金剛石串珠繩鋸在石材加工中的應用

1前言

　　近年來(lái)，金剛石串珠繩鋸以其準備時(shí)間短、切割靈活、低噪聲、低粉塵、低污染、節能等特點(diǎn)，在石材行業(yè)得到了廣泛的應用。串珠繩本身結合了金剛石超強的剛性和繩索的柔性，使其能適應諸如荒料開(kāi)采，這種獨特鋸切模式，是其它金剛石工具所無(wú)法達到的;另外，串珠繩在長(cháng)度上的幾乎不受限制，使其適用性加強，在一些特殊場(chǎng)合如水下加工、建筑物的拆除等將發(fā)揮獨特的作用。為了促進(jìn)我國石材工業(yè)的發(fā)展，筆者對金剛石串珠繩的應用及一些使用經(jīng)驗進(jìn)行討論，以供石材加工企業(yè)借鑒和參考。

　　2金剛石串珠繩鋸的構成與制造

　　2.1金剛石串珠繩鋸的構成

　　串珠繩的結構如圖1所示。在一根多股鋼絲繩上面按比例穿套有一定數量的金剛石串珠顆粒，相鄰串珠間由起支撐固定作用的隔離套分隔(類(lèi)似項鏈)。金剛石串珠繩鋸加工是由直接參與切割用的金剛石串珠繩和驅動(dòng)串珠繩運動(dòng)的相應機械設備(即繩鋸機)共同完成，加工前，利用銅套等對接套將一定長(cháng)度的串珠繩首尾對接，形成閉合圈。加工時(shí)，張緊在繩鋸機導輪組上的閉環(huán)串珠繩，在驅動(dòng)力的帶動(dòng)下串珠繩作高速運動(dòng)，并通過(guò)串珠的磨削運動(dòng)實(shí)現切割。

　　2.2金剛石串珠繩的制作工藝

　　(1)金剛石串珠

　　從金剛石串珠繩發(fā)明到現在，對串珠制作工藝的改進(jìn)從未停止過(guò)。目前金剛石串珠制造工藝還是以電鍍法和熱壓燒結法為主，且后者占主導地位。盡管臺灣有學(xué)者利用釬焊方法成功地制造出釬焊金剛石串珠，但目前尚未實(shí)現大規模工程應用。圖為分別采用這三種工藝制備的金剛石串珠樣品。燒結型串珠具有較高的耐磨性。通過(guò)調整胎體中各金屬成份比例或選用不同品級、粒度、濃度的金剛石磨料可以實(shí)現胎體磨耗速度和金剛石磨料磨損速度的調控，從而制造出具有不同的出刃高度和空間的串珠，以適應不同材質(zhì)的切割。與熱壓燒結串珠相比，電鍍金剛石串珠制作工藝相對簡(jiǎn)單，而且更有利于串珠小直徑化。由于金剛石鍍層較薄，胎體耐磨性較差，其鍍覆金屬對金剛石磨粒的把持力有限，金剛石磨粒易提前脫落，故總體性能不如燒結型串珠，不適合切割花崗石，目前主要用于大理石等較軟材質(zhì)的切割。

　　(2)隔離套

　　隔離套用于定距隔離和固定相鄰串珠。目前工程中常用的隔離套有三種。彈簧墊圈式是最早使用的隔離套形式。由于彈簧墊圈式隔離套在加工時(shí)磨屑很容易從串珠、彈簧、墊圈之間的間隙進(jìn)入并在繩鋸彎曲運動(dòng)作用下對鋼絲繩進(jìn)行磨蝕，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)，由于石英硬度高，對鋼絲繩磨蝕性相當嚴重，因此這種隔離套適用于較軟材質(zhì)的切割。目前已較少采用。為了適應高硬度材質(zhì)切割的需要，發(fā)展了注塑式和注膠式隔離套。注塑、注膠式的隔離套是以耐磨塑料、橡膠充當串珠間的隔離墊。串珠與鋼絲繩之間完全被塑料、橡膠所充填，從而避免了磨屑進(jìn)入串珠與鋼絲繩間而磨蝕鋼絲繩。正是它的出現，使得串珠繩鋸的應用范圍拓展到花崗石類(lèi)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鋸則主要用于攝氏零度以下、比較寒冷地區的石材礦區，這是因為橡膠的低溫性能比塑料好，在低溫下仍能保持較好的柔韌性和強度，不致脆裂。 [Page]

　　(3)鋼絲繩

　　由于串珠是定距固定在鋼絲繩上并在其帶動(dòng)下行切割的，故鋼絲繩可視為串珠繩的“脊粱”。串珠繩鋸在使用過(guò)程中，鋼絲繩經(jīng)常會(huì )因疲勞磨損、磨屑磨蝕、化學(xué)腐蝕等原因而出現斷繩現象，特別是當加工面積達到一定量時(shí)，斷繩現象更為頻繁。斷繩不僅影響生產(chǎn)，而且還帶來(lái)甩珠傷人等不安全隱患，因此鋼絲繩的性能對串珠繩使用至關(guān)重要。除了鋼絲本身性能外，鋼絲繩的壽命還與加工過(guò)程中的預緊拉力、各導輪最小曲率、加工過(guò)程中串珠的軸向載荷以及沖擊載荷等因素有關(guān)，故應選用專(zhuān)業(yè)鋼絲繩生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品，且使用時(shí)應參考鋼絲繩的相關(guān)說(shuō)明。

　　3繩鋸加工石材的一般過(guò)程

　　實(shí)際工作中，用串珠繩所鋸切的石材多種多樣，鋸切的條件有很大的不同，在礦山開(kāi)采、異形石材加工和建筑物拆除等使用中，其鋸切過(guò)程很難進(jìn)行類(lèi)比，本文僅就串珠繩鋸切一般荒料這一典型加工過(guò)程來(lái)分析串珠繩鋸切石材時(shí)鋸切曲線(xiàn)的變化和有關(guān)規律。

　　3.1由尖趨平

　　串珠繩切割機理和過(guò)程是非常復雜的，為了方便說(shuō)明，對串珠繩作如下假定：在其徑向方面是完全的柔軟，即不承擔任何彎曲應力;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，串珠繩最初的鋸切曲線(xiàn)與被鋸石材方料的表面完全重合，如圖2中的第一條曲線(xiàn)，包括AB，BC，CD三部分線(xiàn)段組成。此時(shí)AB，BC，CD的內部由于半徑R值趨向于無(wú)窮大，所受鋸切力為零，磨損速度為零。鋸切實(shí)際上只在A(yíng)，B，C，D四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行，使得四個(gè)角上的尖刃很快被磨平，并向相鄰部分擴展，，弧AB，BC，CD變成一條平滑的曲線(xiàn)，如圖2中的曲線(xiàn)2。這一過(guò)程可稱(chēng)為“由尖趨平”。

　　3.2由平趨圓

　　串珠繩加工石材，其鋸切曲線(xiàn)的變化基本上是一個(gè)由方趨圓的過(guò)程。在曲線(xiàn)2中，尖角雖然被磨平，但整條鋸切曲線(xiàn)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于其它部位，于是使這些部位的曲率半徑逐步增大，而遠離這些部位的部分R值相應變小，及至整條磨損曲線(xiàn)各部分的曲率半徑和磨損速度達成某種均衡，如圖2中的曲線(xiàn)3。這時(shí)磨損曲線(xiàn)的頂端近似于圓弧狀，故稱(chēng)這一過(guò)程為“由平趨圓”。這一過(guò)程在石材方料的鋸切中可能要花很長(cháng)的時(shí)間，由于鋸切初始條件的不一樣，也可能無(wú)法形成曲線(xiàn)3那樣的穩定狀態(tài)。在這一鋸切過(guò)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(shí)弧AB，弧DC與不參加鋸切的松邊、緊邊組成兩條直線(xiàn)。在B，C兩處，較大的鋸切速度使其曲率半徑不斷增大，弧BC鋸切速度漸趨均衡，接近于半圓形，而線(xiàn)AB，DC成為弧BC的切線(xiàn)，切點(diǎn)分別為B，C。在鋸切曲線(xiàn)由平趨圓的過(guò)程中，其所對應的圓心角越來(lái)越小，由最初的大于1800逐步下降，當鋸切曲線(xiàn)的側面AB，DC段鋸切速度逐漸變慢并成為直線(xiàn)而停止鋸切，其對應的圓心角為180℃。此時(shí)串珠繩的實(shí)際鋸切曲線(xiàn)僅限于切點(diǎn)上的圓弧BC部分，鋸切曲線(xiàn)的實(shí)際長(cháng)度顯著(zhù)縮短。

　　3.3穩定鋸切

　　曲線(xiàn)3是一種非常有意思的穩定鋸切狀態(tài)，它頂端接近于半圓弧，而在B，C兩點(diǎn)的切線(xiàn)與松邊、緊邊重合成直線(xiàn)，這兩條直線(xiàn)的距離跟主動(dòng)輪的直徑d一致此時(shí)，整個(gè)系統在縱向(即AD方向)上停止了鋸切，在橫向上，各點(diǎn)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(gè)過(guò)程中，鋸切曲線(xiàn)的形狀在大多數階段處于調整變化之中，鋸切曲線(xiàn)的內部因鋸切速度的不同而不斷調移其曲率，而邊界條件的變化又對鋸切曲線(xiàn)進(jìn)行著(zhù)影響，只有在曲線(xiàn)3這一情況下，種種因素達到了平衡而保持了形狀的穩定。

　　串珠繩鋸切曲線(xiàn)的頂端的形狀接近于圓形，因鋸切力所引起的串珠繩張力在松邊小而在緊邊大，張力的不同，勢必導致串珠繩對石料壓力的不同，壓力大的緊邊的鋸切速度快于松邊，使得其曲率進(jìn)一步減少而略小于圓弧;與之相反，松邊的曲率將略大于圓弧。以此保持整條鋸切曲線(xiàn)的平衡。同時(shí)，緊邊由于張力的增大，弧線(xiàn)前移，使切點(diǎn)C更加靠近D點(diǎn)，而B(niǎo)點(diǎn)的情況相反，使得AB線(xiàn)段的長(cháng)度大于DC0穩定鋸切階段鋸切曲線(xiàn)的實(shí)際鋸切曲線(xiàn)的長(cháng)度和形狀都保持不變，因而曲線(xiàn)受力情況穩定，不用調節系統的初始張力等參數，是一種較為理想的鋸切狀態(tài)。

　　3.4殘余鋸切

　　穩定鋸切的后段，切點(diǎn)B，C逐漸向邊緣A，D靠近，當緊邊上C點(diǎn)首先跟D點(diǎn)重合時(shí)，曲線(xiàn)的邊緣條件將發(fā)生改變，曲線(xiàn)3的平衡被打破，鋸切進(jìn)人殘余鋸切階段。在這一階段，鋸切曲線(xiàn)所對應的圓心角從原來(lái)的1800持續減少，鋸切曲線(xiàn)的長(cháng)度被快速縮短，單位長(cháng)度上串珠繩的壓力增大，必須及時(shí)調整系統的初始張力，以免串珠或金剛石因為過(guò)大的壓力而被破壞。 [Page]

　　4繩鋸切割用于石材荒料開(kāi)采

　　4.1石材荒料開(kāi)采前的準備

　　金剛石串珠繩的使用，需要一定的條件，一般在露天礦開(kāi)采，必須有電源、水源和公路，同時(shí)具備起重設備、運輸工具、較大場(chǎng)地，礦層厚度至少有500mm及較完整的形狀等條件。采用金剛石串珠繩開(kāi)采石材要經(jīng)過(guò)一系列的準備工作。

　　(1)打孔

　　打孔是一項關(guān)鍵的準備工作，若孔打不好，直接影響串珠繩的穿通，影響繩的使用壽命及切割效率，所以打孔這一工序特別重要。

　　欲切割一大塊荒料、必須打好三個(gè)孔，即一個(gè)豎直孔和兩個(gè)水平孔。三孔相交于一點(diǎn)(如圖3)，這是最理想的打法，如果三孔不交于一點(diǎn)，那么會(huì )出現以下情況：a.金剛石串珠繩的穿孔比較麻煩，甚至不能穿，那么就要重新打孔，這樣降低了生產(chǎn)效率。b.即使穿通了，切割時(shí)會(huì )對串珠繩的壽命有影響，因為繩在孔中經(jīng)過(guò)多次轉彎曲折的路線(xiàn)，對繩的磨損更歷害，這樣就降低了串珠繩的使用壽命，因此打孔必須根據實(shí)際情況，按操作規程進(jìn)行。

　　(2)穿繩過(guò)孔

　　目前國內石材行業(yè)使用串珠繩時(shí)，大都采用人工穿繩法，即：將繩的一端固定多股回路軟線(xiàn)，從一孔穿進(jìn)，用鐵絲從另一孔引出，這樣就穿通了申珠繩。

　　(3)安裝設備

　　串珠繩穿通后，就進(jìn)行設備安裝，由于設備較重，再加上切割一平面后，需要重新調整設備，因而在其身邊必須配備一臺起重設備，隨時(shí)可以起重進(jìn)行安裝。

　　(4)供水

　　切割石材時(shí)，由于繩的線(xiàn)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(chǎn)生大量的熱，不但會(huì )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(huì )降低串珠繩的使用壽命。為確保繩的質(zhì)量和壽命，必須供水，供水必須沿著(zhù)繩的運動(dòng)方向加人。

　　4.2石材荒料的切割

　　用串珠繩切割大理石荒料時(shí)，必須先切割水平面，然后再切割豎直面，這樣才能保證切割的順利進(jìn)行。切割方式一般是先切割水平面，后切割豎直面。若先切割豎直面，再切割水平面，待水平面切割要完畢時(shí)，突然被切割的石材發(fā)生裂紋，壓住串珠繩，無(wú)法切割，電機空轉，并且串珠繩發(fā)生變形。

　　串珠繩不僅用來(lái)開(kāi)采荒料，而且還可以加工各種規格石材圓弧、異形、基石等，配備的繩鋸機具有高線(xiàn)速、高效率、高精度、曲線(xiàn)式、弧形式、直線(xiàn)式，并裝有微機控制和仿形兩種。