金剛石（shí）串珠繩鋸在石材加（jiā）工中的應用

1前言

　　近年來，金（jīn）剛石串珠繩鋸以其準備時間短、切割（gē）靈活（huó）、低噪聲、低粉塵、低（dī）汙（wū）染、節能等特點，在石材行（háng）業得到了（le）廣泛的應用。串珠繩本身結合了金剛石（shí）超強的剛性和繩索的柔性，使其能適應諸如荒料開采，這種獨特鋸切模式，是其它金剛石工（gōng）具所無法達到的;另外，串珠繩在長度上的幾乎不受限製（zhì），使其適用性加強，在一些特殊場合如水下加工、建築物（wù）的（de）拆除等（děng）將（jiāng）發揮獨特的作用（yòng）。為了促進我國石（shí）材工業的發展，筆者對金剛石串珠（zhū）繩的應（yīng）用及一些使用經驗進行討論，以供石（shí）材（cái）加工企業借鑒和參考。

　　2金剛石（shí）串（chuàn）珠繩鋸的構成與製造

　　2.1金剛石串珠繩（shéng）鋸的構成

　　串珠繩的結構如圖1所（suǒ）示。在一根（gēn）多股鋼絲繩上麵按比例（lì）穿套有（yǒu）一定數量的金（jīn）剛石串珠（zhū）顆粒，相鄰串（chuàn）珠（zhū）間由（yóu）起支撐固定作用的隔離套分隔(類似項鏈)。金剛石串（chuàn）珠繩鋸（jù）加工是由直接參與切割用（yòng）的金剛石串珠繩和驅動（dòng）串珠繩運動的相應機械設備(即繩鋸機)共同完成，加工前，利用銅套（tào）等對接（jiē）套將一定長度的串珠繩首尾對接，形（xíng）成閉（bì）合圈。加工時（shí），張緊在繩鋸機導輪組上的閉（bì）環串珠繩，在驅動力的帶（dài）動（dòng）下串珠繩作高速運動，並通過串珠的（de）磨削運動實現切割。

　　2.2金剛石串珠（zhū）繩的製作工藝

　　(1)金剛石串珠

　　從金剛石串珠繩發明到現在，對串珠製作工藝（yì）的改進從未停止過。目前金（jīn）剛（gāng）石串珠製（zhì）造工藝還是以電鍍法和熱壓燒（shāo）結法為主，且後者占主導地位。盡（jìn）管台灣有學者利用釺焊方法成功地製造出（chū）釺焊金剛石串珠，但目前尚未實現大規（guī）模工程應用。圖（tú）為分別采用（yòng）這三種工藝製備的金剛石串珠樣品。燒結型串珠具有較高的（de）耐磨性。通過調整胎體中（zhōng）各金屬成份比例或選用不（bú）同品級、粒度、濃度的金剛（gāng）石磨料（liào）可以實現胎體磨（mó）耗（hào）速度和金剛石磨料磨損速度的調控，從而製造出具（jù）有（yǒu）不同的出刃高度和空間的串珠，以適應不同材質（zhì）的切（qiē）割（gē）。與熱壓燒結（jié）串珠相比，電鍍金剛石串珠製作工藝相對簡單，而且更有利（lì）於串珠小直徑化。由於金剛石鍍層較薄，胎（tāi）體耐磨性較差，其鍍覆金屬（shǔ）對（duì）金剛石磨粒的把持力有（yǒu）限，金剛（gāng）石磨粒易提前脫落，故總（zǒng）體性能不如燒結（jié）型串珠，不適合切割花崗石，目前主要用於大理石等（děng）較軟材質的切（qiē）割。

　　(2)隔離套（tào）

　　隔離套用於定距隔（gé）離和固定相（xiàng）鄰串珠。目前工程中常（cháng）用的隔離套（tào）有（yǒu）三種。彈簧墊圈式是最（zuì）早使用的（de）隔離套形式。由於彈簧墊圈（quān）式隔離套在加工時磨屑很容易從串珠、彈簧、墊圈之間的間隙進入並（bìng）在繩鋸彎曲運動作用下對鋼絲（sī）繩進行磨蝕（shí），從而造成串珠繩斷繩失效。尤其在加工含石英成份較高的花崗石時（shí），由於石英硬度高，對鋼絲繩磨蝕性相當嚴重，因此這種隔離套適用於較軟材質的切割。目前已較少采用。為了適應（yīng）高硬度材質切割的需要，發展了注塑式和注膠（jiāo）式隔離套。注塑、注膠式的隔離套是以耐磨塑料、橡膠充當串珠（zhū）間的隔離墊。串珠與鋼絲（sī）繩之間完全被塑料、橡膠所充填，從而避免了磨屑進入串珠與鋼絲（sī）繩間（jiān）而磨（mó）蝕鋼絲繩。正是它（tā）的出現（xiàn），使得串珠繩鋸的應用（yòng）範圍拓展（zhǎn）到花崗（gǎng）石類高硬度材料的切割加工。其中，注塑式應用最廣，而以壓注橡膠為隔離套的串珠繩（shéng）鋸（jù）則主要用於攝氏零度以下、比較寒冷地區的石材礦區，這是因為橡膠的低（dī）溫性能（néng）比塑料好，在低溫下仍能保持較好的柔韌（rèn）性和強度，不致脆裂。 [Page]

　　(3)鋼絲繩

　　由（yóu）於串珠是定距固定在鋼絲繩（shéng）上並在其（qí）帶動下行切割的，故鋼絲繩可視為串（chuàn）珠繩的“脊粱”。串珠繩鋸（jù）在使用過程中，鋼絲繩經常會因疲勞（láo）磨損、磨（mó）屑磨蝕（shí）、化（huà）學腐蝕等原因而出現斷繩現象，特別是當加工麵積達到一定量時，斷繩現象更為頻繁。斷繩不僅影響生產（chǎn），而且還帶來甩珠傷人等不安全隱（yǐn）患，因此鋼絲繩的性能對串珠繩使用至關重要。除了鋼絲本身性能外，鋼絲繩的壽命還與加（jiā）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（jī）載荷等因素（sù）有關，故應（yīng）選用專（zhuān）業鋼絲繩生產（chǎn）企業的產品，且使用時（shí）應參考鋼絲繩的相關說明。

　　3繩鋸加工石材的一般過程（chéng）

　　實際工作中，用串珠繩所（suǒ）鋸切的石材多種多樣，鋸切的條件有很大的不同，在礦山開采、異形石材加工（gōng）和建築物拆除等使用（yòng）中，其（qí）鋸切過程很難進（jìn）行類比，本（běn）文僅就串珠繩鋸切一般荒料這一典型加工過程來（lái）分析串珠繩鋸切石材（cái）時鋸切曲線的（de）變化和有關規律。

　　3.1由尖趨平

　　串珠繩切割機理和過程是（shì）非常複雜的，為了方便說明，對串珠繩作如下假定：在（zài）其徑向方麵是完全的（de）柔軟，即不承擔任何彎曲（qǔ）應力;在軸心方向上完全的剛性，不能有任何的拉伸變形。在這一條件下，串珠繩最初的（de）鋸切曲線與被鋸石材（cái）方料（liào）的表（biǎo）麵完全重合，如圖2中的第一條曲線，包括AB，BC，CD三部分線段組成。此時AB，BC，CD的（de）內部（bù）由於半徑R值趨向於無窮大，所（suǒ）受鋸切力為零，磨損速度為（wéi）零。鋸切實際上隻在（zài）A，B，C，D四個點進（jìn）行，使得四個角上的尖刃很快被磨平（píng），並向相鄰部分擴展（zhǎn），，弧AB，BC，CD變成一條平滑（huá）的曲線，如圖（tú）2中的曲線2。這一過程可稱為“由尖趨平”。

　　3.2由平趨圓

　　串珠（zhū）繩加工石材，其鋸切曲（qǔ）線的變化基本上（shàng）是一（yī）個由方趨圓（yuán）的過程。在曲線2中，尖角雖然被（bèi）磨平，但整條鋸切曲線的曲率半徑相差仍然非常大，原先四個角的位置及附近，R值比其它地方小得多，其鋸切（qiē）速度將遠（yuǎn）遠（yuǎn）快於其它部位，於是使這些部位的曲率半（bàn）徑（jìng）逐步增大，而遠離這些部位的（de）部分R值相應變小，及至整條磨損（sǔn）曲線各部分的曲率半徑和磨損速（sù）度達成某種（zhǒng）均衡（héng），如圖（tú）2中的曲線3。這時磨損（sǔn）曲線的頂端近（jìn）似於（yú）圓弧狀，故稱這一過程為“由平趨圓”。這一（yī）過程在石材方料的鋸切中可能要（yào）花很長的時間，由於鋸切初始（shǐ）條件的不一樣，也可能無法形成曲線（xiàn）3那（nà）樣（yàng）的穩定狀態。在這一鋸切過程中，A，B兩點的（de）曲率不斷減少，減為零曲率而停止鋸切，這（zhè）時弧AB，弧DC與不參加（jiā）鋸切的鬆邊、緊邊組成兩條直線。在B，C兩處，較大的鋸切（qiē）速度使其曲率半徑不斷增大，弧BC鋸切速度漸趨均衡，接近於（yú）半圓形，而線（xiàn）AB，DC成為弧BC的切線，切點分別為B，C。在鋸切曲線由平趨圓的過程中，其所對應的圓心角越來越小，由最初的大於1800逐步下降，當鋸切曲線的側麵AB，DC段鋸切速度逐（zhú）漸變慢（màn）並成為直線而停止鋸切，其對應的圓心（xīn）角為180℃。此時串珠繩的（de）實際鋸切曲線僅限於切（qiē）點上的圓弧BC部分，鋸（jù）切曲線的（de）實際長度顯著縮短（duǎn）。

　　3.3穩（wěn）定（dìng）鋸切

　　曲線3是一種非常有意思的穩定鋸切狀態，它頂端接近於（yú）半圓弧，而在B，C兩點的切線與鬆邊、緊邊重合成直線，這兩（liǎng）條直（zhí）線的距離跟（gēn）主動輪的直徑d一致此時，整個係統在縱向(即AD方向)上停止了鋸切，在橫向上，各點的鋸切速度相等，從而保持了鋸切曲線（xiàn）形狀的穩定。在串珠繩鋸切石材的整個過程中，鋸切曲線（xiàn）的（de）形狀在大多數階段處於調整變化之中（zhōng），鋸切曲線的內部因鋸切速度的不同而（ér）不斷調移其曲率，而邊界條件（jiàn）的變化又對鋸切（qiē）曲線進行著影響，隻有在曲線3這一（yī）情況下，種（zhǒng）種因素達到了平衡而保持了（le）形（xíng）狀的（de）穩（wěn）定。

　　串珠繩鋸切（qiē）曲線的頂端的形狀接（jiē）近（jìn）於圓形，因鋸切力所引起的串珠繩張力在鬆邊小而在緊邊大，張力的不同，勢必導（dǎo）致串珠（zhū）繩對石料壓力的不同，壓力大的緊邊的鋸切速度快於鬆邊（biān），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）曲率將略大於圓（yuán）弧（hú）。以此保持整條鋸切曲線的平衡。同時，緊（jǐn）邊（biān）由於張力的增大，弧線前移，使切點C更（gèng）加靠近D點，而B點的情況相反，使得AB線段的長度（dù）大於（yú）DC0穩定鋸切階（jiē）段鋸切曲線的實際鋸切曲線（xiàn）的長度和形狀（zhuàng）都保持不變，因而曲（qǔ）線（xiàn）受力情況穩定，不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，切點（diǎn）B，C逐漸向邊緣A，D靠近（jìn），當緊邊（biān）上C點首先跟D點重合時，曲線的邊緣條（tiáo）件將發生改變，曲線3的平衡（héng）被打破，鋸切進人殘餘鋸切階段。在這一階段，鋸切曲線所對應的圓（yuán）心角從原來的1800持續減少，鋸切曲線的長度被快速縮短，單位長（zhǎng）度上串珠（zhū）繩的壓力（lì）增大，必須及時調整係統的初始張力（lì），以免串珠或金剛石因為過（guò）大的壓力而被破壞。 [Page]

　　4繩鋸切割用於石材荒料開采

　　4.1石材荒料開采前的準備

　　金（jīn）剛石串珠繩的使用，需要一（yī）定的（de）條件，一般在露天礦開采，必（bì）須有電源、水（shuǐ）源和公路，同時具備起重（chóng）設備、運（yùn）輸工具、較大場地，礦層厚度至少有500mm及較完整（zhěng）的形狀等條件。采用金剛石串珠繩開采石（shí）材要（yào）經過一係列的準備工作。

　　(1)打孔

　　打孔是一項關鍵的準備工作，若孔打不好，直（zhí）接影響串珠繩（shéng）的穿（chuān）通，影響繩的使用壽命（mìng）及切割效率，所（suǒ）以打（dǎ）孔這一工序特別重要。

　　欲切割一（yī）大塊荒料（liào）、必須打好三個孔，即一個豎直孔和兩個水平孔。三孔相（xiàng）交於一（yī）點(如圖3)，這是最（zuì）理想的打法（fǎ），如果三孔不（bú）交於一點，那麽會出現（xiàn）以下情況（kuàng）：a.金剛石串珠繩的穿孔比較麻煩，甚至不能穿，那麽（me）就要重新打（dǎ）孔，這樣降低了生產效率。b.即使穿通了，切割時會對串珠繩的壽命有影響，因為繩在（zài）孔中經過多次轉彎曲折的路線，對繩的磨損更曆害，這樣就降低了串珠繩的使用壽命，因此打孔必須根據（jù）實際情況（kuàng），按操作規程進（jìn）行。

　　(2)穿繩過（guò）孔

　　目前國內石材行（háng）業使用串珠繩時，大都采用人工（gōng）穿繩法，即：將繩的一端固定多股回路軟（ruǎn）線，從一孔穿進，用鐵絲（sī）從（cóng）另一孔引出，這樣就穿通了申（shēn）珠繩。

　　(3)安裝設備

　　串珠（zhū）繩穿通後，就（jiù）進行設（shè）備安裝，由於設備較重，再加上（shàng）切割一平麵後，需要重新（xīn）調整設備，因而（ér）在其身邊必須配備一（yī）台起重設（shè）備，隨時可以起重進行安裝。

　　(4)供水

　　切（qiē）割石材時（shí），由於繩（shéng）的線速大，與（yǔ）石材間的摩擦就大，如果不加水（shuǐ）或加水不夠，繩與石材間產生（shēng）大量的熱，不（bú）但會使彈簧和鋼絲繩變形，甚至可能使彈簧熔化而粘結在一起，失去彈性，這樣，會降低串（chuàn）珠繩的使用壽命。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（cái）荒料的切割

　　用串珠繩切割大理石荒料時，必須（xū）先切（qiē）割水平麵，然後再切割豎直麵，這樣才能保證切割的順利進行（háng）。切割方式一般是先切割水（shuǐ）平麵，後切割豎直麵。若先切割豎直麵，再切割水平麵，待水平麵切（qiē）割要完畢時，突然被切割的石材發生裂紋，壓住串珠（zhū）繩，無法切割，電（diàn）機空轉，並且串（chuàn）珠繩發生變形。

　　串珠繩不僅（jǐn）用來開采荒料，而且還可以加工各（gè）種規格石材圓弧、異形、基石等，配備的繩鋸機具有高線速、高效率、高（gāo）精度、曲線式、弧形式、直線式，並裝有微機控製和仿形兩（liǎng）種。