人工宝石加工工艺及生产设备发展历程
——以梧州市人工宝石行业为例

陈炳忠，徐亚兰，沈才卿，覃斌荣

1.梧州学院 2.核工业北京地质研究院 3.梧州市五洲宝石学校

广西梧州市是国内将人工宝石进行集约化生产并发展成加工批发集散地的经典范例。梧州人工宝石加工产业经过近40年发展，逐步从单人单机生产，发展到现在的无人值守人工智能全自动化加工生产，极大提高了生产效率。以2mm宝石为例，80年代每台设备每人班产300粒，现在每台设备每人班产80万粒。梧州人工宝石加工产业发展的路程，不仅归因于加工技术的不断进步与更新，更是加工设备改进与发展的重要成果。本文以梧州市人工宝石加工产业为研究对象，对上世纪80年代以来人工宝石加工工艺及生产设备进行概述，梳理出宝石加工技术发展的脉络，以期对人工宝石产业升级提供启示。

1 单人单机阶段（1982—1992年）

这一阶段加工形式是纯手工单人单机生产，经营模式更多体现为小作坊模式，加工设备和原材料多依赖进口。80年代，人工宝石生产工艺及加工设备与贵重宝石相似，生产效率较低。人工宝石作为天然宝石的替代品，与天然宝石注重加工质量不同，效率是第一生产要素，为此，人工宝石生产商开始不断摸索改进生产工艺和改良生产设备的方法。

1.1 人工宝石加工工艺分析

刻面型宝石加工工艺流程（如图1）：原料→切片→切条→切三角粒→围型→粘石→刻磨抛光宝石冠部（包括台面抛光）→反石→刻磨抛光宝石亭部（包括腰线抛光）→清冼→检验成品。

图1 刻面型宝石加工工艺流程——以三角石坯为例

原料切割环节包括切片、切条和切三角粒三个环节，切割技术是后续所有工艺环节的基础，直接影响产品的出品率。围型工序是将三角粒在半自动围型机上定型成圆形或其他所需形状，在切石尺寸准确的情况下，围型合格率可达95%左右。刻面宝石琢磨加工包括台面、冠部、腰线及亭部的琢磨和抛光，磨石工序的利润主要由材料出品率、产品质量等级和加工效率决定。在80年代，宝石加工企业若想获取高的利润，必须抓好企业管理，控制切石环节，严把磨石工序质量关。

1.2 设备及工具性能分析

1.2.1 切石机技术性能

单刀片切石机是这一时期主流的切石工具，电机功率370w，转速5600转/分，这一时期的材料平均直径40mm以下，锯片厚度常选用0.25～0.3mm，直径150mm，较大的锯片直径和锯片厚度在一定程度上也降低了原材料开采率。

图2 单刀片切石机

1.2.2 磨石机技术性能

该时期宝石研磨工具常用八角手宝石机（图3）和机械手宝石机（图4）两种。电机功率180～250w，设备磨盘主轴转速1400转/分（称低速机），经过不断摸索，现今研磨机设备磨盘主轴转速已达2800转/分，甚至已有企业研发出磨盘主轴转速4000转/分的超高速机，极大提高了宝石研磨的效率。

图3 八角手宝石机

图4 机械手宝石机

1.2.3 定型机技术性能

该时期宝石定型设备多为单颗粒手动定型机，电机功率370w，转速4000转/分。2000年后，定型机增加了自动进料外围辅助设备，进入了自动化定型阶段，大大提高了定型效率。

图5 宝石定型机（三角石坯定型）

2 承包分工阶段（1992—1999年）

1992年，梧州宝石加工行业开始出现各工序的精准分工，市场竞争异常激烈，各工序承办商为进一步降低成本以获取更多市场占有率，不断进行技术和工艺改革，这一时期家庭作坊与“夫妻店”成为了主流生产方式。

2.1 切片厚度和切条厚度定位装置的发明提高了宝石开采率

为了降低成本、提高竞争水平，这一阶段发明了切片厚度定位装置和切条厚度定位装置，锯片厚度从0.3mm下降至0.18mm，锯片直径从150mm下降至110m。锯片直径减小使外径跳动度减少，锯片厚度减少使宝石切割缝隙缩小，切片厚度和切条厚度定位装置的改革使切片厚度和切条厚度达到尺寸统一，使开采率比80年代提高了10%以上。

2.2 震动抛光技术的运用为自动化生产奠定了基础

震动抛光机最初主要用于素面玉石或中小件玉石挂件抛光上（如图6）。宝石刻磨工序的承包者在石坯抛光中引入震动抛光机，成功解决了宝石台面和腰线抛光的速度难题。以5mm宝石为例，每个工人每班可抛光500粒宝石的台面和腰线，采用震动机每台每天可抛光5万～10万粒以上，这一工艺改革成功使刻面宝石加工成本降低了20%左右，也为今后的自动化生产奠定了基础。

2.3 层出不穷的各种发明提升了企业竞争力

刻面宝石加工工序在这一阶段出现一些改革和发明。例如升降台的工具改革，80年代宝石加工设备用定位块升降台调整宝石加工角度，因定位块的厚度最小是5mm，不能做到精密定位。莲花盘升降台（图7）的发明使宝石倾角由3个定位提高到10个以上，并提高了定位的精密度和加工质量。

图6 震动抛光机

3 自动化阶段（2000—2010年）

这一阶段宝石坯料的制作技术及生产工艺有了重大突破，各工序承包商各显神通，出现了不少自动化生产设备，加工成本快速下降。

图7 莲花盘升降台

图8 多刀片切石机

图9 多刀切粒机切割成品

图10 圆柱坯工艺流程

图11 圆珠坯工艺流程

3.1 多刀片切石机

传统普通切石机切石技术难度高，精准度低，开采率低。性能稳定的多刀片切石机的出现，打破了切石关键技术瓶颈，切片的厚度误差可控制在±0.05mm，锯片直径110mm，锯片厚度0.15mm，可切割材料平均直径60mm，厚度1mm。多刀片切石机具体又可细分为多刀片切片机、多刀片切条机和多刀片切粒机，工作原理基本相同，切条机是在多刀片切石机基础上增加自动输送片料装置，切粒机是在多刀切石机基础上增加自动输送条料装置。

切割粒料尺寸误差为±0.05mm，方体的精度误差为±0.02mm，多刀片切石机、多刀片切条机、多刀片切粒机系列设备的研发成功为圆柱坯、圆珠坯加工打通了自动化生产的通道。

3.2 圆柱坯、圆球石坯生产工艺

定型是确定石坯雏形和加工尺寸的工序，三角坯工艺（图1）局限于单一方向粘石，不利于自动化生产，主要应用于贵重宝石材料定型和6mm以上的贵重人工宝石材料定型。圆柱坯工艺（图10）主要应用于4mm以上人工宝石材料定型，该生产工艺为实现自动化粘石提供了2个自由度；圆珠坯工艺（图11）主要应用在4mm以下人工宝石材料定型，圆珠坯生产工艺及技术的研发，为小直径宝石加工实现自动化粘石提供了任意自由度。圆柱坯和圆珠坯虽然用料比三角坯多，生产工艺复杂，但从用工成本和自动化的效率计算，综合成本比三角料要低很多。

3.3 机械式单粒自动加工设备

机械式单粒自动加工设备（图12）在不改变刻面宝石琢磨参数的基础上，用机械动作代替手工操作，圆周分度用间歇式齿轮代替手工转动，倾角用棘轮机构代替手工操作运行，铁棒自动进出机械手，装料机构运用棘轮机构和自动松紧装置。机械式单粒自动加工设备兼具机械加工、过程可控、加工精度高等优势，如与倒角机（用于宝石定型）和粘石机等设备配套使用，则可成功研发贵重宝石加工生产线。

3.4 数控多粒自动加工设备

单片机（微控制器）技术作为计算机技术的一个分支，广泛应用于工业控制。数控多粒自动宝石研磨机（图13）是单片机技术在宝石加工上的延伸应用，数控多粒自动宝石研磨机多为五轴联动，分别是X/Y/Z轴直线运动、转角（360分度）旋转运动和倾角摆动。操作人员只需在控制屏上输入宝石加工的各项参数，设备就能按指令完成宝石加工全过程。由于机械设备加工技术水平、加工精度的提高，磨盘和抛光盘的尺寸从50mm增至500mm，该设备从一次加工10粒宝石突破到现在的一次可以同时加工200粒宝石。该设备的成功研发，使刻面宝石加工设备由机械式加工进入到数控加工时代。

4 人工智能阶段（2011年至今）

梧州市人工宝石加工产业经过30多年的发展，宝石加工的各工序取得了突破性的发展，形成了多学科尖端技术、协同合作、协同创新的环境。2011年以来，互联网的高速发展更是使梧州人工宝石行业进入崭新的人工智能阶段。

图12 机械式单粒自动加工设备

图13 数控多粒自动宝石研磨机

图14 全自动型排磨式宝石研磨机

4.1 全自动排磨式宝石研磨机

全自动排磨式宝石研磨机（图14）由自动粘石系统、冠部刻磨系统、反石系统、亭部刻磨系统、脱石系统、控制系统组成。全自动型排磨式宝石研磨机是控制技术与通信技术、质量监控技术与信息技术、精密机械与智能制造技术相结合的无人值守宝石加工设备，可实现每日加工1～2mm合成立方氧化锆刻面宝石产品60万～80万粒。

4.2 全自动单粒宝石研磨机

数控宝石加工设备对于10mm以上的刻面人工宝石和新式琢型加工仍具有局限性，新式琢型宝石加工数据需反复手动测试后才能形成数据，输入单片机控制设备，以便后期使用。全自动单粒宝石研磨机（图15）是一款集设计、起版、教学和单粒刻面加工为一体的数控单粒宝石机，填补了全自动数控刻面宝石加工设备的缺陷。

图15 全自动单颗粒宝石研磨机

4.3 数控升降台宝石研磨机

市场常见刻面宝石加工设备有如下缺点：①调整精度低；②调整数据不够清晰直观；③人为干扰因素太多。梧州学院和企业联合开发的数控升降台宝石研磨机运用单片机技术，配合显示触摸控制，精密滚珠丝杠控制升降台运动，控制精度达到0.01mm，倾角调整范围0～90°，可调整出刻面宝石的任意琢磨角度，设备经过不断研发已进入产业化生产，第四代更作为2019年中国技能大赛全国宝石琢磨工职业技能竞赛指定设备（图16）。

图16 第四代数控升降台宝石研磨机

4.4 新旧设备的生产率及成本比较表

表1 新旧研磨设备的生产率及成本比较

5 结语

梧州的人工宝石加工发展史是不断推陈出新、打破传统的过程。传统人工宝石加工设备加工精度和效率受到了极大限制，2000年后，机械技术向光机电一体化方向的发展，不但是机械技术发展本身的需要，更是现代化生产设备向大型化、高级化方向发展的客观需要，梧州宝石人通过不断实践，把微电子技术、光电技术和控制技术与机械有效结合起来，成功研发了数控刻磨宝石加工设备，使宝石加工技术水平有了很大提高，性能得到了数量级的增强。进入2010年后，随着计算机技术、测量技术、控制技术和通信技术的不断发展，已研发出联锁手机控制的无人值守宝石刻磨全自动化生产设备，做到了宝石加工过程的全自动化、数字化控制，可以实时、快捷、准确地采集和处理大量加工信息。梧州宝石加工产业经过40多年的发展，已掌握了宝石加工核心技术、专用技术以及部分尖端技术，使梧州成为享誉世界的“世界人工宝石之都”。虽然取得了一定的成绩，但目前梧州宝石加工业仍以劳动密集型为主，刻面宝石加工技术与设备依然存在很多短板需要提升，需要汇集多学科人才协同合作攻关，进一步增加中国宝石加工业的含金量。注：除特殊说明，文中所有图片均为陈炳忠拍摄/绘制。