金剛石串珠繩鋸制備技術和應用進展

盧家鋒，唐 靜

(1.梧州學院 機械與資源工程學院，廣西 梧州 543002；2.梧州學院 大數據與軟件工程學院，廣西 梧州 543002)

金剛石串珠繩鋸是一種使用金剛石串珠作為切割工具的切割設備。與傳統的金剛石切割工具相比，金剛石串珠繩鋸具有以下特點：一是高效性，金剛石串珠繩鋸采用連續式切割方式，能夠連續不斷地進行切割，從而提高了切割效率；二是精度高，對于大型建筑、石材等切割對象，金剛石串珠繩鋸的切割精度非常高，可達到毫米級別；三是適用范圍廣，金剛石串珠繩鋸可以用于切割各種材料，如石材、混凝土、金屬等；四是維護成本低，金剛石串珠繩鋸的切割繩可以更換，維護成本相對較低。金剛石串珠繩鋸的應用也非常廣泛，除了應用于傳統的建筑、礦山、隧道等行業外，金剛石串珠繩鋸在水泥、金屬切割、采礦、核電等行業也有應用?？偟膩碚f，金剛石串珠繩鋸具有高效性、精度高、適用范圍廣等特點，在不同行業和領域都有廣泛的應用前景[1]。

1 金剛石串珠繩鋸的新技術

1.1 釬焊技術

金剛石釬焊技術是一種將金剛石與金屬材料焊接在一起的技術[2]。由于金剛石的硬度非常高，因此在加工高硬度材料時具有很好的切削性能。但是金剛石的熱穩定性較差，如果在高溫下進行傳統的焊接，金剛石可能會受到損害或破裂，從而降低金剛石的強度。而金剛石釬焊技術可以有效地克服這一問題。該技術是采用一種特殊合金粉末作為焊料(如Ti、Cu、Cr、Ni等)的釬料金屬，將金剛石與焊料一起加熱到高于焊料熔點，使焊料滲透到金剛石與工具基體之間的縫隙中，活性元素與金剛石表面發生反應，形成一層碳化物。有了這層碳化物的作用，金剛石、焊料和基體可以實現固體化學冶金結合[3]。金剛石釬焊技術可以在較低的溫度下進行，從而避免了金剛石的熱損傷，也能有效防止材料的變形和氧化。釬焊金剛石工具可以分為單層釬焊和多層釬焊，多層釬焊的金剛石工具在最外面的金剛石磨損耗盡時，可以由里層的金剛石繼續作為磨粒進行工作，其壽命能夠增加。國內的金剛石串珠主要是用鎳基或鈦基焊料制備，然后在真空或氬氣的氣氛下進行燒結。

王名科等使用Ni-Cr釬料制備了金剛石串珠繩鋸并進行了花崗巖切割試驗[4]。試驗結果表明，釬焊的金剛石串珠繩鋸切割壽命和效率相比傳統方法加工生產的金剛石串珠繩鋸提高了20%～30%。

Rommel采用激光釬焊的方法制備了Ni-Cr基合金的金剛石串珠，并通過電子顯微鏡及X射線光譜對結合面進行分析[5]。試驗結果表明，由于基體材料對金剛石具有良好的潤濕性能，在基體和金剛石之間沒有發現縫隙或裂紋的形成，雖然激光的高溫會使金剛石的強度有所下降，但是作為繩鋸的應用，其強度在可接受范圍內。

圖1 激光釬焊工藝示意圖

目前，國內外企業主要是制作單層金剛石釬焊串珠，多層金剛石釬焊串珠有相關的專利文獻，主要采用副基體以及開環形槽方式實現多層釬焊，但是由于生產成本等原因，其并未在工程實際中廣泛應用[6-7]。

1.2 金剛石有序排布技術

金剛石有序排布技術，也稱為金剛石陣列技術，是一種通過人工或機械方法將金剛石微粒有序排列在工具基體上的技術，金剛石之間的排列距離和排列方式是可控的，可以根據需要進行調整，以適應不同的切割要求。目前，實現金剛石有序排列的方法有多種，包括模板法、膠水點膠法、激光法等[8]。最新的實用方法是利用基體冷壓過程中形成規則排列的孔或是預制孔，將金剛石填入孔內后再進行熱壓燒結。這種方法可以有效地控制金剛石的排列距離和排列規律，使得金剛石晶體在基體上均勻、有序地排列，從而獲得更高的性能和穩定性[8-9]。此外，還可以通過控制孔的直徑來調整金剛石晶粒的尺寸，以滿足不同的切割表面需求。

目前已有將金剛石有序地排列在串珠工作面上的相關研究，與傳統串珠相比，這種串珠的切割效率和切割壽命大大提升，并且金剛石利用率也得到提高。如，劉凡采用點膠法制備了均布式、斜排式、交錯式有序排布鍍鎢金剛石釬焊繩鋸，通過對C35鋼筋混凝土的切割試驗發現，斜排式、交錯式繩鋸的切削效率最高可達 0.10～0.12 m2/min，比無序排列的繩鋸切削效率提高了3～4倍[10]。

金剛石有序排布技術可以提高金剛石的利用率，但是目前多采用人工排布的方式，效率低、成本較高。研究人員還需要將自動化技術應用到金剛石有序排布中，并對相關工藝參數做進一步的優化。

1.3 熱等靜壓技術

熱等靜壓技術是一種制備高質量單晶和多晶復合材料的方法。這種技術向制品施加各向同等的壓力，同時施以高溫，在高溫高壓的作用下，制品得以燒結和致密化，從而制備出高質量的復合材料[11]。熱等靜壓技術很早就用于制備硬質合金，然后逐漸成為制備金剛石工具的一種重要方法。

采用熱等靜壓技術制備金剛石串珠繩鋸也有相關研究，翟向樂等采用熱等靜壓技術和傳統熱壓技術制備金剛石串珠繩鋸[12]。通過鋸切試驗表明，采用熱等靜壓技術制備金剛石串珠繩鋸使用切割壽命由2.26 m2/m提升了27.43%，達到了2.88 m2/m，切割速度由1.62 m2/h提升了45.06%，高達2.35 m2/h(表1)。

表1 金剛石串珠繩鋸試驗結果

熱等靜壓技術能使燒結更致密，但目前國產的熱等靜壓機基本技術性能與國外還有一定的差距，基于成本的因素，熱等靜壓技術尚未在金剛石串珠繩鋸中廣泛應用。

1.4 多繩金剛石串珠繩鋸機

1995年意大利Co.Fi.Plast公司研制的多繩金剛石串珠繩鋸成功用于切割花崗巖石材，2006年，國外研發的多繩鋸產品開始在世界各地石材加工中應用，其中主要以意大利企業的產品為主[13]。我國自主研發的多繩鋸在2009年有相關產品開始進入市場，目前已廣泛應用于花崗巖、大理石等石材大板加工，主要企業如泉州華大、長沙百川、天石源、眾源機械等。

相對單繩金剛石串珠繩鋸，多繩金剛石串珠繩鋸具有生產效率高、板材質量好、生產成本更低的優點。多繩金剛石串珠繩鋸多用于20～30 mm規格的大板加工，繩數一般選擇72～80繩，方便控制板材的厚度。

王發凱應用TRIZ創新問題解決方法和功能原理，提出了變型四輪、六輪多繩金剛石串珠鋸設計方案，并根據多繩金剛石串珠鋸設計方案的結構、性能特點，給出了評價指標體系的遞階層次結構及評價指標，建立了多繩鋸方案設計綜合評價體系[14]。

王飛等對多繩鋸整機模態以及加工中受迫振動等工況進行研究，給出關鍵部件在有無結合面2種情況下不同的固有頻率和振型，并分析了串珠繩組縱向振動和扭轉振動的誘因(圖2)[15]。

圖2 串珠繩受力分析

宿維紀對多繩金剛石串珠繩鋸機應用范圍及金剛石繩的選用作了介紹，并對目前主要的多繩金剛石串珠繩鋸機結構類型進行了總結分析，為多繩金剛石串珠繩鋸的工程應用提供了參考[16]。

1.5 綜合技術的應用

金剛石串珠繩鋸綜合技術結合了金剛石串珠繩鋸的優勢，如高效、精確、環保等，以及其他自動化控制、切割理論模型等，以滿足不同領域的加工需求，改善優化金剛石串珠繩鋸工藝。

汪鵬等提出了一種基于ARM 微處理器的繩鋸機檢測系統，可實現對繩鋸機水下切割的串珠繩張緊力、位置、進給速度、切削速度以及液壓系統的監測，為金剛石串珠繩鋸水下切割提供了可靠的工況數據，有利于提高水下切割的效率[17]。

徐田豐等以水下金剛石串珠繩鋸機為研究對象，提出一種基于模糊PID的切割鏈張緊力控制策略[18]。試驗結果表明，對于鋸齒型目標張緊力，模糊PID控制方法的平均誤差為傳統PID的51%，標準差為傳統PID控制方法的66%；對于正弦目標張緊力，模糊PID控制方法的平均誤差為傳統PID的69%，標準差為傳統PID控制方法的90%，對于動態目標具有較好的控制性能(圖3)。

Zhang Yong Rui等設計了水下金剛石串珠繩鋸試驗臺系統，對金剛石串珠繩鋸切割機理進行研究[19]。通過對試驗臺平行杠桿機構的運動學分析，推導平行加載機構方程，為切削力分布提供了依據。Rajpurohit Sohan Singh等以切削速度和單位磨損為巖石的可鋸性判斷依據，研究了9個花崗巖采石場巖石物理特性對金剛石線鋸可鋸性的影響[20]。研究結果表明，巖石的抗拉強度、耐磨性和脆性是影響金剛石串珠繩鋸切削速度的主要特性，而巖石的抗壓強度、彈性和耐磨性是影響金剛石串珠磨損的主要特性。

2 金剛石串珠繩鋸的新特點和應用擴展情況

2.1 小直徑金剛石串珠的應用

小直徑金剛石串珠的應用：普通串珠的最小直徑約為8 mm，這種串珠目前在世界上廣泛用于加工復雜形狀的石材產品。小直徑金剛石串珠繩鋸主要用于對狹縫尺寸有嚴格要求的領域，比如超薄石材切割。小直徑金剛石串珠繩鋸，一方面對于節約石材資源、切割寶石具有重要作用，另一方面，可以降低加工能耗，使加工手段更加環保。

陳家榮等通過對直徑為3.5 mm、6.8 mm的串珠進行超薄石板切割加工[21]。試驗結果表明，更小直徑的金剛石串珠在龍門式繩鋸機上使用的冷卻水更少，更節約資源，直徑3.5 mm的金剛石串珠繩鋸切割大理石的面積是切割花崗巖面積的3倍。

呂永安等研發制作了直徑2 mm串珠的新型金剛石串珠繩鋸，通過對大理石的切割試驗，結果表明，直徑2 mm串珠的新型繩鋸切割鋒利度與直徑8.8 mm的金剛石串珠繩鋸相當，石材切割成材率可提高20%～30%，且更節能環保(圖4)[22]。

圖4 不同直徑串珠彎曲度和電流的變化

2.2 切割性能不斷提升

研究人員通過不斷優化金剛石串珠繩鋸的結構設計、切割參數等，如優化合金材料、張緊力、鋸切參數、導輪間距、串珠繩直徑等，提高了其切割性能和效率。

張志明等使用新型超細預合金，注射硫化固定的金剛石串珠繩鋸進行高鋼筋含量混凝土的切割試驗[23]。試驗結果表明，新型超細預合金的金剛石串珠繩鋸比傳統鈷粉合金的金剛石串珠繩鋸使用壽命(每米繩鋸切割工件的截面積)更長、切割速度更快，并且不易斷繩(表2)。

表2 不同繩鋸的性能對比

盧元新等[24]使用壓電晶體測力儀對金剛石串珠繩鋸在鋸切混凝土的垂直方向以及水平方向的鋸切力進行了測量。結果表明，切削力隨切削速度和切削長度的增加而增加，垂直力與水平力的比值約為4.45，呈現出良好的相關性(圖5)。

圖5 不同鋸切長度對鋸切力的影響

李巖巖等研究金剛石串珠繩鋸的張緊力、導輪間距、串珠繩直徑等參數對串珠繩振動的影響[25]。研究結果表明，這些參數對振動頻率沒有明顯影響，串珠繩線速度及單位長度串珠個數的乘積決定加工過程的振動頻率。張緊力的減小、導輪間距的增加、串珠直徑的增加都會導致串珠繩的振動幅值增加。

Ahn根據繩鋸與工件接觸的形狀近似于工件本身，提出了繩鋸切割巖石過程的切割力分析框架，并通過試驗進行驗證，為更好地理解切割過程提供了一個新的理論模型[26]。馮佳豪設計出一種串珠繩自適應調節式繩鋸機，該繩鋸機利用自適應調節裝置提高了串珠繩運行長度，有效地減少了斷繩次數[27]。

2.3 應用領域不斷拓展

近年來，金剛石串珠繩鋸的應用領域不斷拓展，其切割能力強、操作簡便且速度快，在傳統的石材、鋼筋混凝土、硬材料等方面的應用取得了很好的效果，金剛石串珠繩鋸開始應用于一些新的領域。

楊理清從繩鋸材料選擇、切割機、工藝步驟等方面介紹了金剛石串珠繩鋸在鹽溶礦開采、純鋼切割的應用情況，為金剛石串珠繩鋸在新領域的應用提供了參考[28]。

張磊針對國內傳統消防破拆裝備無法安全破拆大尺寸建筑構件的難題，研發新型消防用金剛石串珠繩鋸破拆裝備[29]。該設備可供消防救援隊伍用于處置建筑倒塌、地震、泥石流等災害事故中，同時也可以供消防救援隊伍用于處置動車、船舶、航空等交通事故，破拆動車、飛機、船舶等的外殼。

孫永泉設計一種可改變切割方向的核設施拆除金剛石串珠繩鋸機[30]。通過建立使用水做潤滑劑條件下的切削分子動力學仿真模型，進行了單顆粒金剛石的切削試驗，研究法向載荷、電機轉速對摩擦系數的影響，為金剛石串珠繩鋸在核電設施的應用提供了參考。

伊建設計了一種由機械本體、主運動裝置、張緊裝置、控制系統等部分構成的機器人金剛石串珠繩鋸機(圖6-a，b)[31]。在雕刻加工中，采用機器人繩鋸機切割后再雕刻的加工方式，比機器人雕刻加工方式的時間節約率達到 44.12%，石材利用率提升約3倍。

a.金剛石串珠繩 b.機器人繩鋸機構的石材切割圖6 金剛石串珠繩與機器人繩鋸切割機構

3 結語

金剛石串珠繩鋸在加工異形石材、建筑物、大型管道等方面具有獨特的優勢，并且效率更高。此外，金剛石串珠繩鋸切割在本質上沒有破壞性，在施工過程中金剛石串珠繩鋸對混凝土建筑切割精度高、切口平整。新技術的使用，如熱等靜壓技術、金剛石定向排列技術、釬焊技術以及金剛石串珠繩鋸的其他新工藝和新方法，可以大大提高繩鋸的整體性能，高性能金剛石串珠繩鋸使其可以應用于更多的工程領域，例如，在海底輸油管道維護、核電站拆除、應急救援、海上鉆井平臺拆除等領域也得到了有效應用。金剛石串珠繩鋸在大型加工、切割工程上應用，可實現節能減排、降本增效。