金刚石串珠绳锯制备技术和应用进展

卢家锋，唐 静

(1.梧州学院 机械与资源工程学院，广西 梧州 543002；2.梧州学院 大数据与软件工程学院，广西 梧州 543002)

金刚石串珠绳锯是一种使用金刚石串珠作为切割工具的切割设备。与传统的金刚石切割工具相比，金刚石串珠绳锯具有以下特点：一是高效性，金刚石串珠绳锯采用连续式切割方式，能够连续不断地进行切割，从而提高了切割效率；二是精度高，对于大型建筑、石材等切割对象，金刚石串珠绳锯的切割精度非常高，可达到毫米级别；三是适用范围广，金刚石串珠绳锯可以用于切割各种材料，如石材、混凝土、金属等；四是维护成本低，金刚石串珠绳锯的切割绳可以更换，维护成本相对较低。金刚石串珠绳锯的应用也非常广泛，除了应用于传统的建筑、矿山、隧道等行业外，金刚石串珠绳锯在水泥、金属切割、采矿、核电等行业也有应用。总的来说，金刚石串珠绳锯具有高效性、精度高、适用范围广等特点，在不同行业和领域都有广泛的应用前景[1]。

1 金刚石串珠绳锯的新技术

1.1 钎焊技术

金刚石钎焊技术是一种将金刚石与金属材料焊接在一起的技术[2]。由于金刚石的硬度非常高，因此在加工高硬度材料时具有很好的切削性能。但是金刚石的热稳定性较差，如果在高温下进行传统的焊接，金刚石可能会受到损害或破裂，从而降低金刚石的强度。而金刚石钎焊技术可以有效地克服这一问题。该技术是采用一种特殊合金粉末作为焊料(如Ti、Cu、Cr、Ni等)的钎料金属，将金刚石与焊料一起加热到高于焊料熔点，使焊料渗透到金刚石与工具基体之间的缝隙中，活性元素与金刚石表面发生反应，形成一层碳化物。有了这层碳化物的作用，金刚石、焊料和基体可以实现固体化学冶金结合[3]。金刚石钎焊技术可以在较低的温度下进行，从而避免了金刚石的热损伤，也能有效防止材料的变形和氧化。钎焊金刚石工具可以分为单层钎焊和多层钎焊，多层钎焊的金刚石工具在最外面的金刚石磨损耗尽时，可以由里层的金刚石继续作为磨粒进行工作，其寿命能够增加。国内的金刚石串珠主要是用镍基或钛基焊料制备，然后在真空或氩气的气氛下进行烧结。

王名科等使用Ni-Cr钎料制备了金刚石串珠绳锯并进行了花岗岩切割试验[4]。试验结果表明，钎焊的金刚石串珠绳锯切割寿命和效率相比传统方法加工生产的金刚石串珠绳锯提高了20%～30%。

Rommel采用激光钎焊的方法制备了Ni-Cr基合金的金刚石串珠，并通过电子显微镜及X射线光谱对结合面进行分析[5]。试验结果表明，由于基体材料对金刚石具有良好的润湿性能，在基体和金刚石之间没有发现缝隙或裂纹的形成，虽然激光的高温会使金刚石的强度有所下降，但是作为绳锯的应用，其强度在可接受范围内。

图1 激光钎焊工艺示意图

目前，国内外企业主要是制作单层金刚石钎焊串珠，多层金刚石钎焊串珠有相关的专利文献，主要采用副基体以及开环形槽方式实现多层钎焊，但是由于生产成本等原因，其并未在工程实际中广泛应用[6-7]。

1.2 金刚石有序排布技术

金刚石有序排布技术，也称为金刚石阵列技术，是一种通过人工或机械方法将金刚石微粒有序排列在工具基体上的技术，金刚石之间的排列距离和排列方式是可控的，可以根据需要进行调整，以适应不同的切割要求。目前，实现金刚石有序排列的方法有多种，包括模板法、胶水点胶法、激光法等[8]。最新的实用方法是利用基体冷压过程中形成规则排列的孔或是预制孔，将金刚石填入孔内后再进行热压烧结。这种方法可以有效地控制金刚石的排列距离和排列规律，使得金刚石晶体在基体上均匀、有序地排列，从而获得更高的性能和稳定性[8-9]。此外，还可以通过控制孔的直径来调整金刚石晶粒的尺寸，以满足不同的切割表面需求。

目前已有将金刚石有序地排列在串珠工作面上的相关研究，与传统串珠相比，这种串珠的切割效率和切割寿命大大提升，并且金刚石利用率也得到提高。如，刘凡采用点胶法制备了均布式、斜排式、交错式有序排布镀钨金刚石钎焊绳锯，通过对C35钢筋混凝土的切割试验发现，斜排式、交错式绳锯的切削效率最高可达 0.10～0.12 m2/min，比无序排列的绳锯切削效率提高了3～4倍[10]。

金刚石有序排布技术可以提高金刚石的利用率，但是目前多采用人工排布的方式，效率低、成本较高。研究人员还需要将自动化技术应用到金刚石有序排布中，并对相关工艺参数做进一步的优化。

1.3 热等静压技术

热等静压技术是一种制备高质量单晶和多晶复合材料的方法。这种技术向制品施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化，从而制备出高质量的复合材料[11]。热等静压技术很早就用于制备硬质合金，然后逐渐成为制备金刚石工具的一种重要方法。

采用热等静压技术制备金刚石串珠绳锯也有相关研究，翟向乐等采用热等静压技术和传统热压技术制备金刚石串珠绳锯[12]。通过锯切试验表明，采用热等静压技术制备金刚石串珠绳锯使用切割寿命由2.26 m2/m提升了27.43%，达到了2.88 m2/m，切割速度由1.62 m2/h提升了45.06%，高达2.35 m2/h(表1)。

表1 金刚石串珠绳锯试验结果

热等静压技术能使烧结更致密，但目前国产的热等静压机基本技术性能与国外还有一定的差距，基于成本的因素，热等静压技术尚未在金刚石串珠绳锯中广泛应用。

1.4 多绳金刚石串珠绳锯机

1995年意大利Co.Fi.Plast公司研制的多绳金刚石串珠绳锯成功用于切割花岗岩石材，2006年，国外研发的多绳锯产品开始在世界各地石材加工中应用，其中主要以意大利企业的产品为主[13]。我国自主研发的多绳锯在2009年有相关产品开始进入市场，目前已广泛应用于花岗岩、大理石等石材大板加工，主要企业如泉州华大、长沙百川、天石源、众源机械等。

相对单绳金刚石串珠绳锯，多绳金刚石串珠绳锯具有生产效率高、板材质量好、生产成本更低的优点。多绳金刚石串珠绳锯多用于20～30 mm规格的大板加工，绳数一般选择72～80绳，方便控制板材的厚度。

王发凯应用TRIZ创新问题解决方法和功能原理，提出了变型四轮、六轮多绳金刚石串珠锯设计方案，并根据多绳金刚石串珠锯设计方案的结构、性能特点，给出了评价指标体系的递阶层次结构及评价指标，建立了多绳锯方案设计综合评价体系[14]。

王飞等对多绳锯整机模态以及加工中受迫振动等工况进行研究，给出关键部件在有无结合面2种情况下不同的固有频率和振型，并分析了串珠绳组纵向振动和扭转振动的诱因(图2)[15]。

图2 串珠绳受力分析

宿维纪对多绳金刚石串珠绳锯机应用范围及金刚石绳的选用作了介绍，并对目前主要的多绳金刚石串珠绳锯机结构类型进行了总结分析，为多绳金刚石串珠绳锯的工程应用提供了参考[16]。

1.5 综合技术的应用

金刚石串珠绳锯综合技术结合了金刚石串珠绳锯的优势，如高效、精确、环保等，以及其他自动化控制、切割理论模型等，以满足不同领域的加工需求，改善优化金刚石串珠绳锯工艺。

汪鹏等提出了一种基于ARM 微处理器的绳锯机检测系统，可实现对绳锯机水下切割的串珠绳张紧力、位置、进给速度、切削速度以及液压系统的监测，为金刚石串珠绳锯水下切割提供了可靠的工况数据，有利于提高水下切割的效率[17]。

徐田丰等以水下金刚石串珠绳锯机为研究对象，提出一种基于模糊PID的切割链张紧力控制策略[18]。试验结果表明，对于锯齿型目标张紧力，模糊PID控制方法的平均误差为传统PID的51%，标准差为传统PID控制方法的66%；对于正弦目标张紧力，模糊PID控制方法的平均误差为传统PID的69%，标准差为传统PID控制方法的90%，对于动态目标具有较好的控制性能(图3)。

Zhang Yong Rui等设计了水下金刚石串珠绳锯试验台系统，对金刚石串珠绳锯切割机理进行研究[19]。通过对试验台平行杠杆机构的运动学分析，推导平行加载机构方程，为切削力分布提供了依据。Rajpurohit Sohan Singh等以切削速度和单位磨损为岩石的可锯性判断依据，研究了9个花岗岩采石场岩石物理特性对金刚石线锯可锯性的影响[20]。研究结果表明，岩石的抗拉强度、耐磨性和脆性是影响金刚石串珠绳锯切削速度的主要特性，而岩石的抗压强度、弹性和耐磨性是影响金刚石串珠磨损的主要特性。

2 金刚石串珠绳锯的新特点和应用扩展情况

2.1 小直径金刚石串珠的应用

小直径金刚石串珠的应用：普通串珠的最小直径约为8 mm，这种串珠目前在世界上广泛用于加工复杂形状的石材产品。小直径金刚石串珠绳锯主要用于对狭缝尺寸有严格要求的领域，比如超薄石材切割。小直径金刚石串珠绳锯，一方面对于节约石材资源、切割宝石具有重要作用，另一方面，可以降低加工能耗，使加工手段更加环保。

陈家荣等通过对直径为3.5 mm、6.8 mm的串珠进行超薄石板切割加工[21]。试验结果表明，更小直径的金刚石串珠在龙门式绳锯机上使用的冷却水更少，更节约资源，直径3.5 mm的金刚石串珠绳锯切割大理石的面积是切割花岗岩面积的3倍。

吕永安等研发制作了直径2 mm串珠的新型金刚石串珠绳锯，通过对大理石的切割试验，结果表明，直径2 mm串珠的新型绳锯切割锋利度与直径8.8 mm的金刚石串珠绳锯相当，石材切割成材率可提高20%～30%，且更节能环保(图4)[22]。

图4 不同直径串珠弯曲度和电流的变化

2.2 切割性能不断提升

研究人员通过不断优化金刚石串珠绳锯的结构设计、切割参数等，如优化合金材料、张紧力、锯切参数、导轮间距、串珠绳直径等，提高了其切割性能和效率。

张志明等使用新型超细预合金，注射硫化固定的金刚石串珠绳锯进行高钢筋含量混凝土的切割试验[23]。试验结果表明，新型超细预合金的金刚石串珠绳锯比传统钴粉合金的金刚石串珠绳锯使用寿命(每米绳锯切割工件的截面积)更长、切割速度更快，并且不易断绳(表2)。

表2 不同绳锯的性能对比

卢元新等[24]使用压电晶体测力仪对金刚石串珠绳锯在锯切混凝土的垂直方向以及水平方向的锯切力进行了测量。结果表明，切削力随切削速度和切削长度的增加而增加，垂直力与水平力的比值约为4.45，呈现出良好的相关性(图5)。

图5 不同锯切长度对锯切力的影响

李岩岩等研究金刚石串珠绳锯的张紧力、导轮间距、串珠绳直径等参数对串珠绳振动的影响[25]。研究结果表明，这些参数对振动频率没有明显影响，串珠绳线速度及单位长度串珠个数的乘积决定加工过程的振动频率。张紧力的减小、导轮间距的增加、串珠直径的增加都会导致串珠绳的振动幅值增加。

Ahn根据绳锯与工件接触的形状近似于工件本身，提出了绳锯切割岩石过程的切割力分析框架，并通过试验进行验证，为更好地理解切割过程提供了一个新的理论模型[26]。冯佳豪设计出一种串珠绳自适应调节式绳锯机，该绳锯机利用自适应调节装置提高了串珠绳运行长度，有效地减少了断绳次数[27]。

2.3 应用领域不断拓展

近年来，金刚石串珠绳锯的应用领域不断拓展，其切割能力强、操作简便且速度快，在传统的石材、钢筋混凝土、硬材料等方面的应用取得了很好的效果，金刚石串珠绳锯开始应用于一些新的领域。

杨理清从绳锯材料选择、切割机、工艺步骤等方面介绍了金刚石串珠绳锯在盐溶矿开采、纯钢切割的应用情况，为金刚石串珠绳锯在新领域的应用提供了参考[28]。

张磊针对国内传统消防破拆装备无法安全破拆大尺寸建筑构件的难题，研发新型消防用金刚石串珠绳锯破拆装备[29]。该设备可供消防救援队伍用于处置建筑倒塌、地震、泥石流等灾害事故中，同时也可以供消防救援队伍用于处置动车、船舶、航空等交通事故，破拆动车、飞机、船舶等的外壳。

孙永泉设计一种可改变切割方向的核设施拆除金刚石串珠绳锯机[30]。通过建立使用水做润滑剂条件下的切削分子动力学仿真模型，进行了单颗粒金刚石的切削试验，研究法向载荷、电机转速对摩擦系数的影响，为金刚石串珠绳锯在核电设施的应用提供了参考。

伊建设计了一种由机械本体、主运动装置、张紧装置、控制系统等部分构成的机器人金刚石串珠绳锯机(图6-a，b)[31]。在雕刻加工中，采用机器人绳锯机切割后再雕刻的加工方式，比机器人雕刻加工方式的时间节约率达到 44.12%，石材利用率提升约3倍。

a.金刚石串珠绳 b.机器人绳锯机构的石材切割图6 金刚石串珠绳与机器人绳锯切割机构

3 结语

金刚石串珠绳锯在加工异形石材、建筑物、大型管道等方面具有独特的优势，并且效率更高。此外，金刚石串珠绳锯切割在本质上没有破坏性，在施工过程中金刚石串珠绳锯对混凝土建筑切割精度高、切口平整。新技术的使用，如热等静压技术、金刚石定向排列技术、钎焊技术以及金刚石串珠绳锯的其他新工艺和新方法，可以大大提高绳锯的整体性能，高性能金刚石串珠绳锯使其可以应用于更多的工程领域，例如，在海底输油管道维护、核电站拆除、应急救援、海上钻井平台拆除等领域也得到了有效应用。金刚石串珠绳锯在大型加工、切割工程上应用，可实现节能减排、降本增效。