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摘要：介紹了金剛石串珠繩據(jù)的構(gòu)成及制造方法，研究了金剛石串珠繩鋸加工石材的機(jī)理及過程及其在石材荒料開采中的應(yīng)用。

關(guān)健詞：金剛石繩據(jù)石材應(yīng)用

1前言

近年來，金剛石串珠繩鋸以其準(zhǔn)備時間短、切割靈活、低噪聲、低粉塵、低污染、節(jié)能等特點(diǎn)，在石材行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。串珠繩本身結(jié)合了金剛石超強(qiáng)的剛性和繩索的柔性，使其能適應(yīng)諸如荒料開采，這種獨(dú)特鋸切模式，是其它金剛石工具所無法達(dá)到的；另外，串珠繩在長度上的幾乎不受限制，使其適用性加強(qiáng)，在一些特殊場合如水下加工、建筑物的拆除等將發(fā)揮獨(dú)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(yīng)用及一些使用經(jīng)驗(yàn)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(gòu)成與制造

2.1金剛石串珠繩鋸的構(gòu)成

串珠繩的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在一根多股鋼絲繩上面按比例穿套有一定數(shù)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(類似項(xiàng)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(qū)動串珠繩運(yùn)動的相應(yīng)機(jī)械設(shè)備(即繩鋸機(jī))共同完成，加工前，利用銅套等對接套將一定長度的串珠繩首尾對接，形成閉合圈。加工時，張緊在繩鋸機(jī)導(dǎo)輪組上的閉環(huán)串珠繩，在驅(qū)動力的帶動下串珠繩作高速運(yùn)動，并通過串珠的磨削運(yùn)動實(shí)現(xiàn)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(xiàn)在，對串珠制作工藝的改進(jìn)從未停止過。目前金剛石串珠制造工藝還是以電鍍法和熱壓燒結(jié)法為主，且后者占主導(dǎo)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(xiàn)大規(guī)模工程應(yīng)用。圖為分別采用這三種工藝制備的金剛石串珠樣品。燒結(jié)型串珠具有較高的耐磨性。通過調(diào)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(xiàn)胎體磨耗速度和金剛石磨料磨損速度的調(diào)控，從而制造出具有不同的出刃高度和空間的串珠，以適應(yīng)不同材質(zhì)的切割。與熱壓燒結(jié)串珠相比，電鍍金剛石串珠制作工藝相對簡單，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(jié)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(yùn)動作用下對鋼絲繩進(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，由于石英硬度高，對鋼絲繩磨蝕性相當(dāng)嚴(yán)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(yīng)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(dāng)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(xiàn)，使得串珠繩鋸的應(yīng)用范圍拓展到花崗石類高硬度材料的切割加工。其中，注塑式應(yīng)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(qū)的石材礦區(qū)，這是因?yàn)橄鹉z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(qiáng)度，不致脆裂。

(3)鋼絲繩

由于串珠是定距固定在鋼絲繩上并在其帶動下行切割的，故鋼絲繩可視為串珠繩的“脊粱”。串珠繩鋸在使用過程中，鋼絲繩經(jīng)常會因疲勞磨損、磨屑磨蝕、化學(xué)腐蝕等原因而出現(xiàn)斷繩現(xiàn)象，特別是當(dāng)加工面積達(dá)到一定量時，斷繩現(xiàn)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程中的預(yù)緊拉力、各導(dǎo)輪最小曲率、加工過程中串珠的軸向載荷以及沖擊載荷等因素有關(guān)，故應(yīng)選用專業(yè)鋼絲繩生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品，且使用時應(yīng)參考鋼絲繩的相關(guān)說明。

3繩鋸加工石材的一般過程

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，在礦山開采、異形石材加工和建筑物拆除等使用中，其鋸切過程很難進(jìn)行類比，本文僅就串珠繩鋸切一般荒料這一典型加工過程來分析串珠繩鋸切石材時鋸切曲線的變化和有關(guān)規(guī)律。

3.1由尖趨平

串珠繩切割機(jī)理和過程是非常復(fù)雜的，為了方便說明，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(dān)任何彎曲應(yīng)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與被鋸石材方料的表面完全重合，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的內(nèi)部由于半徑R值趨向于無窮大，所受鋸切力為零，磨損速度為零。鋸切實(shí)際上只在A，B，C，D四個點(diǎn)進(jìn)行，使得四個角上的尖刃很快被磨平，并向相鄰部分?jǐn)U展，最后，弧AB，BC，CD變成一條平滑的曲線，如圖2中的曲線2。這一過程可稱為“由尖趨平”。

3.2由平趨圓

串珠繩加工石材，其鋸切曲線的變化基本上是一個由方趨圓的過程。在曲線2中，尖角雖然被磨平，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，其鋸切速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于其它部位，于是使這些部位的曲率半徑逐步增大，而遠(yuǎn)離這些部位的部分R值相應(yīng)變小，及至整條磨損曲線各部分的曲率半徑和磨損速度達(dá)成某種均衡，如圖2中的曲線3。這時磨損曲線的頂端近似于圓弧狀，故稱這一過程為“由平趨圓”。這一過程在石材方料的鋸切中可能要花很長的時間，由于鋸切初始條件的不一樣，也可能無法形成曲線3那樣的穩(wěn)定狀態(tài)。在這一鋸切過程中，A，B兩點(diǎn)的曲率不斷減少，最后減為零曲率而停止鋸切，這時弧AB，弧DC與不參加鋸切的松邊、緊邊組成兩條直線。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，最后接近于半圓形，而線AB，DC成為弧BC的切線，切點(diǎn)分別為B，C。在鋸切曲線由平趨圓的過程中，其所對應(yīng)的圓心角越來越小，由最初的大于1800逐步下降，當(dāng)鋸切曲線的側(cè)面AB，DC段鋸切速度逐漸變慢并最后成為直線而停止鋸切，其對應(yīng)的圓心角為180℃。此時串珠繩的實(shí)際鋸切曲線僅限于切點(diǎn)上的圓弧BC部分，鋸切曲線的實(shí)際長度顯著縮短。

3.3穩(wěn)定鋸切

曲線3是一種非常有意思的穩(wěn)定鋸切狀態(tài)，它頂端接近于半圓弧，而在B，C兩點(diǎn)的切線與松邊、緊邊重合成直線，這兩條直線的距離跟主動輪的直徑d一致此時，整個系統(tǒng)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形狀的穩(wěn)定。在串珠繩鋸切石材的整個過程中，鋸切曲線的形狀在大多數(shù)階段處于調(diào)整變化之中，鋸切曲線的內(nèi)部因鋸切速度的不同而不斷調(diào)移其曲率，而邊界條件的變化又對鋸切曲線進(jìn)行著影響，只有在曲線3這一情況下，種種因素達(dá)到了平衡而保持了形狀的穩(wěn)定。

(3)鋼絲繩

由于串珠是定距固定在鋼絲繩上并在其帶動下行切割的，故鋼絲繩可視為串珠繩的“脊粱”。串珠繩鋸在使用過程中，鋼絲繩經(jīng)常會因疲勞磨損、磨屑磨蝕、化學(xué)腐蝕等原因而出現(xiàn)斷繩現(xiàn)象，特別是當(dāng)加工面積達(dá)到一定量時，斷繩現(xiàn)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程中的預(yù)緊拉力、各導(dǎo)輪最小曲率、加工過程中串珠的軸向載荷以及沖擊載荷等因素有關(guān)，故應(yīng)選用專業(yè)鋼絲繩生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品，且使用時應(yīng)參考鋼絲繩的相關(guān)說明。

3繩鋸加工石材的一般過程

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，在礦山開采、異形石材加工和建筑物拆除等使用中，其鋸切過程很難進(jìn)行類比，本文僅就串珠繩鋸切一般荒料這一典型加工過程來分析串珠繩鋸切石材時鋸切曲線的變化和有關(guān)規(guī)律。

3.1由尖趨平

串珠繩切割機(jī)理和過程是非常復(fù)雜的，為了方便說明，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(dān)任何彎曲應(yīng)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與被鋸石材方料的表面完全重合，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的內(nèi)部由于半徑R值趨向于無窮大，所受鋸切力為零，磨損速度為零。鋸切實(shí)際上只在A，B，C，D四個點(diǎn)進(jìn)行，使得四個角上的尖刃很快被磨平，并向相鄰部分?jǐn)U展，最后，弧AB，BC，CD變成一條平滑的曲線，如圖2中的曲線2。這一過程可稱為“由尖趨平”。

3.2由平趨圓

串珠繩加工石材，其鋸切曲線的變化基本上是一個由方趨圓的過程。在曲線2中，尖角雖然被磨平，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，其鋸切速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于其它部位，于是使這些部位的曲率半徑逐步增大，而遠(yuǎn)離這些部位的部分R值相應(yīng)變小，及至整條磨損曲線各部分的曲率半徑和磨損速度達(dá)成某種均衡，如圖2中的曲線3。這時磨損曲線的頂端近似于圓弧狀，故稱這一過程為“由平趨圓”。這一過程在石材方料的鋸切中可能要花很長的時間，由于鋸切初始條件的不一樣，也可能無法形成曲線3那樣的穩(wěn)定狀態(tài)。在這一鋸切過程中，A，B兩點(diǎn)的曲率不斷減少，最后減為零曲率而停止鋸切，這時弧AB，弧DC與不參加鋸切的松邊、緊邊組成兩條直線。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，最后接近于半圓形，而線AB，DC成為弧BC的切線，切點(diǎn)分別為B，C。在鋸切曲線由平趨圓的過程中，其所對應(yīng)的圓心角越來越小，由最初的大于1800逐步下降，當(dāng)鋸切曲線的側(cè)面AB，DC段鋸切速度逐漸變慢并最后成為直線而停止鋸切，其對應(yīng)的圓心角為180℃。此時串珠繩的實(shí)際鋸切曲線僅限于切點(diǎn)上的圓弧BC部分，鋸切曲線的實(shí)際長度顯著縮短。

3.3穩(wěn)定鋸切

曲線3是一種非常有意思的穩(wěn)定鋸切狀態(tài)，它頂端接近于半圓弧，而在B，C兩點(diǎn)的切線與松邊、緊邊重合成直線，這兩條直線的距離跟主動輪的直徑d一致此時，整個系統(tǒng)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形狀的穩(wěn)定。在串珠繩鋸切石材的整個過程中，鋸切曲線的形狀在大多數(shù)階段處于調(diào)整變化之中，鋸切曲線的內(nèi)部因鋸切速度的不同而不斷調(diào)移其曲率，而邊界條件的變化又對鋸切曲線進(jìn)行著影響，只有在曲線3這一情況下，種種因素達(dá)到了平衡而保持了形狀的穩(wěn)定。

用串珠繩切割大理石荒料時，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，突然被切割的石材發(fā)生裂紋，壓住串珠繩，無法切割，電機(jī)空轉(zhuǎn)，并且串珠繩發(fā)生變形。

串珠繩不僅用來開采荒料，而且還可以加工各種規(guī)格石材圓弧、異形、基石等，配備的繩鋸機(jī)具有高線速、高效率、高精度、曲線式、弧形式、直線式，并裝有微機(jī)控制和仿形兩種。

5結(jié)束語

目前，金剛石串珠繩在我國石材行業(yè)中逐漸已廣泛使用，國內(nèi)許多石材引進(jìn)了先進(jìn)技術(shù)及裝備，應(yīng)用金剛石串珠繩來開采石材以及加工各種形狀的板材(主要是異形板材)，它具有生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，成本低等優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)了現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的新發(fā)展，對獲得高質(zhì)量的荒料及各種形狀的板材，提高了石材的加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。隨著多繩并排切割技術(shù)的成功應(yīng)用，它向傳統(tǒng)框架鋸板材切割方式發(fā)起直接挑戰(zhàn)，使大型或超大型板材的高效、低成本切割成為現(xiàn)實(shí)。使人們越來越認(rèn)識到串珠繩在石材加工上的優(yōu)越性