林培林

（厦门品河机械制造有限公司， 福建 厦门 361000）

引言

石材作为一种重要的天然建筑材料，广泛应用于建筑结构承重、家装地铺、内外墙饰面和雕刻艺术等方面。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15 mm、20 mm 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。

1 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2～7 mm，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，石材在刀头切割过程中被磨削，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15 mm 板材厚度为例，锯切形成了5 mm 左右的锯缝。这样的圆盘锯加工方式的成材率仅仅为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，对石材形成的附加力强，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10 mm，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130 dB 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，机身必须加重、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3.3 m，每片超过500 kg，一组锯片超过1 t，整机设备也超过15 t。钻石拉锯每台设备自重超过50 t，有的多股绳锯机自重更是超过60 t，功率超过200 kW。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。

综上得出结论，现阶段石材加工设备和工艺主要围绕烧结的金属刀头展开，虽然工程师试图通过减小刀头的厚度降低各种损耗，但是随着刀头的不断变薄，工艺难度越来越大，成本也越来越高，同时也带来了切割设备精度上的要求和不可避免地带来了对加工对象上的一些特殊要求和加工效率上的妥协。因此金属刀头自身属性使得承载刀头的基体无法无限制地变薄。想要大幅度地降低锯缝，就必须要寻找一种全新的能够摆脱片状金属基体来切割石材的新工具。

2 金刚线线锯的特点和优势

1）金刚线也称线锯，是一种在直径为0.05～0.50 mm 细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。金刚线自2013 年起从日本开始引入中国，并迅速在硅晶片加工行业得到应用和普及。它是通过表面凸起的金刚石在高速运转的过程中，对所接触的工件表面实现磨削，进而对工件进行切割。金刚线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。从这里可以看出，金刚线的加工能力强，对不同硬度等级的材料能够进行良好的切割。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。对比金刚线应用最广泛的硅晶片，硬度等级达到7 级，无论从加工速度还是加工耗材成本上看，金刚线加工7 级硬度的硅都经受了市场的考验与认可。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、柔性切割的特点，在加工过程中加水、油等冷却剂及时地进行润滑和冷却，对所加工的工件不产生额外的热量，具有加工精度高等特点。

2）放眼有关金刚线加工的场景，绝大多数集中在光伏硅晶片和磁性材料切割领域。权威统计表明，中国的光伏硅晶片加工占了世界95%以上的市场，中国目前的金刚线产销量也占了全世界98%以上的份额，中国几乎在金刚线应用领域端垄断了世界的应用端需求。因此，包括石材机械王国意大利，在可预见的未来很长一段时间内，国外也很难有研发金刚线和设备的条件与土壤。这也导致了金刚线在石材应用端很大概率上也将发生在中国。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。这不仅将大大提高石材加工的成材率，大幅地降低加工超薄板的难度和成本，同时将改善石材加工过程中产生的废水、废渣、粉尘和噪声污染，改善加工行业，影响行业生产格局，响应了国家关于节能减排的号召。

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300 mm。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，环形金刚线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300 mm，家装领域应用的铺贴石材成品尺寸大多数大于600 mm×600 mm 或800mm×800mm，背景墙有的超过3000mm×2000 mm，而且有越来越大的趋势。在荒料大板加工领域，加工尺寸往往需要达到能够加工3 000 mm×2 000 mm的大板。这样规格的尺寸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0.05～0.07 mm，张力控制在4～9 N，切割厚度仅有0.2 mm，一次性切割超过2 000 片。而天然石材尺寸长宽高一般超过1 500 mm×2 500 mm×1 500 mm，重量超过20 t。传统设备的加工尺寸能够达到3 000 mm×2 000 mm×2 000 mm，厚度一般为15～25 mm，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。同时需要把加工行程加大，一次切割的片数控制在50～120片，同时加大切割的厚度，这样才能满足石材行业的需求。

3 金刚线石材多线切割机的研发进度

据悉，厦门品河线锯公司在金刚线石材应用切割的探索已经走在国际的最前沿。在此之前，专门用于石材荒料加工的金刚线多线石材切割机，不管是在中国还是石材机械最强国意大利，都没有在石材厂成功应用的案例。厦门品河线锯公司在金刚线刚开始在国内应用时就已经研究其应用的可行性，并早在几年前就全力进行金刚线切割石材设备的研发。目前已经成功研发出数台金刚线多线切割机样机，成功实现在荒料上直接一次性加工出80 片以上厚度为3～5 mm 的超薄板材，锯缝仅为0.5 mm，板材尺寸为3 000 mm×1 000 mm，为金刚线在石材加工领域的应用普及铺平了道路。厦门品河线锯工程研究中心已牵手厦门大学、集美大学等福建知名院校，目前正全力攻克技术难关，相信在不久的将来，更大规格的石材金刚线多线切割机将逐渐在市场上得到应用和普及，为石材行业的节能减排、超薄化作出贡献。