金刚石绳锯的研发与应用

1、采用金刚石绳锯开采石材的设想是英国人D.H.Prowse于1968年提出的。第一台实用机由LuigMadrigali于1977年10月在意大利研制成功。不到几年时间，生产数百台锯机，意大利200多个采石场全部推广使用绳锯，因此，金刚石串珠绳锯机在意大利首先使用，被称为“大理石矿山开采革命”。在1969-1970年度的意大利VERONA的S.Ambrogio石材博览会上，首次展出了带电镀串珠的串珠绳和加工设备。从此以后，这一深具潜力的工具得到了很快的发展。 经过二十年的研究与开发，金刚石绳锯不但广泛应用于大理石的开采，还可用于砂岩、花岗石等硬岩的分离切割；不但用于露天开采，还可用于地下窄矿脉及有

2、爆炸危险的南非地下金矿的开采；不但用于异型石材制品的加工，还可用于建筑与道路工程的建筑和钢筋混凝土的拆除与修整。 金刚石串珠绳锯在采石与建筑工程中的创造性使用，使金刚石串珠绳锯从采石场到石材加工厂，从大块切割到修整成形，从板材切割到异型制品加工以及建筑工程中的应用越来越多。 金刚石绳锯作为金刚石工具发展过程中的第三代产品，经过20多年的研发与改进，目前广泛应用于各种工程。这主要是它具有以下的优点： (1)设备简单、易于安装，不受场地与空问的限制，可进行水平、垂直与倾斜方向的切割，锯切面积可达200m2，加工质量好,石材损耗低，切割速度快，噪音低，震动小工作环境好，适应性强，可根据锯切对象与工作

3、条件选用不同规格与尺寸的金刚石绳锯设备。 (2)显著提高石材开采的荒料率，保护珍贵的石材资源。 (3)可加工各种形状的花岗石和大理石异形制品，其附加值高，可显著提高经济效益。 (4)可开采出大尺寸的大块荒料，增加成材规格，进而增加先进石材加工设备的板材产品规格，提高切割效率与经济效益。 (5)上述金刚石串珠绳锯的优越性，无疑对解决我国石材工业中出现的荒料率低，大规格板材短缺，异形制品满足不了国内外要求的矛盾，能产生很大的推动。积极开发与推广绳锯，是发展我国石材工业的重要环节。 金刚石绳锯问世以来，是绳锯制造工艺不断革新的过程，也是绳锯不断发展和扩大应用过程。目前全世界开采大理石有2000多台绳

4、锯机，开采花岗岩有1000多台绳锯机，荒料整形与板材锯切绳锯机不断增加，绳锯机多达50-100台。用于建筑折修与维护，交通工程改建使用绳锯不断增多。研究表明，金刚石串珠仍然是金刚石绳锯切割中成本与效益的主要因素。因此，国内外围绕串珠制造工艺做了一系列革新。 (1).串珠种类形成了电镀、烧结与高温钎焊多个产品种； (2).KPV218、WPD20冷压机显著提高串珠冷压生产效率，国内手动冷压工艺也不断完善； (3).串珠烧结工艺不断完善； (4).串珠注塑或硫化橡胶； (5).高温钎焊获得应用； (6).金刚石绳锯向小直径发展； (7).采用粉末塑“在线”加工技术生产小直径金刚石绳锯; (8).绳

5、锯开刃，DrFritsch公司为此推出SAMl50绳锯开刃机，可对10-50m长的绳锯进行开刃。 建筑材料几乎对我们生活的每一部分都是非常重要的。根据房屋建筑的特定用途，要使用大量不同性质的材料。由于这些建筑需要不断改造与装修，这些材料需要用线性切割工具切割与改建。绳锯锯切系统在锯切金属、石材和混凝土方面获得广泛应用。在上述现场，当前使用的绳锯机械尺寸过大，不易操作。其原因是，其传动部件所提供的额定功率太大，其设计过于笨重，因而开发一种特别小型的绳锯锯切系统显得十分必要。为开发一种先进的绳锯系统以便满足市场需要，在EC为基础的 CRAFT项目中形成欧洲领先企业的联合攻关，不但有绳锯终端用户和研

6、究院所，而且有设备与工具制造公司都积极参与了该攻关项目。新型机器的开发研制主要由绳锯系统供应商CEDINA，FerdinandKollerSohn和汉诺威大学生产工程和机械工具学院密切合作完成。Cedima绳锯系统供应商承担新型机器多种部件，特别是诌高频马达的设计与开发。FerdinandKoBer&Shon制造厂负责新绳锯机的制造。串珠绳锯由HB金刚石绳锯厂生产。Robuco(绳锯用户)以其在绳锯锯切方面的丰富知识与经验全力支持整个绳锯系统的开发与研制。 为研发新型细小的金刚石绳锯而装配了小尺寸的锯切串珠。这些较小尺寸的串珠不可能采用通常使用的先冷却，然后高温热压的方法制造，这种生产

7、工艺目前已完全实现了自动化。使用的新的制造方法是HP热等静压方法。 由于新型绳锯直径减小，作为众所周知的具有毒性的材料钴在胎体中减少了。在小直径绳锯中，对人体健康有害的材料钴减少了75%，由此减少了环境污染。 采用细绳锯和普通绳锯进行锯切钢筋混凝土的试验，结果表明，与常用的直径11.5mm和8.5mm绳锯比较，采用直径6.5m(细小的)绳锯锯切，由于进给压力比较低，故其锯切力和能耗要低得多。 与直径11.5mm的绳锯相比，其锯切力和能耗减少40%;与直径8.5mm绳锯相比，锯切力和能耗减少30%。 对不同直径绳锯下噪声级别进行的测定表明，绳锯直径减小，其噪声级别降低。噪声级别还取决于锯切速度，

8、但其影响不是很大。最主要的影响因素是绳锯的直径。对于d11mm的绳锯，其锯切速度Vc=16.7ms时，lm远处噪声平均为92dB(A)。对于中等尺寸的绳锯，在相同的锯切速度下，其噪声下降为89dB(A)。而使用较小直径绳锯，其噪声约为87dB(A)。这就意味着使用较小直径的绳锯，噪声下降可达到5dB(A)。 从试验中最重要的发现之一是采用较小直径的绳锯将显著降低进给压力。减小25%直径的绳锯将使给进压力减少25%以上。锯切过程中与普通绳锯运转相比较，其绳锯的磨损与偏斜都降低到最低水准。 总之，当前用于建筑工地的绳锯锯机结构过大，从易于操作和搬移角度来说，不符合人机工程学要求。为此需要一种小而轻

9、巧的具有多功能绳锯锯机。新研制的绳锯锯机一个上人即可完成全部安装和操作整个系统，机器的各个部件易于安装与拆卸，每个部件重量不大于25Kg。该机由于采用新研制绳锯工具，将产生更少的废料，更低的噪声和更少的污染，从而使该绳锯机的优越性能更为突出。 金刚石绳锯最初只用于开采天然石材，第一代金刚石绳锯串珠为电镀型，后又开发出烧结型。电镀串珠上的金刚石足用镍粘结剂把持；烧结型串珠上的金刚石是用金属粘结剂(如钴)把持。前者含有一层金刚石，而后者为多层金剐石。电镀型金刚石串珠在初始切削阶段其切削速度较快，但很快就会磨损，特别是在切削硬岩时尤为如此；烧结型金刚石串珠的切削速度比较慢，但寿命非常高。这两类型串珠

10、上，金刚石在胎体中随意分布，靠机械方式把持。其缺点是金刚石颗粒不能完全出露进行有效切削，而且还会因拉拔力的作用使其严重损耗。另外，金刚石颗粒的随意排列常使金刚石分布不均匀，其结果是在金刚石浓度高的区域，许多金刚石不能充分有效地利用，造成浪费，并往往会堵塞排屑通道；而在金刚石浓度低的区域，一些金刚石颗粒由于得不到邻近金刚石的补强负荷过重，因此易于破碎不能进行有效切削。 与电镀金刚石串珠绳锯相比，热压金刚石串珠胎体性能调整范围大，胎体对金刚石的把持力强，适于切割花岗岩和钢筋混凝土等硬质切割对象，因而在绳锯市场中占有23的份额。 实践发现，国内研发热压金刚石串珠绳锯普遍存在如下问题： (1).胎体性

11、能与切割对象不匹配，使用过程中金刚石掉粒严重，切削效率和寿命与国际先进水平存在较大差距； (2).串珠胎体与基体粘结不牢，胎体部分掉块及整体脱落的现象较为严重； (3).串珠固定效果差，部分串珠存在绕钢丝转动及沿钢丝绳轴向串动的现象; (4).钢丝绳断绳频繁，寿命短; 为解决使用过程中存在的问题，经大量探索性研究后认为，在研发热压烧结金刚石串珠绳锯过程中，必须解决的关键技术问题是; (1).串珠胎体配方设计，包括如何提高金属结合剂对金刚石的把持力及胎体与基体粘结强度; (2).串珠制造工艺，包括串珠冷压、热压及相应的模具设计； (3).串珠固定材料与固定技术。在这三项技术中，胎体配方设计和制造

12、工艺尤为重要。 为了解决上述问题，台湾中国磨轮公司(KINIK)己研制出一种钎焊型金刚石绳锯串珠。这种串珠上的金刚石是通过钎焊使其牢固地把持在基体上，这种方法可使金刚石颗粒均匀分布。每粒金刚石都能有效地切削，从而减少了金刚石的用量，避免浪费，同时还可使切屑畅通无阻。实践表明，DicGrid 钎焊型金刚石串珠的切削效率是普通型金刚石串珠的4倍。 钎焊与电镀制造金刚石工具对比： 常规电镀工艺与钎焊工艺同样专长于制造单层金刚石工具，比较一下两种工艺的特点就可以预计各自应用的前景。 尺寸精度：电镀(外镀)和钎焊两种工艺都是以钢基体为衬底。各自以不同的工艺在钢基体上涂覆一层金刚石，林增栋认为二者金刚石涂

13、覆精度是相近的，但是，对于尺寸较大的工具，电镀工艺较钎焊工艺更精确一点。原因是钎焊工艺不可避免地承受的高温加热(如800-1000)，从而钢基体在热胀冷缩的过程中发生微量形变，而足以影响工具的尺寸精度。 磨削效率：钎焊金刚石工具出刃可以是金刚石高度的23，所以磨削效率高，且有利于冲刷磨屑，表面磨粒不易因堵塞而失去磨削能力。 金刚石颗粒排列：电镀单层金刚石以埋砂法上砂，金刚石均呈密集而无序状态排布。钎焊法金刚石颗粒可有序排列，金剐石可稀可密。既节省金刚石，又有利于适应不同的磨削或其它使用要求。 金刚石工具寿命：钎焊是金刚石颗粒与钎焊合金冶金结合，即被牢固地焊接，而电镀金刚石工具中金刚石颗粒仅仅被

14、电镀金属沉积嵌镶，两者之间没有冶金结合，当金刚石磨损超过最大截面，必然脱落，所以钎焊金刚石工具寿命更高。 对金刚石性能的影响：钎焊金刚石工具中的金刚石必须承受高温，虽然时间很短但足以使合壬全金刚石强度下降，所以必须选用热稳定性好的金刚石，以及与金刚石表面反应不激烈的钎焊合金。若加热时间长，或选材不当，均会造成对金刚石表面的损伤，有的甚至还会破坏两者之间的粘结力。 生产周期：由于电镀层沉积、加厚，一般以5-1-umh的速度进行，这决定了电镀金刚石工具生产周期很长；钎焊金刚石工具制造则是高效率的，其速度取决于加热的方法，方法得当，十分钟左右可完成，而且与选用的金刚石颗粒粗细无关。 制造成本钎焊法金

15、刚石浓度可以控制可疏可密，能够节省金刚石，钎焊合金用量也可控制。 电镀型金刚石串珠的胎体形状为凸形；烧结型金刚石串珠的胎体形状为平缓形；而钎焊型金刚石串珠由于钎焊对金刚石的湿润其胎体形状为凹形。由于胎体形状不同，普通型串珠的金刚石出刃高度限制在磨粒高度的1/3：而钎焊型串珠的出刃高度可达2/3。普通型金造刚石串珠一般只含O.5克拉金刚石；而DiaGrid钎焊型金刚石串珠只含O.l克拉金刚石，虽然金刚石含量少，但每粒金刚石都能有效地工作，不仅成本降低，而且切削性能提高，在锯切花岗岩和大理石时，其寿命与普通型相似。在制作钎焊型金刚石串珠时，重要的是要选用强度高，质量稳定的金刚石，如DeBeers公

16、司的SDAl00+(粒度尺寸 4050)。DiaGrid钎焊金刚石串珠通过在美国、德国、意大利和台湾的广泛试验，获得令人满意的切削效果。 普通串珠的最小直径大约为8mm，而DiaGrid钎焊型串珠的最小直径为6mm，这种串珠目前在世界上广泛用来加工复杂形状的石材产品1。 钢丝绳作为串珠的承载体，对绳锯切削性能影响重大。如果钢丝绳寿命短，断绳频繁，串珠的切割性能无法体现出来。研究发现，要提高钢丝绳的使用寿命，应该提高钢丝绳的抗疲劳强度，在钢丝绳的所有力学性能指标中，最关键的指标是钢丝绳的抗疲劳强度。以直径8.5mm绳锯为例，绳锯长14.8m，切割线速度为30m/s，绳锯每转一圈，由弯变直，由直变

17、弯交替循环两次。一条绳锯的使用时间约为500-1000h(因切割对象宽窄不同而变化)，则至少循环380万次，弯变直循环700万次以上。更何况绳锯使用时还会由于机器运转不很平稳而出现高频率振动。因此，钢丝绳必须有较高的抗疲劳强度才能满足绳锯使用的要求。 串珠固定技术，常见的串珠固定方法有弹簧固定、塑料或橡胶固定、弹簧+塑料或橡胶复合固定等方法。和弹簧固定方法相比，塑料或橡胶固定有如下两个优点： (1).塑料或橡胶把钢丝绳包裹起来，防止携带岩粉的冷却水腐蚀和磨损钢丝绳； (2).把串珠可靠固定在钢丝绳上，防止串珠转动和串动，使串珠基体内孔不能磨损钢丝绳。 因此，切割强研磨性物质如花岗岩和混凝土等均

18、来采用塑料或橡胶固定的方法。弹簧+塑料或橡胶复合固定方法能更可靠将串珠固定在钢丝绳上，但制造成本高。 金刚石绳锯可切割较厚的板材，比圆锯片所切的要厚得多，切削速度要比排锯快得多。与普通工具不同的是它可以在现场直接进行锯切，而普通工具得在工厂内进行锯切。实践表明，多组绳锯切割花岗岩时，其效率要比排锯高，既可直线切割，也可曲线切割，可以把石材切割成较为复杂的形状。 由于绳锯有上述特点因此在右材加工领域中的应用呈上升趋势。目前在世界所有的金刚石锯切产品中，金刚石绳锯几乎占到10%的市场份额，预计将来会快速增长。 近年来，金刚石串珠绳锯与金刚石带锯联合开采在大理石矿山得到充分应用，随着人们对大理石锯切

19、开采技术的提商，对金刚石串珠绳锯的进一步认识，有理由相信，在不久的将来，金刚石串珠绳锯将在我国大理石采矿得到广泛应用，使我国矿山开采工艺达到世界先进水平。 为了提高金刚石绳锯的生产效率和加工质量，降低成本，选用合理的参数是至关重要的。为此，刘宝昌等2，在理论分析和试验的基础上，对金刚石绳锯的锯切轨迹和锯切机理进行了研究得出如下结论： (1).金刚石绳锯的锯切曲线近似为圆的渐开线，锯绳拉力及单位长度锯绳施加给石材的压力决定了该渐开线的形状； (2).金刚石绳锯锯切线速度高，锯切过程中单颗粒金刚石设施加在石材上的压力很小，不足以使石材产生体积破碎，其主要碎岩方式是赫兹破碎(HertzianFrac

20、ture)，主要以高速磨削的方式实现锯切，故切屑粒度细小； (3).根据金刚石绳锯的碎岩机理，锯切时应适当控制锯绳拉力，保证一定的锯绳线速度，选用耐磨性好的金刚石和胎体，保证良好的冷却。以提高锯切速度，延长锯绳寿命。 金刚石绳锯切割打涝沉船。2002年12月14日，Tricolor货船由泽布吕赫(ZeebrUgge)港开往南普敦港(South- ampton)途中，由于浓雾，与德国一艘开往卡里巴(Kariba)港的集装箱货船相撞，Tricolor货船上装有3000台各式轿车(奥迪、宝马、沃尔沃和绅宝)、起重机、推土机，碰撞后半小时沉没。出事后有关当局立即作出打涝Tricolor沉船的决定。Tr

21、icolor号船长190m，宽 32m，13个货舱有27000吨重。打涝委托荷兰SMITSALVAGEB.V公司，因该公司在打涝俄罗斯库尔斯克(Kursk)僭艇时曾经取得过辉煌的成绩。为了打涝货船，这个跨国集团进行了认真调研，决定采用金刚石绳锯技术把其沉船锯成3000吨重的小块，然后一块一块的运送到泽布吕赫港进行处理，显然这是采用金刚石绳锯打涝沉船技术上一大进步。3 金刚石串珠绳锯是使用柔性刀具进行石材回采和石材加工的设备，尤其是在花岗岩回采中，与传统的火焰切割、爆破等方法相比，回采出的石材荒料形状规则、整齐，省去了后续荒料整形工序，大幅度的捉提高了成材率，且在生产过程中能耗低，震动小，噪声低

22、，无粉尘，环境友好性好，优越性十分明显。 由于花岗岩的硬度高，在回采过程中串珠上的的损耗仍然较大，为了解决上述问题，张进生等，对金刚石串珠绳锯用于石岛红花岗石回采的串珠绳磨损性能与锯切速度、串珠绳锯预紧力等工艺参数之间的关系进行了研究，指出： (1).金刚石串珠绳锯回采花岗石的加工机制主要是磨削和滑擦，金刚石串珠绳锯线速度高，锯切中金刚石单刃所受压强小，金刚石颗粒的磨损形态主要是磨粒磨损,局部破碎，在一定的加工条件下，存在一个最佳的锯切线速度，使串珠绳磨损最小，锯切率最高。对于石岛红花岗岩矿体，在预紧力为 1800N左右时，最佳的回采速度在2lms-23ms范围之内； (2).在一定的工作速度

23、范围内，金刚石串珠绳的预紧力越大，串珠绳的锯切力越大，效率越高，串珠绳的耐磨损性能越低。综合金刚石串珠绳锯的回采效率和串珠绳锯的耐磨损性能，回采石岛红花岗石预紧力合理的取值范围是1600N-1800N； (3).金刚石串珠绳锯用于回采花岗石，作业安全、噪音低、切割石料规整、切缝小，环境友好性好。总体经济、社会效益显著，应用前景广阔。 绳锯的研究在我国起步较晚，但近年来发展速度非常快。由于其在结构上具有刚柔相济的优异性能加工方式具有节能、环保的优势，将会越来越扩大其应用范围。国内外很少见到有关绳锯产量的报道，根据一些文献7估计，世界年用量约为150万米，价值5000万美元。国内绳锯年用量的价值已

24、超过了 2000万元人民币；而且仍在高速发展之中，种种积极的因素决定了我国绳锯有着光明的前景。这些因素包括了宏观方面的因素，如国内高速发展的经济、对环保的重视；也包括行业方面的因素，经过全行业的共同努力，我国人造金刚石已是世界第一生产大国，金刚石单晶的生产和一些传统的工具如刀头、砂轮的生产，利润己很微薄，人们必定寻找高附加值的产品。绳锯的发展因其技术难度较高而开发相对滞后，近年来国内由于生产厂家少而维持较好的效益，且具备良好的发展前景，产业的转移会大大促进绳锯的发展。 60条以上的多绳式绳锯的出现，为绳锯的发展带来了良机，使其替代传统的砂锯锯切大板为可能；数字控制技术的快速发展，人们对异型石材的增多，均为绳锯的发展带来良好的机会，目前国外最小的串珠绳做到3mm。据称，桂林地质研究院在2000年就完成了直径lOmm烧结注塑式绳锯的开发，其性能达到国外先进水平的80-90，且具有价格上的优势；近年来又在直径8mm上取得成功。两个毫米的差距整整花去了3年的时间。这些技术上的突破，必将带来绳锯的加速发展8。 我国目前建筑业高速发展，尤其是城市拆迁、改建的工程量非常巨大，绳锯在这一领域中的应用市场非常广阔。建筑领域中用绳锯，国外一般用钎焊注塑式，很多情况下采用干切式加工，其巨大的市场潜力值得业内人士为之努力。 目前锯切花岗石等硬质石材大板均采用砂锯，污染大、效率低，且锯切中产生大量的废