金刚石串珠绳锯在石材加工中的应用

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1前言

近年来，金刚石串珠绳锯以其准备时间短、切割灵活、低噪声、低粉尘、低污染、节能等特点，在石材行业得到了广泛的应用。串珠绳本身结合了金刚石超强的刚性和绳索的柔性，使其能适应诸如荒料开采，这种独特锯切模式，是其它金刚石工具所无法达到的;另外，串珠绳在长度上的几乎不受限制，使其适用性加强，在一些特殊场合如水下加工、建筑物的拆除等将发挥独特的作用。为了促进我国石材工业的发展，笔者对金刚石串珠绳的应用及一些使用经验进行讨论，以供石材加工企业借鉴和参考。

2金刚石串珠绳锯的构成与制造

2.1金刚石串珠绳锯的构成

串珠绳的结构如图1所示。在一根多股钢丝绳上面按比例穿套有一定数量的金刚石串珠颗粒，相邻串珠间由起支撑固定作用的隔离套分隔(类似项链)。金刚石串珠绳锯加工是由直接参与切割用的金刚石串珠绳和驱动串珠绳运动的相应机械设备(即绳锯机)共同完成，加工前，利用铜套等对接套将一定长度的串珠绳首尾对接，形成闭合圈。加工时，张紧在绳锯机导轮组上的闭环串珠绳，在驱动力的带动下串珠绳作高速运动，并通过串珠的磨削运动实现切割。

2.2金刚石串珠绳的制作工艺

(1)金刚石串珠

从金刚石串珠绳发明到现在，对串珠制作工艺的改进从未停止过。目前金刚石串珠制造工艺还是以电镀法和热压烧结法为主，且后者占主导地位。尽管台湾有学者利用钎焊方法成功地制造出钎焊金刚石串珠，但目前尚未实现大规模工程应用。图为分别采用这三种工艺制备的金刚石串珠样品。烧结型串珠具有较高的耐磨性。通过调整胎体中各金属成份比例或选用不同品级、粒度、浓度的金刚石磨料可以实现胎体磨耗速度和金刚石磨料磨损速度的调控，从而制造出具有不同的出刃高度和空间的串珠，以适应不同材质的切割。与热压烧结串珠相比，电镀金刚石串珠制作工艺相对简单，而且更有利于串珠小直径化。由于金刚石镀层较薄，胎体耐磨性较差，其镀覆金属对金刚石磨粒的把持力有限，金刚石磨粒易提前脱落，故总体性能不如烧结型串珠，不适合切割花岗石，目前主要用于大理石等较软材质的切割。

(2)隔离套

隔离套用于定距隔离和固定相邻串珠。目前工程中常用的隔离套有三种。弹簧垫圈式是最早使用的隔离套形式。由于弹簧垫圈式隔离套在加工时磨屑很容易从串珠、弹簧、垫圈之间的间隙进入并在绳锯弯曲运动作用下对钢丝绳进行磨蚀，从而造成串珠绳断绳失效。尤其在加工含石英成份较高的花岗石时，由于石英硬度高，对钢丝绳磨蚀性相当严重，因此这种隔离套适用于较软材质的切割。目前已较少采用。为了适应高硬度材质切割的需要，发展了注塑式和注胶式隔离套。注塑、注胶式的隔离套是以耐磨塑料、橡胶充当串珠间的隔离垫。串珠与钢丝绳之间完全被塑料、橡胶所充填，从而避免了磨屑进入串珠与钢丝绳间而磨蚀钢丝绳。正是它的出现，使得串珠绳锯的应用范围拓展到花岗石类高硬度材料的切割加工。其中，注塑式应用最广，而以压注橡胶为隔离套的串珠绳锯则主要用于摄氏零度以下、比较寒冷地区的石材矿区，这是因为橡胶的低温性能比塑料好，在低温下仍能保持较好的柔韧性和强度，不致脆裂。

(3)钢丝绳

由于串珠是定距固定在钢丝绳上并在其带动下行切割的，故钢丝绳可视为串珠绳的“脊粱”。串珠绳锯在使用过程中，钢丝绳经常会因疲劳磨损、磨屑磨蚀、化学腐蚀等原因而出现断绳现象，特别是当加工面积达到一定量时，断绳现象更为频繁。断绳不仅影响生产，而且还带来甩珠伤人等不安全隐患，因此钢丝绳的性能对串珠绳使用至关重要。除了钢丝本身性能外，钢丝绳的寿命还与加工过程中的预紧拉力、各导轮最小曲率、加工过程中串珠的轴向载荷以及冲击载荷等因素有关，故应选用专业钢丝绳生产企业的产品，且使用时应参考钢丝绳的相关说明。

3绳锯加工石材的一般过程

实际工作中，用串珠绳所锯切的石材多种多样，锯切的条件有很大的不同，在矿山开采、异形石材加工和建筑物拆除等使用中，其锯切过程很难进行类比，本文仅就串珠绳锯切一般荒料这一典型加工过程来分析串珠绳锯切石材时锯切曲线的变化和有关规律。

3.1由尖趋平

串珠绳切割机理和过程是非常复杂的，为了方便说明，对串珠绳作如下假定：在其径向方面是完全的柔软，即不承担任何弯曲应力;在轴心方向上完全的刚性，不能有任何的拉伸变形。在这一条件下，串珠绳最初的锯切曲线与被锯石材方料的表面完全重合，如图2中的第一条曲线，包括AB，BC，CD三部分线段组成。此时AB，BC，CD的内部由于半径R值趋向于无穷大，所受锯切力为零，磨损速度为零。锯切实际上只在A，B，C，D四个点进行，使得四个角上的尖刃很快被磨平，并向相邻部分扩展，最后，弧AB，BC，CD变成一条平滑的曲线，如图2中的曲线2。这一过程可称为“由尖趋平”。

3.2由平趋圆

串珠绳加工石材，其锯切曲线的变化基本上是一个由方趋圆的过程。在曲线2中，尖角虽然被磨平，但整条锯切曲线的曲率半径相差仍然非常大，原先四个角的位置及附近，R值比其它地方小得多，其锯切速度将远远快于其它部位，于是使这些部位的曲率半径逐步增大，而远离这些部位的部分R值相应变小，及至整条磨损曲线各部分的曲率半径和磨损速度达成某种均衡，如图2中的曲线3。这时磨损曲线的顶端近似于圆弧状，故称这一过程为“由平趋圆”。这一过程在石材方料的锯切中可能要花很长的时间，由于锯切初始条件的不一样，也可能无法形成曲线3那样的稳定状态。在这一锯切过程中，A，B两点的曲率不断减少，最后减为零曲率而停止锯切，这时弧AB，弧DC与不参加锯切的松边、紧边组成两条直线。在B，C两处，较大的锯切速度使其曲率半径不断增大，弧BC锯切速度渐趋均衡，最后接近于半圆形，而线AB，DC成为弧BC的切线，切点分别为B，C。在锯切曲线由平趋圆的过程中，其所对应的圆心角越来越小，由最初的大于1800逐步下降，当锯切曲线的侧面AB，DC段锯切速度逐渐变慢并最后成为直线而停止锯切，其对应的圆心角为180℃。此时串珠绳的实际锯切曲线仅限于切点上的圆弧BC部分，锯切曲线的实际长度显著缩短。