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(jìn)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(jī)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(jìn)步與更新，更是加工設(shè)備改進(jìn)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(jì)80年代以來人工寶石加工工藝及生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)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(jī)階段（1982—1992年）

這一階段加工形式是純手工單人單機(jī)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(jìn)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(jìn)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→切三角粒→圍型→粘石→刻磨拋光寶石冠部（包括臺面拋光）→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(jī)上定型成圓形或其他所需形狀，在切石尺寸準(zhǔn)確的情況下，圍型合格率可達(dá)95%左右。刻面寶石琢磨加工包括臺面、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(yán)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(jī)技術(shù)性能

單刀片切石機(jī)是這一時期主流的切石工具，電機(jī)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(jī)

1.2.2 磨石機(jī)技術(shù)性能

該時期寶石研磨工具常用八角手寶石機(jī)（圖3）和機(jī)械手寶石機(jī)（圖4）兩種。電機(jī)功率180～250w，設(shè)備磨盤主軸轉(zhuǎn)速1400轉(zhuǎn)/分（稱低速機(jī)），經(jīng)過不斷摸索，現(xiàn)今研磨機(jī)設(shè)備磨盤主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)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(jī)，極大提高了寶石研磨的效率。

圖3 八角手寶石機(jī)

圖4 機(jī)械手寶石機(jī)

1.2.3 定型機(jī)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(jī)，電機(jī)功率370w，轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分。2000年后，定型機(jī)增加了自動進(jìn)料外圍輔助設(shè)備，進(jìn)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(jī)（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(zhǔn)分工，市場競爭異常激烈，各工序承辦商為進(jìn)一步降低成本以獲取更多市場占有率，不斷進(jìn)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(dá)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(jī)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(jī)，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(jī)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(jī)

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(jī)

圖9 多刀切粒機(jī)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(jī)

傳統(tǒng)普通切石機(jī)切石技術(shù)難度高，精準(zhǔn)度低，開采率低。性能穩(wěn)定的多刀片切石機(jī)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(jī)具體又可細(xì)分為多刀片切片機(jī)、多刀片切條機(jī)和多刀片切粒機(jī)，工作原理基本相同，切條機(jī)是在多刀片切石機(jī)基礎(chǔ)上增加自動輸送片料裝置，切粒機(jī)是在多刀切石機(jī)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(jī)、多刀片切條機(jī)、多刀片切粒機(jī)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(jī)械式單粒自動加工設(shè)備

機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)代替手工操作運行，鐵棒自動進(jìn)出機(jī)械手，裝料機(jī)構(gòu)運用棘輪機(jī)構(gòu)和自動松緊裝置。機(jī)械式單粒自動加工設(shè)備兼具機(jī)械加工、過程可控、加工精度高等優(yōu)勢，如與倒角機(jī)（用于寶石定型）和粘石機(jī)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(jī)（微控制器）技術(shù)作為計算機(jī)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(jī)（圖13）是單片機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械式加工進(jìn)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(jìn)入嶄新的人工智能階段。

圖12 機(jī)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(jī)

圖14 全自動型排磨式寶石研磨機(jī)

4.1 全自動排磨式寶石研磨機(jī)

全自動排磨式寶石研磨機(jī)（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(jī)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(jī)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(jī)

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(jī)控制設(shè)備，以便后期使用。全自動單粒寶石研磨機(jī)（圖15）是一款集設(shè)計、起版、教學(xué)和單粒刻面加工為一體的數(shù)控單粒寶石機(jī)，填補(bǔ)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(jī)

4.3 數(shù)控升降臺寶石研磨機(jī)

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(jī)運用單片機(jī)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(dá)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(jìn)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(jī)

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(jī)械技術(shù)向光機(jī)電一體化方向的發(fā)展，不但是機(jī)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(jī)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(qiáng)。進(jìn)入2010年后，隨著計算機(jī)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(jī)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(zhǔn)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(yù)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(jìn)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。