超薄天然石板材切割现状及金刚石线切板技术研究

陈超，彭少波，陈家荣，秦建新，肖乐银，谢德龙，潘晓毅，林峰

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

超薄天然石板材切割现状及金刚石线切板技术研究

陈超，彭少波，陈家荣，秦建新，肖乐银，谢德龙，潘晓毅，林峰

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

超薄天然石板材是现代石材行业发展的趋势。文章列举了传统薄板的切割设备和方法，阐述了现今金刚石串珠多组绳锯的应用，提出金刚石线超薄天然石板材切割技术，并结合多组绳锯理念说明未来金刚石线锯在石材行业应用的前景。通过切割大理石荒料进行试验，得出金刚石线切割大理石具有切割效率高，切割表面光洁度好，板材更薄，耗能小等诸多优势。进一步分析了金刚石线上磨粒强度、粒度、浓度，对金刚石线磨损的影响，分析结合剂磨损，裂纹，气泡效应对金刚石线失效的贡献等。

超薄;天然石板材;线锯;切割

1 引言

天然石材由于具有质感好、耐压、耐磨、耐腐蚀等优点，是一种优质的建筑及装饰材料。随着现代建筑业及装饰业的发展，天然石材的应用更加广泛。石材属于不可再生资源，故天然石材的节约与充分利用当今已逐渐成为石材界的热门话题，普遍认为未来装饰石材将向超薄、轻型化方向发展。

本文定义超薄天然石材是厚度为2～5mm的天然石板。超薄型天然石材除了具有石材的美观，典雅的艺术特点外，还具有超薄、超轻、透光等优良特性，并且安装、拆除方便快捷，它在满足用户需求的基础上，更节约和有效利用了有限的珍贵石材资源。不仅可以直接粘贴，还可以将超薄板制成功能性板材，例如:保温板、隔热板、蜂窝板、复合板等。超薄石材板经多层复合后，韧性有效增强，可将其弯曲成任意形状，多用在透光幕墙、天花板吊顶、高档酒店电梯内壁、游艇内部装饰墙板，既效果美观，又能减轻设施或建筑的重量［1］。

超薄石材概念由来已久，从加工方面来说，把石材做薄并非难事，但做大幅面的薄石板则非常困难，大批量加工巨型超薄天然石板则更是难上加难。锯切加工是超薄石材制作的第一道工序。

传统的石材锯切加工主要还是采用金刚石圆锯片切割，切缝大(6mm以上)，圆锯片加工尺寸受到约束(最大不超过它的半径，随着半径增大厚度也增大)。金刚石圆锯多片组合加工，满足了一定量的加工需求，设备由多组薄锯片组成，最薄切割10mm的薄片(600mm×600mm)，切缝5～10mm;另有框架大砂锯(用于花岗岩)、框架金刚石排锯(用于大理石)、金刚石带锯。随着市场需求变化，石材朝着更薄、更大尺寸的方向发展，以上几种切割方式都难以满足更薄，更快捷，更多片切割的市场发展需求。近年来，多组绳锯，多组线锯技术的出现，在切割石材大板及薄板方面有较好的应用，并有取代其他加工方式的势头。

2 传统设备及方法

第一种:用框架金刚石排锯(如图1)或圆盘锯组锯(如图2)将石材荒料切割成20mm厚的毛板，两面校平粗磨再双面粘贴复合物或直接切割(如图3)——剖切石板成为两块4～8mm的超薄板。

第二种是:用带锯机(如图4所示)将石板直接切割成4～8mm的超薄板。

图1 框架金刚石排锯Fig.1 The framework of diamond gang saw

图2 金刚石圆锯多片组合锯Fig.2 Circular diamond multi blade saw

图3 金刚石圆锯片切割超薄石材板Fig.3 Ultra-thin natural stone slab cutting by circular dimond saw

图4 金刚石带锯剖切超薄石材板Fig.4 Ultra-thin natural stone slab cutting by dimond belt saw

3 金刚石多组绳锯切割技术

多组绳锯切割技术可用来批量切割石材大板，这种技术使用多组绳锯设备，配套环型金刚石串珠绳锯共同进行。根据文献资料，欧美国家最先推出多组绳锯，主要切割花岗岩荒料，设备单次可安装几十条金刚石串珠绳，目前多绳锯安装串珠绳的数量最多可达133根［2］。如图5所示，为多组绳锯机。石材板材具有很大的应用市场，用金刚石多组绳锯切花岗岩大板具有多种优势。1)金刚石组锯可切割多种厚度板材;2)板材的表面质量好，表面粗糙度低，平整，平面度公差在0.5mm以内。3)石材利用率高且对环境友好。4)操作人员少，人工成本低。

图5 多组绳锯设备Fig.5 multi-group wire saw equipment

目前，最小的绳锯串珠直径为6.3mm。这些的串珠构成的金刚石绳锯用于花岗岩石材大板的锯切生产，多数板厚为15mm或20mm。据多家用户介绍，直径越小的金刚石串珠绳锯切割效率越高，在锯切材质相同的条件下，直径6.3mm的串珠绳锯切割效率和综合成本相比较粗(直径7.2mm)直径的绳锯都有明显下降［3］。为了使设备更加灵活地生产不同厚度的板材，多数绳锯设备生产企业，在设计轮系时，采用切割轮小间隔槽的方式，通过调整绳间距即可实现这一目的的结构，例如可通过调整定位轮槽的间隔实现锯切几种规格厚度的板材。

4 金刚石线锯切割技术

超薄石板材厚度多在10mm以下，但是，传统石材加工所使用的工具的宽度约在10mm左右，当生产10mm厚度以下的薄板时，使用以上所述任何一种方法，切割损失都占石材原料的30%～50%，切缝宽，浪费较多;另外，切割时由于工具本身原因，切出板材破裂严重，使薄板成材率较低，各种原因导致目前超薄天然石材板价格依然较高。

为了减小切割损失，提高超薄板材的出材率，并大幅提高超薄板材成材率，我们制作了直径为2.5mm以下的金刚石线锯。金刚石线切割薄板时，切割引起的振动力较小，切割对薄板的损伤深度浅，切割板厚度可以达到3mm以内(如图7所示)。所以线锯切割荒料时可大幅提高板材的出材率和成材率，以1m宽工件为例:使用最细绳锯(直径6.3mm)切割时锯缝宽度约为7mm，假设可切出的板材板厚为8mm，那么，可切割得到1000/(7+8)=66块板材;使用金刚石线(2.5mm)，锯缝宽度约为3mm，假设可切出的板材板厚为3mm，可切割得到1000/(3+3)=166块板材。另外，金刚石线切割薄石板时，切割力小，不容易引起或导致大理石板内部沿板厚方向裂纹的形成和生长，即使切割成厚度为 3mm(长×宽:2000mm× 1000mm)的大板也能使板材保持完整，使得切割薄板具有很高的成材率。为了满足批量化市场生产的需求，可将金刚石线与多组绳锯设备有机结合，形成金刚石线多线切割，单刀产出20～50片超薄板，效率极高。

使用矿山开采绳锯机，进行石材荒料切割加工实验(试验装置及切割方式如图6所示)，以验证该线锯切割加工石材的实用性。

图6 金刚石线及切割大理石荒料示意图Fig.6 Diagram of marble block cutting by diamond wire saw

4.1 金刚石线锯的特点及性能

所使用的金刚石线为环形金刚石线，直径为2.5mm，长度可根据设备型号和荒料的尺寸调整。环形绳跨过机器导轮和荒料，机器在导轨上前进使线锯张紧，然后开动机器，通过电流来调整导轮转速，带动线锯进行切割;切割的同时，根据切割石料的快慢调整绳锯机前进的速度，用自来水冷却切割部位，线锯线速度可以达到50m/s。

4.2 切割情况

金刚石线较其他切割工具，具有较小的切割面，切割阻力小，在其他条件相同的情况下具有较高的切割效率，较强的切割能力和低的电能消耗。

(1)切割效率

大理石硬度较低，切割时使用较高线速度。启动时用较低速切割，待稳定后加速到切割正常速度，线速度约40m/s，切割完成1m×2m面积约15min的板材。

(2)切割板厚

金刚石线直径2.5mm，锯缝宽度约3mm，如图7所示。

图7 金刚石线锯切割大理石锯缝宽约3mmFig.7 Kerf width of marble by diamond wire saw is about 3 mm

3)板面效果

线锯切割板材表面光滑，粗糙度可以控制在＜0.3mm，远超出其他加工方式加工效果。而由于试验使用绳锯机设备本身的原因，板材的平整度及整体厚度偏差暂时无法控制。

4.3 金刚石线磨损

4.3.1 金刚石的状况

(1)金刚石强度

试验选用高强度的磨粒，磨粒切削刃在使用一段时间后会出现磨圆状态(如图8所示)，加工效率降低，锯切力增大，对金属结合剂冲击力增大，当同时被磨损的结合剂磨损到一定包裹高度时，磨粒就会被外力“撬出”，留下较大凹坑，甚至在结合剂表面形成裂纹。

(2)金刚石粒度

金刚石磨粒的粒度决定了切削刃的大小，磨粒的粒度越大，出刃高度相对较高，工具越锋利;粒度变小，参与切割的切削刃数目增加，单颗磨粒压入工件的压强减小，容易发生打滑，相反的，工具耐磨度会提高，工具寿命较长。试验采用45～50目金刚石，品级较高，在锯切时，能重复经受高速下的冲击力，在切割过程中，当某些金刚石磨粒受磨损钝化后，受力过大，随即脱落，产生自锐作用。

图8 部分金刚石颗粒磨圆照片Fig.8 Photo of some of the rounded diamond grains

(3)金刚石浓度

每节块中金刚石磨粒的密度，也就是单位面积内金刚石磨粒的相对数目，参与切削的磨粒数量也增加。由于切削力是分配到参与切削的每一个切削刃的，浓度变高则参与切削的单个磨粒施加的切割压力相对减小，压入工件的瞬时压强减小，不易压入并破碎工件，整条线锯就表现比较耐磨，寿命就长。然而，当节块中的金刚石浓度过高，结合剂所占体积比例相对减小，将会削弱其对金刚石的把持力，随着切割的进行，结合剂磨损到一定程度，会出现颗粒大面积脱落(如图9所示)的现象;而且由于参与切削的磨粒增多，单颗金刚石压入被切材料的压强减小，不易使被切材料产生破碎，整条金刚石线切削能力下降，在切割参数来不及调整的时候，便会导致切削功率增大;另外，每节块中金刚石浓度的增大，必然会导致金刚石颗粒间容削空间减小，极易造成锯片“堵塞”并产生振动。

图9 金刚石颗粒大面积脱落照片Fig.9 Photo of large area of diamond particle detachment

4.3.2 结合剂情况

考虑到电沉积金刚石工具的特性，并应用于切割石材，试验将结合剂层高度调整到金刚石平均粒径的90%以上，以期更长的使用寿命。

(1)磨损

金刚石颗粒在切割工件的过程中受到磨损的同时，金属结合剂也会受到石材切屑的作用磨损。石材切削岩屑和破碎的金刚石碎屑在切削液的带动下冲蚀结合剂表面，使金属结合剂磨损，减薄，金刚石出刃高度相对变高，切割效率提高，磨损属于正常磨损。

(2)裂纹

切割后期，部分金刚石颗粒逐渐磨损，结合剂层高度持续降低。变薄的结合剂对金刚石颗粒的包裹能力下降，由于较大的冲击力，金刚石从结合剂中被撬出，部分结合剂层出现裂纹。如果结合剂中有并排或紧挨的金刚石颗粒脱落，则结合剂层将会加速磨损，图10所示为结合剂表面出现裂纹及后续切割中金刚石颗粒脱落情况照片。

图10 结合剂表面出现裂纹及后续切割中金刚石颗粒脱落情况Fig.10 Diamond particle detachment situation when crack occurs on the surface of the bondand during the following cutting

(3)基体

丝绳基体在高速导轮的带动下连续旋转，并且绕过石材进行切割。切割时金刚石节块一方面受到高强度冲击，跨过圆形导轮及弧形石材切割面，同时基体为柔性丝绳又绕自身旋转，当结合剂厚度减薄，结合剂层就会因为丝绳扭曲而出现裂纹。裂纹处金刚石脱落，甚至整个结合剂层被冲击掉落。

(4)气泡效应

在切割的过程中，采用自来水实时冷却，金刚石线节块在高速切割运动时可将自来水带入切割缝，进行冷却和带走切屑。当节块在进入冷却水时可带入空气，形成气泡;另外，在冷却水中进行切割石材运动时，产生瞬时高温，也形成气泡。在切割丝高速运动形成较高水流压力作用下，气泡进入结合剂层裂纹，迅速膨胀，使结合剂层裂纹继续扩展，对结合剂脱落有重要影响。

5 总结及展望

天然石材超薄板在建筑，装饰，功能应用等方面具有诸多优势，广受人们的欢迎。随着社会的进步及人们生活品质及节约资源等方面的因素，天然石材超薄板逐渐向更薄化、大型化方向发展。提高天然石材超薄板材加工生产效率、提高出材率、成材率并降低生产成本等逐渐被人们所重视。这就促使石材设备得以迅猛发展，金刚石圆盘锯机多片组合锯片、砂锯、框架锯、金刚石多组绳锯等切割技术已广泛应用于大幅面石材薄板加工中。在提倡绿色环保及合理利用地球矿产资源的大背景下，要求自然环境实现和谐发展，石材加工“生态化”发展。因此更加先进的切割超薄石板切割技术——金刚石线切割技术应运而生，成为石材超薄板加工设备的发展方向。

［1］齐自成.薄型和超薄型石材的发展和应用［J］.中国建材，2006 (3):84-86.

［2］谢志刚，王智慧，张延军.金刚石组锯绳技术综述［J］.超硬材料工程，2012，24(2):35-39.

［3］廖原时.2015年意大利维罗纳国际石材展机械观感［J］.石材，2015(12):10-18.

Current Situation of Ultra Thin Natural Stone Slab Cutting and Research on Diamond Wire Cutting Technology

CHEN Chao，PENG Shao-bo，CHEN Jia-rong，QIN Jian-xin，XIAO Le-yin，XIE De-long，PAN Xiao-yi，LIN Feng
(Guangxi Key Laboratory of Superhard Materials;China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.Ltd.; Chinese National Engineering Research Center for Special Materials，Guilin，China 541004)

Ultra-thin natural stone slab is the trend of the development of the modern stone industry.Traditional sheet cutting equipment and method has been listed in this article，and current application of diamond wire saw has been discussed.Meanwhile，the application prospect of diamond wire saw in stone indusrty has been predicted through analysis of ultra-thin natural stone slab cutting technique by diamond wire saw along with the concept of multi-group wire saw.Through the cutting experiment to marble blocks，it is concluded that diamond wire saw cutting has many advantages such as hign efficiency，good surface smoothness，thinner finished product and lower energy consumption.Influence of strength，particle size and concentration of the abrasive particles of the diamond wire saw on its abrasion has been further discussed.The influence of binding agent abrasion，fissure and bubble effect on the failure of diamond wire saw has also been analyzed.

Ultra-thin;natural stone slab;wire saw;cutting

TQ164

A

1673－1433(2016)06－0041－05

2016－09－18

陈超(1980－)，男，硕士，高级工程师，研究领域:超硬材料制品，高压科学与技术。E-mail:52304264@qq.com

林峰(1963－)，男，博士，教授级高级工程师，研究领域:材料学、超硬材料。E-mail:linf6316@sina.com

陈超，彭少波，陈家荣，等.超薄天然石板材切割现状及金刚石线切板技术研究［J］.超硬材料工程，2016，28(6):41-45.