金剛線多線切割機在天然石材荒料板材加工領域的應用及產業化可行性分析

林培林

（廈門品河機械制造有限公司， 福建 廈門 361000）

引言

石材作為一種重要的天然建筑材料，廣泛應用于建筑結構承重、家裝地鋪、內外墻飾面和雕刻藝術等方面。中國是世界上最大的石材生產國和消費市場。中國石材協會公布的數據顯示，2020 年中國石材行業的市場規模超過1 萬億元。石材行業作為我國重要的一個支柱產業，其加工設備的提升將對石材產業整體水平的提升起到至關重要的作用。大部分的石材粗加工，首先需要把大塊石材荒料切割成15 mm、20 mm 等厚度的板材?，F在中國包括全世界所使用的傳統石材加工刀具都采用金屬合金刀頭，例如采用在圓鋸片、鋼帶上焊接合金刀頭或燒結串珠的方式，通過設備帶動合金刀頭高速運動，從而實現石材的切割，達到分離石材的效果。

1 傳統石材設備和刀具的缺點

1）加工鋸縫大，成材率低。由于燒結的刀頭焊接在金屬基體上，基體需要有一定的厚度來保證強度，基體厚度一般達到2～7 mm，而刀頭的厚度則需要略大于基體。因此傳統的石材加工方式將形成3～8mm的鋸縫。石材的鋸縫就是損耗掉的石材，石材在刀頭切割過程中被磨削，從而形成廢水、廢渣和粉塵。具體包含兩方面：一方面，鋸縫的存在影響了石材的成材率，以較普遍的花崗巖圓盤鋸鋸切15 mm 板材厚度為例，鋸切形成了5 mm 左右的鋸縫。這樣的圓盤鋸加工方式的成材率僅僅為75%，其余25%的原材料將成為廢棄物，這些廢棄物不僅浪費原材料，而且廢渣風干之后還容易成為粉塵、加工廢水中的有害化學物質也容易污染地下水，可以說鋸縫的存在就是石材加工中造成污染的最根本源頭。另一方面，鋸縫還造成了石材的浪費，降低了利潤。如何減小鋸縫、提高成材率，是石材從業人員永恒的探討話題。

2）金屬基體在高速運轉時抖動大，對石材形成的附加力強，使得鋸切的石材必須保持一定的強度，不然很容易破損石材。天然石材屬于脆性材料，其天然地存在一定的裂紋、雜質，這使得傳統設備目前最薄只能加工到10 mm，無法一次性在石材荒料上加工出超薄的板材。

3）較大尺寸的鋸切基體使得帶動切割工具的設備體積和功耗也隨之變大，同時剛性金屬基體刀頭與石材直接的剛性碰撞，由此產生的噪聲可以達到130 dB 以上，且尖銳刺耳的聲音大大降低了從業人員的工作舒適度。剛性基體高速運轉帶來的慣性使得設備本身振動大，機身必須加重、加大，以保證切割的穩定性，隨之帶來了設備的較大占地面積和對安裝設備預埋基礎要求的提高。橋式龍門鋸石機最大鋸片直徑3.3 m，每片超過500 kg，一組鋸片超過1 t，整機設備也超過15 t。鉆石拉鋸每臺設備自重超過50 t，有的多股繩鋸機自重更是超過60 t，功率超過200 kW。單單是安裝設備時混凝土基礎就是一筆不小的開支，進一步增加了成本。

綜上得出結論，現階段石材加工設備和工藝主要圍繞燒結的金屬刀頭展開，雖然工程師試圖通過減小刀頭的厚度降低各種損耗，但是隨著刀頭的不斷變薄，工藝難度越來越大，成本也越來越高，同時也帶來了切割設備精度上的要求和不可避免地帶來了對加工對象上的一些特殊要求和加工效率上的妥協。因此金屬刀頭自身屬性使得承載刀頭的基體無法無限制地變薄。想要大幅度地降低鋸縫，就必須要尋找一種全新的能夠擺脫片狀金屬基體來切割石材的新工具。

2 金剛線線鋸的特點和優勢

1）金剛線也稱線鋸，是一種在直徑為0.05～0.50 mm 細的鋼絲線上面電鍍一層金剛石顆粒，并通過鍍鎳層包裹金剛石形成的硬脆材料切割工具。金剛線自2013 年起從日本開始引入中國，并迅速在硅晶片加工行業得到應用和普及。它是通過表面凸起的金剛石在高速運轉的過程中，對所接觸的工件表面實現磨削，進而對工件進行切割。金剛線早已廣泛應用于光伏行業加工硅晶片，現在已經普及至藍寶石、磁性材料、光學玻璃、石墨、陶瓷和泡沫鋁加工等領域。從目前金剛線的應用領域上來看，所加工硬脆材料的莫氏硬度等級為2～9 級。從這里可以看出，金剛線的加工能力強，對不同硬度等級的材料能夠進行良好的切割。天然石材的硬度為：大理石在2～5 級，花崗巖硬度4～6 級，少數花崗巖和石英石的硬度達到7 級。對比金剛線應用最廣泛的硅晶片，硬度等級達到7 級，無論從加工速度還是加工耗材成本上看，金剛線加工7 級硬度的硅都經受了市場的考驗與認可。從金剛線和多線切割機的原理上分析，金剛線切割具有線徑小、柔性切割的特點，在加工過程中加水、油等冷卻劑及時地進行潤滑和冷卻，對所加工的工件不產生額外的熱量，具有加工精度高等特點。

2）放眼有關金剛線加工的場景，絕大多數集中在光伏硅晶片和磁性材料切割領域。權威統計表明，中國的光伏硅晶片加工占了世界95%以上的市場，中國目前的金剛線產銷量也占了全世界98%以上的份額，中國幾乎在金剛線應用領域端壟斷了世界的應用端需求。因此，包括石材機械王國意大利，在可預見的未來很長一段時間內，國外也很難有研發金剛線和設備的條件與土壤。這也導致了金剛線在石材應用端很大概率上也將發生在中國。如果能夠研發并普及專用的石材金剛線多線切割機，并且使之穩定高效生產，以金剛線線徑小、高速柔性的特點，那將會改變傳統石材設備鋸縫大和難以直接在荒料上加工出超薄板的痛點，對行業起到一個顛覆式創新的作用。這不僅將大大提高石材加工的成材率，大幅地降低加工超薄板的難度和成本，同時將改善石材加工過程中產生的廢水、廢渣、粉塵和噪聲污染，改善加工行業，影響行業生產格局，響應了國家關于節能減排的號召。

3）現有金剛線設備的加工對象主要是硅晶片、磁性材料、光學玻璃等較小巧的對象，絕大多數加工尺寸低于300 mm。而在單線環形金剛線設備領域，目前在天然石材領域使用的僅有翡翠、寶石的加工，但是切割效率低，且環形金剛線的成本相較于開環金剛線要高上幾十倍，只適合高價值的天然昂貴寶石，環形金剛線并不適用于常規普通石材的加工，是無法普及到普通飾面石材的加工。而天然的石材應用領域尺寸則遠遠超過300 mm，家裝領域應用的鋪貼石材成品尺寸大多數大于600 mm×600 mm 或800mm×800mm，背景墻有的超過3000mm×2000 mm，而且有越來越大的趨勢。在荒料大板加工領域，加工尺寸往往需要達到能夠加工3 000 mm×2 000 mm的大板。這樣規格的尺寸現有的針對小規格硅晶片的金剛線多線切割機是遠遠沒辦法直接應用的。同時，硅片切割的金剛線直徑在0.05～0.07 mm，張力控制在4～9 N，切割厚度僅有0.2 mm，一次性切割超過2 000 片。而天然石材尺寸長寬高一般超過1 500 mm×2 500 mm×1 500 mm，重量超過20 t。傳統設備的加工尺寸能夠達到3 000 mm×2 000 mm×2 000 mm，厚度一般為15～25 mm，一次性切割80～120 片。因此，對金剛線多線切割石材也需要針對石材的特點作一些特殊的改進。例如，切割的石材跨度大，為了保證金剛線的強度，需要把金剛線加粗，使得金剛線切割時候張力加大，降低斷線率。同時需要把加工行程加大，一次切割的片數控制在50～120片，同時加大切割的厚度，這樣才能滿足石材行業的需求。

3 金剛線石材多線切割機的研發進度

據悉，廈門品河線鋸公司在金剛線石材應用切割的探索已經走在國際的最前沿。在此之前，專門用于石材荒料加工的金剛線多線石材切割機，不管是在中國還是石材機械最強國意大利，都沒有在石材廠成功應用的案例。廈門品河線鋸公司在金剛線剛開始在國內應用時就已經研究其應用的可行性，并早在幾年前就全力進行金剛線切割石材設備的研發。目前已經成功研發出數臺金剛線多線切割機樣機，成功實現在荒料上直接一次性加工出80 片以上厚度為3～5 mm 的超薄板材，鋸縫僅為0.5 mm，板材尺寸為3 000 mm×1 000 mm，為金剛線在石材加工領域的應用普及鋪平了道路。廈門品河線鋸工程研究中心已牽手廈門大學、集美大學等福建知名院校，目前正全力攻克技術難關，相信在不久的將來，更大規格的石材金剛線多線切割機將逐漸在市場上得到應用和普及，為石材行業的節能減排、超薄化作出貢獻。