张紧、调节过程及锯条张力测量方法概述[14]

目前在石材加工行业中应用的框架锯，在锯条安装中采用的张紧方法是:使用百分表检验一定长度上锯条的水平度、垂直度和平行度，先安装好最边上一根锯条后，再向另一边依次安装，保持相互平行及间距相等。安装时先初步张紧锯条，待全部锯条安装完毕后再进行最后张紧，并将预张紧力适当增加。以上进行最后张紧的过程亦即生产现场所说的调锯。

普遍的锯条预张紧力的调节采用的是通过操作人员手动按压锯条，通过个人的感知，凭经验判断锯条是否张紧，但这属于一种定性的锯条张紧判断方法，不能定量地描述锯条的张紧程度和给出具体的调整目标。仅凭操作人员感知，同时过分依靠个人的经验，难以普及和推广，不能很好地满足当前石材加工行业对框架锯锯条在切割石材前的性能指标要求。

4.3.2 测量锯条张力的方法

目前提出的测量锯条张力的方法主要有:直接测量法、切削力法、Moire条纹法、动态电阻应变片法、振动法、电磁法等。

直接测量法是采用胡克定律，测量锯条长度的变化，该方法的主要问题在于偏心加载时难以对中，难以确定变形后锯片上某一点的位置变化，同时还受温度变化的影响，测量不够迅速且在生产现场不易实现。切削力法是通过切削力的计算估计锯条内部应力的变化，由于切削力实际上并不能完全反映张紧力作用后的锯条变化，这种方法并不常用。Moire条纹法需要往锯条上贴片，或采用树脂制作锯条进行试验，然后通过光学系统测定条纹的变化并计算应力应变值，实用性较低，不适合现场使用。振动法是利用锯条受力变形后其固有频率的变化来迅速测量预张紧力，为了测得固有频率的变化，对预张紧力和锯条长度有一定的限制。动态电阻应变片法是一种可以准确测量锯条各点变形，进而计算出应力的变化情况的有效方法，但在实际使用中存在布置动态电阻应变片的问题，也不适合锯条数量较多的现场使用。

4.3.3 框架锯锯条张力检测仪

框架锯锯条张力检测仪的工作原理是锯条在预张紧力作用下张紧，通过检测仪的施力机构对锯条某一点施加一给定值的力，检测仪的位移测量机构检测锯条在该力作用下该点处的位移，通过位移值来反映张紧力和锯条张紧的程度。此张力检测方法简单易行，对比上述提出的锯片张力测量方法，适合在框架锯机现场使用。该检测仪已申请并获得专利(专利号: ZL201210293899.1)，其检测示意见图8。

图8 锯条张力检测仪Fig.8 The blade tension detector

通过该检测仪对框架锯锯条进行张力的检测，取得框架锯中每根锯条在张紧拉力下的位移值，通过具体的位移数值定量的评价每根锯条的实际张紧程度，与标准锯条的张力位移值比较后，给出具体的调整目标，指导操作者准确且快捷地对每根锯条进行张紧力调整。该装置的使用，不依赖操作者的个人感知和经验，能很好地满足当前石材加工行业对框架锯锯条在切割石材前的张力调整，且易于普及和推广，能适应锯条间隙很小的框架锯。

4.4 金刚石框架锯条新型“制造+服务”新模式的推出与实践

在现有的金刚石框架锯锯切市场上，锯切装备、锯切工人、荒料均为为石材厂负责，而锯条基体、刀头、焊接、调锯等环节均由不同厂家分别控制，因此在锯切遇到问题时，经常会相互推诿责任而不能及时分析并解决实际问题。因此，经过我们对广西、贵州、湖北等大理石石材产区的走访调研，了解到现如今石材企业更多需要的是提供完整的配套承包销售服务模式，以此来实现共赢的目的。

为此，我们率先提出并尝试金刚石框架锯条新型“制造+服务”新销售思路，在区域石材产地试行框架锯机包锯包切的销售服务模式，即由我们负责与市场石材老板签订包锯包切服务合同，由石材老板提供场所、现有传统旧锯机设备、石材荒料，由我们负责组织现场操作、设备维护、框架锯条刀头焊接、调锯等服务人员组织生产服务，最终与石材老板通过石材板材加工的平方数进行销售结算。通过该“制造+服务”新模式的推出，打通了金刚石框架锯条从基体材料组织、基体生产制造、专用刀头配备、刀头焊接、安装及调锯服务、锯切整个完整产业链环节，不但快速分析解决了各种锯切问题，有效降低了锯切加工成本，也有助于快速实现国产化框架锯条基体材料的推广应用。通过制造与服务相结合，将传统的“制造+销售”模式完全转变成为了“制造+服务”的新型以突出服务为主体的销售模式，为行业带来了良好的示范效应，有效促进了行业的转型升级和向“新模式、新业态”方向的发展。

5 结语

本文重点围绕国产化的金刚石框架锯条基体材料研究、锯条基体关键加工技术、新型“制造+服务”模式实践探索及应用等方面进行了详细探讨；介绍了黑旋风公司为打破国外在金刚石框架锯条基体材料方面的垄断地位所进行的努力，这一切都极大降低了该类材料的采购成本，形成了国产化金刚石框架锯条基体产品及材料供应的核心竞争力，为促进行业技术进步与升级提供了有效支撑与借鉴参考。