金剛石串珠繩鋸在石（shí）材加工中的應用

1前言

　　近（jìn）年來，金剛石（shí）串珠繩鋸以其準備時間短、切割靈活、低（dī）噪聲、低粉塵、低汙染、節能等特點（diǎn），在石材行業得到了廣泛的應用。串珠繩本身結合了金剛石超強（qiáng）的剛性和繩索的（de）柔性，使其能適應諸如荒料開采，這種獨特（tè）鋸切模式，是其它金剛石工（gōng）具所無（wú）法達（dá）到的（de）;另外，串珠繩在長度上（shàng）的（de）幾乎不受限製（zhì），使（shǐ）其適用性加強，在一些特殊場合如水下加工、建築物的拆除等（děng）將（jiāng）發揮獨特的作用。為了促進（jìn）我國石材工業的（de）發展，筆者對金剛石（shí）串珠繩的應用及一些使用經驗進行討論（lùn），以供石（shí）材加工企業借鑒和參（cān）考。

　　2金剛石串珠繩鋸的構成與製造（zào）

　　2.1金剛石串珠繩鋸的構成

　　串珠（zhū）繩的結構如圖1所示。在一（yī）根多股（gǔ）鋼絲繩上麵按比例（lì）穿套有一定數量的金剛石串（chuàn）珠顆粒，相鄰串（chuàn）珠間由起支撐固定作用的隔離套分隔(類似項鏈)。金剛石串珠繩鋸加工是（shì）由直接參與切割用的金剛石串珠繩和驅動串珠繩運動的相應機械設備(即繩鋸機)共同完成，加工前，利（lì）用銅套等對接套將一定長度的串珠繩首尾對接，形（xíng）成閉合圈。加工時，張緊在繩鋸機導輪組上的閉環（huán）串珠繩，在（zài）驅動力的帶動下（xià）串珠（zhū）繩作高速（sù）運動，並通（tōng）過串珠的磨削運動實現切割。

　　2.2金剛石串（chuàn）珠（zhū）繩的製作工藝

　　(1)金剛石串珠

　　從金剛（gāng）石串珠繩發明到現在，對串珠製作工藝的改進從未停（tíng）止過。目前金剛石串珠製造工藝還是以電鍍法和熱壓燒結法為主，且後（hòu）者占主導地位。盡管台灣有學者利用釺焊方（fāng）法成功地製造出釺（qiān）焊（hàn）金剛石串珠，但目前尚未實現大規模工程（chéng）應用。圖為分別采用這三種工藝製備的金剛石串珠樣（yàng）品。燒結型串珠具有較高的耐磨性。通過調整胎體中各金屬（shǔ）成份比例或（huò）選用不同品級、粒度、濃度的金剛石磨料（liào）可以實現（xiàn）胎（tāi）體磨耗（hào）速度和金剛石磨料磨損速度的調控，從而製（zhì）造出具（jù）有（yǒu）不（bú）同的出刃高度和空間的串珠，以適應不同材質的切割。與熱壓（yā）燒（shāo）結串珠相比，電鍍金剛石串珠製作工藝（yì）相對簡單，而且更有利於串珠小直徑化（huà）。由於金剛石（shí）鍍層（céng）較薄，胎體耐（nài）磨性較差，其鍍覆金屬對金剛石磨粒的把持力有限，金剛石磨（mó）粒易提（tí）前脫落，故總體性能不如燒結型串珠，不適合切割花崗石，目（mù）前主要用於大理石等較軟材質的切割。

　　(2)隔離套

　　隔離套用於（yú）定距隔離和固定相鄰串珠。目前工程中常（cháng）用的隔離套有三種。彈簧墊圈式（shì）是最早使用的隔離套形式。由於彈簧（huáng）墊圈式隔離（lí）套在加工時磨屑很容易從串珠、彈簧、墊圈之間的間隙進（jìn）入並在（zài）繩鋸彎曲運動作用下對鋼絲繩進行磨蝕，從而（ér）造成（chéng）串（chuàn）珠繩斷繩失效。尤其在（zài）加工含石英成份較（jiào）高的花（huā）崗石時，由（yóu）於石英（yīng）硬度高，對鋼絲（sī）繩磨蝕性相當嚴重（chóng），因此這種隔離套適用於較軟（ruǎn）材質的切割。目前已較少采用。為了適應高硬度材質切割的需（xū）要，發展了注塑式和注膠（jiāo）式隔離套。注塑、注膠式的（de）隔離套是以耐磨塑料、橡膠充當串珠間的隔離墊。串珠與鋼絲繩之間完全被（bèi）塑料、橡膠所充填，從而避免了磨（mó）屑進入（rù）串珠與鋼絲繩間而磨蝕鋼（gāng）絲繩。正是它的出現，使得串珠繩鋸（jù）的應用範圍拓展到花崗石類（lèi）高硬度材料的切（qiē）割加工。其中，注塑（sù）式應用最（zuì）廣，而以壓注橡（xiàng）膠為隔離套的串珠繩鋸則主要用於攝氏零度以下（xià）、比較寒冷地區的石材礦區，這是因（yīn）為橡膠的低溫性能比塑料好，在（zài）低（dī）溫下仍能保持較好的柔韌性和強度，不致（zhì）脆（cuì）裂。 [Page]

　　(3)鋼絲繩

　　由於（yú）串珠是定距固定在鋼絲繩上並在其帶動下行切割的，故鋼絲繩可（kě）視為串珠（zhū）繩的“脊粱”。串珠繩鋸在（zài）使用過程（chéng）中，鋼絲繩經常（cháng）會因疲勞磨損、磨（mó）屑磨蝕、化學（xué）腐蝕等（děng）原因而出現斷繩現象，特別（bié）是當加工麵積達到一定量時，斷繩現（xiàn）象（xiàng）更為頻繁。斷繩不僅影響生產，而且還帶來甩珠傷人等不安全隱患，因此（cǐ）鋼絲繩的性能對串珠繩使用至關重要。除了鋼（gāng）絲本身（shēn）性能外，鋼絲繩的壽命還與加工過程中的預緊拉力、各導輪最小曲（qǔ）率、加工過程中串珠的軸向載荷以及（jí）衝擊載荷等因素有關，故應選用專業鋼絲繩生產企業的產品，且使用時應參考（kǎo）鋼絲繩的相關說明。

　　3繩（shéng）鋸加工（gōng）石材的一般過程

　　實（shí）際工（gōng）作中，用串珠繩（shéng）所鋸切的石材多種多樣，鋸（jù）切的（de）條件有很大的不同，在礦山開采、異形石材加工和建築物（wù）拆除等使用中，其鋸切過程很難進行類（lèi）比（bǐ），本文僅就串珠（zhū）繩鋸切一般荒料這一典型加工過程來分（fèn）析串（chuàn）珠繩鋸切石材時鋸（jù）切曲線的變化和有關規律。

　　3.1由尖趨（qū）平

　　串珠繩切割機理和過程是非常複雜的，為了方（fāng）便說明（míng），對串（chuàn）珠繩作如下假定：在（zài）其徑向方麵是完全的柔軟，即不承擔任何彎曲應（yīng）力;在軸心方向上完全的剛（gāng）性，不能有任何的（de）拉伸變形。在這一條件下，串珠繩最初的鋸切曲線與被鋸石材方料的表麵完全重合，如圖2中的第一條曲（qǔ）線（xiàn），包括AB，BC，CD三部分線段組成。此時AB，BC，CD的內部由於半徑R值趨向於無窮大，所受鋸切力為零，磨損速度為零。鋸（jù）切（qiē）實際上隻在（zài）A，B，C，D四個（gè）點進行，使得四個角上的尖刃很快被磨（mó）平，並向相鄰部分擴展，，弧AB，BC，CD變（biàn）成一（yī）條平（píng）滑（huá）的曲線，如圖2中的曲線2。這一過程可（kě）稱為“由尖趨平”。

　　3.2由平趨圓

　　串珠繩加工石材，其（qí）鋸切（qiē）曲線的變化基本上是一個由方趨圓的過程。在曲線2中，尖角雖然被磨平，但整條鋸切曲線的曲率半徑相差仍然非常大，原先四個（gè）角的位置及附近，R值比其它地方小得多，其鋸切速度將遠遠快（kuài）於其它部位，於是使這些部位的曲（qǔ）率半徑逐步增大，而遠離這些部位的部分R值相應變小，及至整條磨損曲線各部分的曲率半徑和磨損（sǔn）速（sù）度達成某種均衡，如圖2中的曲線3。這時（shí）磨損曲線的頂端近似於圓弧狀，故稱（chēng）這一過程為“由平趨圓”。這一過程在石材（cái）方料的鋸切（qiē）中可能要花（huā）很長的時間，由於鋸切初始條件的不一樣，也可能無法形成曲線3那樣的穩定狀態。在這（zhè）一鋸切過程中，A，B兩點（diǎn）的曲率不斷減少，減為零曲率而停止鋸切，這時弧AB，弧DC與不參（cān）加鋸（jù）切的鬆（sōng）邊、緊邊組成兩條直線。在B，C兩處，較大（dà）的鋸切速度使其曲率（lǜ）半徑不斷增大，弧BC鋸切速度漸趨均衡（héng），接近於半（bàn）圓形（xíng），而線AB，DC成為弧BC的切線，切點分別為B，C。在鋸切曲線由平（píng）趨圓的過程中，其所對應的圓心角越來越（yuè）小（xiǎo），由最初的大（dà）於1800逐步下降，當鋸切曲線的側麵AB，DC段鋸（jù）切速度逐漸變慢並成為直（zhí）線而停止鋸切，其對應的圓心角為180℃。此時串珠繩的（de）實際鋸切曲線僅限於切點（diǎn）上的圓弧BC部分，鋸切曲線（xiàn）的（de）實際（jì）長（zhǎng）度顯著縮（suō）短。

　　3.3穩定鋸切

　　曲線3是一種非常有（yǒu）意思（sī）的穩定鋸切狀態，它頂端接近（jìn）於半圓弧，而在（zài）B，C兩點的切線與鬆邊（biān）、緊邊重合成（chéng）直線（xiàn），這兩條直（zhí）線的距離跟主動輪的直徑d一致此時，整（zhěng）個係統在縱向(即（jí）AD方向)上停止了（le）鋸（jù）切，在橫向上（shàng），各點的鋸切速度相等，從而保持了鋸切曲線形狀的穩定。在串珠繩鋸切石材的整個過程中，鋸（jù）切（qiē）曲線的形狀在大多（duō）數階段處於調整變化（huà）之中，鋸切曲線（xiàn）的內部因鋸切（qiē）速度（dù）的不同而（ér）不斷調移其曲率，而邊界條件的變化又對鋸切曲線進行著影響，隻有在曲線3這一情況下（xià），種種因素達到了（le）平衡而保持了形狀的穩定（dìng）。

　　串珠繩鋸切曲線的頂端（duān）的形狀接近於圓形，因鋸切力所引起（qǐ）的串珠繩張力在鬆邊小（xiǎo）而在緊邊大，張力的不同，勢必導致串珠（zhū）繩（shéng）對（duì）石料壓（yā）力的不同，壓力大的緊邊的鋸（jù）切速度快於鬆邊，使得其曲（qǔ）率進一步減少而略小於圓弧;與之相反，鬆邊的（de）曲（qǔ）率（lǜ）將略大於圓弧（hú）。以此保持整條鋸切曲線的平衡（héng）。同時，緊邊由於張力的增大，弧線前（qián）移，使切（qiē）點C更加靠近D點，而（ér）B點的情況相（xiàng）反，使得AB線段（duàn）的長度大於DC0穩定鋸切階段鋸切曲線的實際鋸切曲線的長度和形狀（zhuàng）都保持不（bú）變，因而（ér）曲線受力情況穩定，不（bú）用調節係統的初始張力等參數，是一種（zhǒng）較為理想的鋸切狀態。

　　3.4殘餘鋸切

　　穩定鋸切的後段（duàn），切點B，C逐漸向邊緣A，D靠近，當緊邊上C點（diǎn）首（shǒu）先跟D點重合時，曲線的邊緣（yuán）條件將發生改變，曲線3的平（píng）衡被打破，鋸切（qiē）進人殘餘鋸切階段。在這一階段，鋸切曲線所對應的圓心角從原來的1800持續減（jiǎn）少，鋸切曲線的長度被快速（sù）縮短，單位長度上串珠繩的壓力（lì）增（zēng）大，必須及時調整係統（tǒng）的初始張力，以免串珠或金剛石因為（wéi）過大（dà）的壓力而被破壞。 [Page]

　　4繩鋸切割用於石材荒（huāng）料（liào）開采

　　4.1石材荒料開采前的準備

　　金剛石串珠繩（shéng）的使用，需要一定（dìng）的條件（jiàn），一（yī）般在露天礦開采，必須有電源、水源和公路，同（tóng）時具備起重設備、運輸（shū）工具、較大場（chǎng）地，礦層厚度至少有500mm及較完整的形狀等條件。采用金（jīn）剛石串珠繩開采石材要經過一（yī）係列的準備工作。

　　(1)打孔

　　打孔（kǒng）是（shì）一項（xiàng）關鍵的（de）準備工作，若孔打不好，直（zhí）接影（yǐng）響串珠繩（shéng）的（de）穿通（tōng），影響繩的使用壽命及切割效率，所以打孔這一工序特（tè）別（bié）重要。

　　欲切割一大（dà）塊荒料、必須打好（hǎo）三個孔，即一個豎直孔和兩個水平孔。三孔（kǒng）相交於一點（diǎn）(如圖3)，這是最理想的打（dǎ）法，如果三孔（kǒng）不交於一點，那（nà）麽會出現以下情況：a.金剛石串（chuàn）珠繩的穿孔比較麻煩，甚至不能穿，那麽就要重（chóng）新打孔，這樣降低了生產效率。b.即使穿通了，切割時會（huì）對串珠繩的壽命有影響，因為繩在孔中（zhōng）經過多次轉彎（wān）曲折的路線，對繩的磨損（sǔn）更曆害，這樣就降低了串珠繩的使用（yòng）壽命，因此打孔必須根據實際情況，按操作規程進行（háng）。

　　(2)穿繩過孔

　　目前（qián）國內石材行業使用串（chuàn）珠繩時，大（dà）都（dōu）采用人工穿繩法，即：將繩的一端固定多股回路軟線，從一孔穿進，用鐵絲從（cóng）另一孔引出，這樣就（jiù）穿通了申珠繩。

　　(3)安裝設備

　　串珠繩穿通後，就進行設備安裝，由於設備較重，再加上切割一平麵後，需（xū）要重新調整設備，因而在（zài）其身邊必須配備一台起重設備，隨時可以（yǐ）起重進行安裝。

　　(4)供水

　　切割石材（cái）時，由（yóu）於繩的線速大，與石材間的摩擦就大，如果不加水或加水不夠，繩與石材間產生大量的（de）熱，不但會使彈（dàn）簧和鋼絲繩變形，甚至可能使（shǐ）彈簧熔化而粘結在一起，失去彈性，這樣，會降低串珠繩的使（shǐ）用壽（shòu）命。為確保繩的質量和壽命，必須供水，供水必須沿著繩的運動方向加人。

　　4.2石材荒料（liào）的切割

　　用串珠（zhū）繩切割大理石荒料時，必須先切割水平麵，然後（hòu）再切割豎直麵，這樣才能保（bǎo）證切割的順利進行。切割方式一般是先切割水平麵，後切割豎直麵。若先切割豎直麵（miàn），再切割水平麵，待水平麵切（qiē）割要完畢時（shí），突然被切割的石材發生裂紋，壓住串珠繩，無（wú）法切割，電機空轉，並且串珠繩發（fā）生變形（xíng）。

　　串珠（zhū）繩不僅用來開采荒料，而且（qiě）還可以加工各種規格石材圓弧、異形、基石（shí）等，配（pèi）備的繩鋸機具有高線速、高效率、高精度、曲線式、弧形式、直線式，並裝有微機控（kòng）製（zhì）和仿形兩種。