国内宝石加工技术及设备的发展概述

2023-08-29陈偲偲李柳毅

新疆有色金属 2023年5期

陈偲偲李柳毅

（深圳技师学院，广东深圳 518045）

宝石是大自然艺术的结晶，再经过人类的精心设计、加工、打磨后光彩夺目、价值倍增。宝石的切磨始于百万年前石器时代，那时候加工出来的都是较粗糙的装饰品，到新石器时代末期，手工艺制品技艺不断提高并出现了抛光工艺。现在宝石加工从手工业式跃为机械化、自动化，且工艺日益精湛。“工欲善其事必先利其器”，宝石加工技术设备在宝石加工中具有不可替代的重要地位，以下简要探讨国内宝石加工技术设备的发展。

1 古代加工技术及设备

远古时期，人们主要利用等硬度或硬度相差稍大的石块相互摩擦，以达到把石料磨钝用于佩戴的目的。这时的研磨抛光工具相对单一，且相互之前硬度差异不大，因此速率较慢、加工质量较差。随着青铜器和铁器的发展，加工研磨石料的磨具变得丰富，金属制的片具、砣具、线具等广泛应用于宝玉石加工中。抛光的工具和材料也变得丰富，木制、皮质材料用于抛光中以增加抛光工序，以达到更光亮的目的。抛光用的砂质材料也从原先较单一的石质变为经过捣砂研浆各种工序后形成的多种研磨材料，如石英砂、石榴石砂、刚玉砂等。不同的工序用不同硬度、不同颗粒大小的磨料，以此增加宝玉石表面光亮度。最早的磨盘和磨轮的动力是靠人或水轮机来获得，但由于转速慢，所以效率非常低，宝石加工的质量也不太高。而且宝石琢型的概念此时还未系统的形成，因此加工出来的宝石主要以原石性质或弧面型为主，来体现宝石的颜色。

2 近代加工技术及设备

19 世纪70 年代后期，发电机的问世和电动机的发明实现了电能和机械能的转换[1]，以电为动力的宝石加工设备相继问世。同时，宝石琢型开始逐渐受到人们关注，人们开始追求宝石的闪烁度和明亮度，因此各种各样的宝石琢型经过精密的计算设计慢慢开始出现在大众视野，同时加工设备也应运发展。

2.1 斜木桩加工设备[2]

加工台上固定有一个钻满不同高度的小孔且可旋转的斜木桩。宝石加工时，将粘有宝石的木杆的尾端插入小孔里，通过调节上面的孔位来确定宝石切磨的角度。这个加工过程中的角度全部依靠切磨工匠的经验和眼睛来衡量，因此加工精度不高，且效率也比较低。

2.2 电动机加工设备

2.2.1 八角手宝石机

磨盘和抛光盘的转动是依靠盘下方的一个电机带动以转动的。最主要运用到的是一个八角手的工具，也可以用五角手或六角手代替。八角手放到一个可调节高度的平台上，通过调节平台的不用高度或测量装在八角手上粘有宝石粘杆和磨盘的角度，来确定宝石研磨的角度。研磨过程中，依靠旋转八角手的八个边（或五角手的五个边、六角手的六个边）来磨制宝石上的不同刻面。这种加工设备容易上手，操作较简便，灵活快捷，因此现在很多单粒宝石的加工依然主要依靠它。但由于宝石刻面的角度大部分是依靠匠人的经验或粗略测量，因此加工的精度不是特别高。

2.2.2 机械手宝石机

主要机器设备同上述八角手宝石机，不同在于运用到的是一个固定在立柱上的机械手，通过一个扇形的量角器调整宝石不同刻面的角度，同时通过旋转机械手顶端的分度轮来进行刻面的等分以研磨不同的刻面。这种加工方法精确度比八角手高，角度的误差也较小，但加工的效率不如八角手。因此现在很多宝石匠人主要用机械手加工天然的中高档宝石。

2.3 宝石抛光设备

中高档的单粒宝石使用上述电动机加工设备手工抛光，而对于大批量的中低档宝石、有机宝石等主要使用滚筒加工和振动加工。滚筒加工是让宝石在橡胶桶里和桶内的磨料相互摩擦作用以达到表面光亮的目的。振动加工是通过振动容器的振动使内部的宝石与磨料相互作用达到加工的目的[2]。这两种抛光设备大大缩短了宝石抛光时间，但抛光的精细程度是不够的，更适合一些珠型、弧面型、随型宝石的抛光加工。

除以上讨论设备革新外，近代宝石加工的技术流程方法也更加完善，使用的辅料也更具体适用。比如近代宝石加工根据宝石硬度不同，抛光粉的选择也更多，如天然抛光粉包括有金刚石粉、刚玉粉、红粉、绿粉等，人工合成抛光粉包括有合成金刚石粉、合成碳化硅粉等。抛光用的工具也根据加工的琢型和宝石硬度有硬盘、中硬盘、软盘等之分。因此近代宝石加工设备技术较之古时有很大的飞跃。

3 现代先进加工技术及设备

现在随着科学技术的进步，宝石加工技术设备也发生了很大的变化，由原来的手工研磨到半自动化研磨，再到全自动化无人值守智能设备，宝石加工的速率得到了明显提升。

3.1 宝石切割设备

多刀片切割机，可将一块原料一次切割出多粒大小规格一致的小料，大大节省了切割时间，但较多适用于合成宝石或低档大块宝石。且由于每个刀片距离相对比较固定，因此不能很好的筛选原料中的杂质。自动切割机根据已设定好的参数和规格来切割原料，优点和局限性和上述多刀片切割机类似。

3.2 宝石定型设备

早期的宝石定型都是在宝石研磨机或在定型机上手工单粒定型，近些年推出了先进的半自动定型、超声波技术定型、激光技术定型等设备。半自动定型机主要与使用的磨具有关，在机器的轴承上安装上期望宝石加工的形状磨具，宝石在转动过程中，其外围按照磨具的大小形状来研磨。超声波技术定型是采用超声波振动器使一个金属工具以极高的频率上下振动，同时水浆状磨料不断加到钻具顶部，这样在数秒钟内准确地钻孔和琢磨宝石外形[2]。激光技术速度更快、成本低，适合加工的材料范围很广，可以对各种材料在短时间内加工定型。同时利用激光可以非常准确的去除宝石内部的杂质和进行特殊形状宝石的加工。但激光切割宝石比传统方法损耗更大，因此一般用于不太贵重的宝石加工。这些新型宝石定型设备对于操作人员要求不太高，只需要稍加培训，懂得操作机器的要领即可上岗。不仅节约了人员培训成本，也大大提高了宝石出成率。

3.3 宝石粘接设备

宝石粘接主要都是依靠手工使用循环用粘胶或一次性粘胶，将宝石一粒粒粘接到铁杆上。人工宝石工厂为了提高生产效率，使用全自动化粘石设备。利用数控机器，将一排几十粒宝石在已编程好的情况下直接粘到粘杆上，整个粘接过程既快速又精准，反石过程亦是如此。但是这种粘接方法主要适用于批量同规格宝石石坯，高档特殊宝石石坯不适用。

3.4 宝石研磨设备

前文分析了传统机械手、八角手宝石机，宝石刻磨角度、误差、效率方面都是各有千秋。近些年为改善宝石加工设备中的各种缺陷，推出数控宝石切磨机、数控自动化宝石切磨机、人工智能无人值守宝石切磨机、多粒宝石加工设备等。

3.4.1 数控宝石切磨机

包括机架、位于机架前部的操控板及固定台、多用途升降台和齿轮齿条水平运动装置。齿轮齿条水平运动装置安装于面板的下端且该装置用于带动多用途升降台在面板上作水平移动，多用途升降台可安装机械手或八角手。这种新型研磨机能精确调整刻面宝石加工倾角，保证宝石加工最佳研磨点，并根据宝石加工的要求使用八角手或机械手。

这款新型机器极大弥补了八角手研磨角度方面的缺陷，利用已设定好的程序直接控制平台的升降，精准控制研磨角度。使用者只需要输入需要的角度，程序根据已设定公式自动升降至对应的高度，同时可以微调角度来控制研磨误差，这些都弥补了八角手精度方面的不足，加工效率还得到进一步提升。

3.4.2 数控自动化宝石切磨机

宝石加工的所有工序都由计算机控制，只需要把刻面宝石款式的所有数据输入计算机，然后控制机械手臂按照设计要求来加工宝石。一台机器上磨盘和抛光盘分布在工作台两端，一边完成研磨，直接移动到另一边抛光，人员操作移动机械臂即可，同时把控研磨质量。

这款机器能加工各种规格款式的玻璃、水晶、刚玉等天然和合成宝石，操作人员只需培训即可操作，一人能独立操作数台机器，宝石加工效率和质量都有一定的保证。

4 未来宝石加工技术发展方向

国内近年来宝石加工从业人员越来越多，尤其是有着“世界人工宝石之都”之称的广西梧州，经过30 多年的发展，宝石加工人数高达10 万人，产量达120 多亿粒，占世界人工宝石产量的80%，占国内的90%以上，同时产业和从业人员还辐射周边广东、福建等地。全球智能化的进程也影响宝石加工技术，对于以后的发展趋势，主要有以下几点。

4.1 培育钻石切磨的智能化

近年来，全球培育钻石的原石需求一直呈现增长态势。目前我国培育钻石上游毛坯钻石大规模生产技术已经比较成熟，形成产业集群优势，但中游90%以上的钻石切割加工都在印度，下游培育钻石销售目前主要需求在北美，但未来国内的销售量不容小觑。前文提及的数控自动化宝石切磨机、人工智能无人值守宝石切磨机等先进机器设备目前已在广西梧州宝石加工厂中大规模投入使用，如能改进后用于培育钻石的研磨，将大大提升全球培育钻石出产量，同时国内产出的大量培育钻石不用再销往印度切磨后再返回国内销售，这样也节约了国内培育钻石的成本。发挥梧州人工宝石城的产业、地域优势，将国外培育钻石加工产业引进，既能改进培育钻石加工产量的问题，也能解决更多宝石加工从业人员就业。

4.2 宝石加工工厂智能化

早些年宝石加工都是一个工人每天坐在宝石切磨机前研磨抛光每一颗宝石，每日马不停蹄的工作产量大概是几十上百粒，其中还不包括切割、定型、粘石等工序。现在人工宝石工厂已经开始大规模使用人工智能化生产设备，以后应继续发展向原料切割、定型、粘石、研磨、抛光一整套工序全部由机器手臂完成，并且由机器完成基础的产品质量筛选工作。人员操作、维护机器并做最后的把关。