超硬材料网

       中国是世界上最大的石材生产国和消费市场。中国石材协会公布的数据显示，2020年中国石材行业的市场规模超过1万亿元。石材行业作为我国重要的一个支柱产业，其加工设备的提升将对石材产业整体水平的提升起到至关重要的作用。大部分的石材粗加工，首先需要把大块石材荒料切割成15mm、20mm等厚度的板材。现在中国包括全世界所使用的传统石材加工刀具都采用金属合金刀头，例如采用在圆锯片、钢带上焊接合金刀头或烧结串珠的方式，通过设备带动合金刀头高速运动，从而实现石材的切割，达到分离石材的效果。
       一、传统石材设备和刀具的缺点
       1）加工锯缝大，成材率低。由于烧结的刀头焊接在金属基体上，基体需要有一定的厚度来保证强度，基体厚度一般达到2~7mm，而刀头的厚度则需要略大于基体，因此传统的石材加工方式将形成3~8mm的锯缝。石材的锯缝就是损耗掉的石材，石材在切割过程中被磨削，从而形成废水、废渣和粉尘。
具体包含两方面：一方面，锯缝的存在影响了石材的成材率。以较普遍的花岗岩圆盘锯锯切15mm厚度板材为例，锯切形成了5mm左右的锯缝。这样的圆盘锯加工方式，成材率仅仅为75%，其余25%的原材料将成为废弃物，这些废弃物不仅浪费原材料，而且废渣风干之后还容易成为粉尘，加工废水中的有害化学物质也容易污染地下水，可以说锯缝的存在就是石材加工中造成污染的最根本源头。另一方面，锯缝还造成了石材的浪费，降低了利润。如何减小锯缝、提高成材率，是石材从业人员永恒的探讨话题。
       2）金属基体在高速运转时抖动大，对石材冲击力强，使得锯切的石材必须保持一定的强度，不然很容易破损石材。天然石材属于脆性材料，其天然地存在一定的裂纹、杂质，这使得传统设备目前最薄只能加工到10mm，无法一次性在石材荒料上加工出超薄的板材。
       3）较大尺寸的锯切基体使得带动切割工具的设备体积和功耗也随之变大，同时刚性金属基体刀头与石材直接的刚性碰撞，由此产生的噪声可以达到130dB以上，且尖锐刺耳的声音大大降低了从业人员的工作舒适度。刚性基体高速运转带来的惯性使得设备本身振动大，机身必领加重、加大，以保证切割的稳定性，随之带来了设备的较大占地面积和对安装设备预埋基础要求的提高。桥式龙门锯石机最大锯片直径3.3m，每片超过500kg，一组锯片超过1T，整机设备也超过15T。钻石拉锯每台设备自重超过50T，有的多股绳锯机自重更是超过60T，功率超过200KW。单单是安装设备时混凝土基础就是一笔不小的开支，进一步增加了成本。二、金刚石线锯的特点和优势
       1）金刚石线锯，是一种在直径为0.035~0.50mm的钢丝线上面电镀一层金刚石颗粒，并通过镀镍层包裹金刚石形成的硬脆材料切割工具。早已广泛应用于光伏行业加工硅晶片，现在已经普及至蓝宝石、磁性材料、光学玻璃、石墨、陶瓷和泡沫铝加工等领域。从目前金刚线的应用领域上来看，所加工硬脆材料的莫氏硬度等级为2~9级。天然石材的硬度为：大理石在2~5级，花岗岩硬度4~6级，少数花岗岩和石英石的硬度达到7级。从金刚线和多线切割机的原理上分析，金刚线切割具有线径小、柔性切割、加工精度高等特点。
       2）如果能够研发并普及专用的石材金刚线多线切割机，并且使之稳定高效生产，以金刚线线径小、高速柔性的特点那将会改变传统石材设备锯缝大和难以直接在荒料上加工出超薄板的痛点，对行业起到一个颠覆式创新的作用。
       3）现有金刚线设备的加工对象主要是硅晶片、磁性材料、光学玻璃等较小巧的对象，绝大多数加工尺寸低于300mm。而在单线环形金刚线设备领域，目前在天然石材领域使用的仅有翡翠、宝石的加工，但是切割效率低，且环形金刚线的成本相较于开环金刚线要高上几十倍，只适合高价值的天然昂贵宝石，并不适用于常规普通石材的加工，是无法普及到普通饰面石材的加工。而天然的石材应用领域尺寸则远远超过300mm。
       在荒料大板加工领域，加工尺寸往往需要达到能够加工3000mm×2000mm的大板，现有的针对小规格硅晶片的金刚线多线切割机是远远没办法直接应用的。同时，硅片切割的金刚线直径在0.035~0.07mm，张力控制在4~9N，切割厚度仅有或不到0.2mm，一次性切割超过2000片。而天然石材尺寸长宽高一般超1500mm×2500mm×1500mm，重量超过20T。传统设备的加工尺寸能够达到3000mm×2000mm×2000mm，厚度一般为15~25mm，一次性切割80~120片。因此，对金刚线多线切割石材也需要针对石材的特点作一些特殊的改进。例如，切割的石材跨度大，为了保证金刚线的强度，需要把金刚线加粗，使得金刚线切割时候张力加大，降低断线率；需要把加工行程加大，一次切割的片数控制在50~120片；加大切割的厚度，这样才能满足石材行业的需求。
       节选自《金刚线多线切割机在天然石材荒料板材加工领域的应用及产业化可行性分析》