人工寶石加工工藝及生產(chǎn)設(shè)備發(fā)展歷程
——以梧州市人工寶石行業(yè)為例

陳炳忠，徐亞蘭，沈才卿，覃斌榮

1.梧州學(xué)院 2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 3.梧州市五洲寶石學(xué)校

廣西梧州市是國內(nèi)將人工寶石進行集約化生產(chǎn)并發(fā)展成加工批發(fā)集散地的經(jīng)典范例。梧州人工寶石加工產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近40年發(fā)展，逐步從單人單機生產(chǎn)，發(fā)展到現(xiàn)在的無人值守人工智能全自動化加工生產(chǎn)，極大提高了生產(chǎn)效率。以2mm寶石為例，80年代每臺設(shè)備每人班產(chǎn)300粒，現(xiàn)在每臺設(shè)備每人班產(chǎn)80萬粒。梧州人工寶石加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的路程，不僅歸因于加工技術(shù)的不斷進步與更新，更是加工設(shè)備改進與發(fā)展的重要成果。本文以梧州市人工寶石加工產(chǎn)業(yè)為研究對象，對上世紀80年代以來人工寶石加工工藝及生產(chǎn)設(shè)備進行概述，梳理出寶石加工技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)，以期對人工寶石產(chǎn)業(yè)升級提供啟示。

1 單人單機階段（1982—1992年）

這一階段加工形式是純手工單人單機生產(chǎn)，經(jīng)營模式更多體現(xiàn)為小作坊模式，加工設(shè)備和原材料多依賴進口。80年代，人工寶石生產(chǎn)工藝及加工設(shè)備與貴重寶石相似，生產(chǎn)效率較低。人工寶石作為天然寶石的替代品，與天然寶石注重加工質(zhì)量不同，效率是第一生產(chǎn)要素，為此，人工寶石生產(chǎn)商開始不斷摸索改進生產(chǎn)工藝和改良生產(chǎn)設(shè)備的方法。

1.1 人工寶石加工工藝分析

刻面型寶石加工工藝流程（如圖1）：原料→切片→切條→切三角?！鷩汀呈棠伖鈱毷诓浚òㄅ_面拋光）→反石→刻磨拋光寶石亭部（包括腰線拋光）→清冼→檢驗成品。

圖1 刻面型寶石加工工藝流程——以三角石坯為例

原料切割環(huán)節(jié)包括切片、切條和切三角粒三個環(huán)節(jié)，切割技術(shù)是后續(xù)所有工藝環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，直接影響產(chǎn)品的出品率。圍型工序是將三角粒在半自動圍型機上定型成圓形或其他所需形狀，在切石尺寸準確的情況下，圍型合格率可達95%左右?？堂鎸毷聊ゼ庸ぐㄅ_面、冠部、腰線及亭部的琢磨和拋光，磨石工序的利潤主要由材料出品率、產(chǎn)品質(zhì)量等級和加工效率決定。在80年代，寶石加工企業(yè)若想獲取高的利潤，必須抓好企業(yè)管理，控制切石環(huán)節(jié)，嚴把磨石工序質(zhì)量關(guān)。

1.2 設(shè)備及工具性能分析

1.2.1 切石機技術(shù)性能

單刀片切石機是這一時期主流的切石工具，電機功率370w，轉(zhuǎn)速5600轉(zhuǎn)/分，這一時期的材料平均直徑40mm以下，鋸片厚度常選用0.25～0.3mm，直徑150mm，較大的鋸片直徑和鋸片厚度在一定程度上也降低了原材料開采率。

圖2 單刀片切石機

1.2.2 磨石機技術(shù)性能

該時期寶石研磨工具常用八角手寶石機（圖3）和機械手寶石機（圖4）兩種。電機功率180～250w，設(shè)備磨盤主軸轉(zhuǎn)速1400轉(zhuǎn)/分（稱低速機），經(jīng)過不斷摸索，現(xiàn)今研磨機設(shè)備磨盤主軸轉(zhuǎn)速已達2800轉(zhuǎn)/分，甚至已有企業(yè)研發(fā)出磨盤主軸轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分的超高速機，極大提高了寶石研磨的效率。

圖3 八角手寶石機

圖4 機械手寶石機

1.2.3 定型機技術(shù)性能

該時期寶石定型設(shè)備多為單顆粒手動定型機，電機功率370w，轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分。2000年后，定型機增加了自動進料外圍輔助設(shè)備，進入了自動化定型階段，大大提高了定型效率。

圖5 寶石定型機（三角石坯定型）

2 承包分工階段（1992—1999年）

1992年，梧州寶石加工行業(yè)開始出現(xiàn)各工序的精準分工，市場競爭異常激烈，各工序承辦商為進一步降低成本以獲取更多市場占有率，不斷進行技術(shù)和工藝改革，這一時期家庭作坊與“夫妻店”成為了主流生產(chǎn)方式。

2.1 切片厚度和切條厚度定位裝置的發(fā)明提高了寶石開采率

為了降低成本、提高競爭水平，這一階段發(fā)明了切片厚度定位裝置和切條厚度定位裝置，鋸片厚度從0.3mm下降至0.18mm，鋸片直徑從150mm下降至110m。鋸片直徑減小使外徑跳動度減少，鋸片厚度減少使寶石切割縫隙縮小，切片厚度和切條厚度定位裝置的改革使切片厚度和切條厚度達到尺寸統(tǒng)一，使開采率比80年代提高了10%以上。

2.2 震動拋光技術(shù)的運用為自動化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)

震動拋光機最初主要用于素面玉石或中小件玉石掛件拋光上（如圖6）。寶石刻磨工序的承包者在石坯拋光中引入震動拋光機，成功解決了寶石臺面和腰線拋光的速度難題。以5mm寶石為例，每個工人每班可拋光500粒寶石的臺面和腰線，采用震動機每臺每天可拋光5萬～10萬粒以上，這一工藝改革成功使刻面寶石加工成本降低了20%左右，也為今后的自動化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

2.3 層出不窮的各種發(fā)明提升了企業(yè)競爭力

刻面寶石加工工序在這一階段出現(xiàn)一些改革和發(fā)明。例如升降臺的工具改革，80年代寶石加工設(shè)備用定位塊升降臺調(diào)整寶石加工角度，因定位塊的厚度最小是5mm，不能做到精密定位。蓮花盤升降臺（圖7）的發(fā)明使寶石傾角由3個定位提高到10個以上，并提高了定位的精密度和加工質(zhì)量。

圖6 震動拋光機

3 自動化階段（2000—2010年）

這一階段寶石坯料的制作技術(shù)及生產(chǎn)工藝有了重大突破，各工序承包商各顯神通，出現(xiàn)了不少自動化生產(chǎn)設(shè)備，加工成本快速下降。

圖7 蓮花盤升降臺

圖8 多刀片切石機

圖9 多刀切粒機切割成品

圖10 圓柱坯工藝流程

圖11 圓珠坯工藝流程

3.1 多刀片切石機

傳統(tǒng)普通切石機切石技術(shù)難度高，精準度低，開采率低。性能穩(wěn)定的多刀片切石機的出現(xiàn)，打破了切石關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，切片的厚度誤差可控制在±0.05mm，鋸片直徑110mm，鋸片厚度0.15mm，可切割材料平均直徑60mm，厚度1mm。多刀片切石機具體又可細分為多刀片切片機、多刀片切條機和多刀片切粒機，工作原理基本相同，切條機是在多刀片切石機基礎(chǔ)上增加自動輸送片料裝置，切粒機是在多刀切石機基礎(chǔ)上增加自動輸送條料裝置。

切割粒料尺寸誤差為±0.05mm，方體的精度誤差為±0.02mm，多刀片切石機、多刀片切條機、多刀片切粒機系列設(shè)備的研發(fā)成功為圓柱坯、圓珠坯加工打通了自動化生產(chǎn)的通道。

3.2 圓柱坯、圓球石坯生產(chǎn)工藝

定型是確定石坯雛形和加工尺寸的工序，三角坯工藝（圖1）局限于單一方向粘石，不利于自動化生產(chǎn)，主要應(yīng)用于貴重寶石材料定型和6mm以上的貴重人工寶石材料定型。圓柱坯工藝（圖10）主要應(yīng)用于4mm以上人工寶石材料定型，該生產(chǎn)工藝為實現(xiàn)自動化粘石提供了2個自由度；圓珠坯工藝（圖11）主要應(yīng)用在4mm以下人工寶石材料定型，圓珠坯生產(chǎn)工藝及技術(shù)的研發(fā)，為小直徑寶石加工實現(xiàn)自動化粘石提供了任意自由度。圓柱坯和圓珠坯雖然用料比三角坯多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，但從用工成本和自動化的效率計算，綜合成本比三角料要低很多。

3.3 機械式單粒自動加工設(shè)備

機械式單粒自動加工設(shè)備（圖12）在不改變刻面寶石琢磨參數(shù)的基礎(chǔ)上，用機械動作代替手工操作，圓周分度用間歇式齒輪代替手工轉(zhuǎn)動，傾角用棘輪機構(gòu)代替手工操作運行，鐵棒自動進出機械手，裝料機構(gòu)運用棘輪機構(gòu)和自動松緊裝置。機械式單粒自動加工設(shè)備兼具機械加工、過程可控、加工精度高等優(yōu)勢，如與倒角機（用于寶石定型）和粘石機等設(shè)備配套使用，則可成功研發(fā)貴重寶石加工生產(chǎn)線。

3.4 數(shù)控多粒自動加工設(shè)備

單片機（微控制器）技術(shù)作為計算機技術(shù)的一個分支，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制。數(shù)控多粒自動寶石研磨機（圖13）是單片機技術(shù)在寶石加工上的延伸應(yīng)用，數(shù)控多粒自動寶石研磨機多為五軸聯(lián)動，分別是X/Y/Z軸直線運動、轉(zhuǎn)角（360分度）旋轉(zhuǎn)運動和傾角擺動。操作人員只需在控制屏上輸入寶石加工的各項參數(shù)，設(shè)備就能按指令完成寶石加工全過程。由于機械設(shè)備加工技術(shù)水平、加工精度的提高，磨盤和拋光盤的尺寸從50mm增至500mm，該設(shè)備從一次加工10粒寶石突破到現(xiàn)在的一次可以同時加工200粒寶石。該設(shè)備的成功研發(fā)，使刻面寶石加工設(shè)備由機械式加工進入到數(shù)控加工時代。

4 人工智能階段（2011年至今）

梧州市人工寶石加工產(chǎn)業(yè)經(jīng)過30多年的發(fā)展，寶石加工的各工序取得了突破性的發(fā)展，形成了多學(xué)科尖端技術(shù)、協(xié)同合作、協(xié)同創(chuàng)新的環(huán)境。2011年以來，互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展更是使梧州人工寶石行業(yè)進入嶄新的人工智能階段。

圖12 機械式單粒自動加工設(shè)備

圖13 數(shù)控多粒自動寶石研磨機

圖14 全自動型排磨式寶石研磨機

4.1 全自動排磨式寶石研磨機

全自動排磨式寶石研磨機（圖14）由自動粘石系統(tǒng)、冠部刻磨系統(tǒng)、反石系統(tǒng)、亭部刻磨系統(tǒng)、脫石系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。全自動型排磨式寶石研磨機是控制技術(shù)與通信技術(shù)、質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)與信息技術(shù)、精密機械與智能制造技術(shù)相結(jié)合的無人值守寶石加工設(shè)備，可實現(xiàn)每日加工1～2mm合成立方氧化鋯刻面寶石產(chǎn)品60萬～80萬粒。

4.2 全自動單粒寶石研磨機

數(shù)控寶石加工設(shè)備對于10mm以上的刻面人工寶石和新式琢型加工仍具有局限性，新式琢型寶石加工數(shù)據(jù)需反復(fù)手動測試后才能形成數(shù)據(jù)，輸入單片機控制設(shè)備，以便后期使用。全自動單粒寶石研磨機（圖15）是一款集設(shè)計、起版、教學(xué)和單?？堂婕庸橐惑w的數(shù)控單粒寶石機，填補了全自動數(shù)控刻面寶石加工設(shè)備的缺陷。

圖15 全自動單顆粒寶石研磨機

4.3 數(shù)控升降臺寶石研磨機

市場常見刻面寶石加工設(shè)備有如下缺點：①調(diào)整精度低；②調(diào)整數(shù)據(jù)不夠清晰直觀；③人為干擾因素太多。梧州學(xué)院和企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的數(shù)控升降臺寶石研磨機運用單片機技術(shù)，配合顯示觸摸控制，精密滾珠絲杠控制升降臺運動，控制精度達到0.01mm，傾角調(diào)整范圍0～90°，可調(diào)整出刻面寶石的任意琢磨角度，設(shè)備經(jīng)過不斷研發(fā)已進入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，第四代更作為2019年中國技能大賽全國寶石琢磨工職業(yè)技能競賽指定設(shè)備（圖16）。

圖16 第四代數(shù)控升降臺寶石研磨機

4.4 新舊設(shè)備的生產(chǎn)率及成本比較表

表1 新舊研磨設(shè)備的生產(chǎn)率及成本比較

5 結(jié)語

梧州的人工寶石加工發(fā)展史是不斷推陳出新、打破傳統(tǒng)的過程。傳統(tǒng)人工寶石加工設(shè)備加工精度和效率受到了極大限制，2000年后，機械技術(shù)向光機電一體化方向的發(fā)展，不但是機械技術(shù)發(fā)展本身的需要，更是現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備向大型化、高級化方向發(fā)展的客觀需要，梧州寶石人通過不斷實踐，把微電子技術(shù)、光電技術(shù)和控制技術(shù)與機械有效結(jié)合起來，成功研發(fā)了數(shù)控刻磨寶石加工設(shè)備，使寶石加工技術(shù)水平有了很大提高，性能得到了數(shù)量級的增強。進入2010年后，隨著計算機技術(shù)、測量技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，已研發(fā)出聯(lián)鎖手機控制的無人值守寶石刻磨全自動化生產(chǎn)設(shè)備，做到了寶石加工過程的全自動化、數(shù)字化控制，可以實時、快捷、準確地采集和處理大量加工信息。梧州寶石加工產(chǎn)業(yè)經(jīng)過40多年的發(fā)展，已掌握了寶石加工核心技術(shù)、專用技術(shù)以及部分尖端技術(shù)，使梧州成為享譽世界的“世界人工寶石之都”。雖然取得了一定的成績，但目前梧州寶石加工業(yè)仍以勞動密集型為主，刻面寶石加工技術(shù)與設(shè)備依然存在很多短板需要提升，需要匯集多學(xué)科人才協(xié)同合作攻關(guān)，進一步增加中國寶石加工業(yè)的含金量。注：除特殊說明，文中所有圖片均為陳炳忠拍攝/繪制。