1 引言

　在石材鉆削中，由于金剛石鉆頭與石材之間的相對高速運動而在其接觸界面產(chǎn)生各種復雜 摩擦學現(xiàn)象。金剛石鉆頭與石材之間的摩擦，由于石材導熱性差，大部分熱量傳到金剛石刀頭中，使金剛石鉆頭表面溫度升高，造成金剛石石墨化，金剛石切削能力 降低，同時導致鉆頭基體產(chǎn)生熱疲勞，強度和剛度降低，加工石材時噪音增加，振動加劇，鉆頭壽命降低，嚴重時金剛石刀頭脫落，對操作者造成傷害，同時也影響 加工質(zhì)量和加工效率。研究金剛石鉆頭鉆削參數(shù)對其表面溫度影響，找出影響表面溫度因素關系和規(guī)律，確定合理加工參數(shù)，有利于提高金剛石鉆頭使用壽命和降低 加工成本，提高加工質(zhì)量。

　　2 實驗條件

　金剛石刀頭采用Cu基金屬粉末，金剛石粒 度為60～80目，采用燒結成型法壓制成型，刀頭焊接在高速鋼圓筒上。金剛石鉆頭直徑φ37mm，高5．6mm，寬2mm，基體直徑φ35．6mm，高度 45mm。加工設備采用XK5032C型數(shù)控銑床，該設備實現(xiàn)X軸、Y軸和Z軸三個方向的自動進給，主軸冷卻方式采用水冷。用紅外線溫度測量儀測量刀具表 面產(chǎn)生的溫度，測量溫度范圍在-50～650℃之間。在室溫l2℃條件下直接測量。石材分別選用大理石、砂巖和花崗巖。本實驗主要研究主軸轉速、進給速度 和石材性能等參數(shù)對金剛石鉆頭表面溫度的影響。實驗是在干切削條件下進行，加工狀態(tài)如圖1所示。

圖1 金剛石鉆頭加工石材示意圖

　　3 結果分析

　3．1 進給速度對溫度的影響

圖2 進給速度與金剛石鉆頭表面溫度關系

圖3 進給速度與金剛石鉆頭表面溫度關系

　金剛石鉆頭加工石材時，影響鉆頭表面溫度參數(shù)很多，其中包括金剛石性能、結合劑性能、石材物理力學性能、加工參數(shù)、冷卻參數(shù)等。本實驗研究加工參數(shù)和石 材性能對金剛石鉆頭表面溫度的影響。圖2是在主軸轉速為300 r／min，進給速度分別為10mm／min、15mm／min、20mm／min、25mm／min，鉆削大理石時鉆頭表面溫度預鉆削時間關系曲線。從 圖2中可以看到，在4種進給速度條件下，金剛石鉆頭表面溫度都隨加工時間的增加而加大。在加工初期階段，溫度增加比較緩慢，當加工時間超過4s后，溫度急 劇增加。當加工時間達到10s時，金剛石鉆頭表面溫度是初始的5倍。圖3為加工大理石時進給速度與溫度關系曲線。從圖中可以看到在進給速度 l0～20mm／min時溫度上升較慢，在進給速度為20～30mm／min時，溫度上升最為明顯，在此區(qū)間鉆頭加工石材產(chǎn)生的熱量最多。由于鉆削過程 中，金剛石鉆頭與石材表面產(chǎn)生很大摩擦，導致金剛石鉆頭表面溫度上升。由于大理石的導熱系數(shù)很低，而刀具的導熱系數(shù)很高，很大一部分熱量傳導到金剛石鉆頭 上，導致金剛石鉆頭表面溫度升高。由于進給速度增加，單位時間內(nèi)切割面接增加，刀具接觸石材次數(shù)增加，表面溫度增加。

　3．2 主軸轉數(shù)對溫度的影響

圖4 主軸轉速與金剛石鉆頭表面溫度關系

圖5 主軸轉速與金剛石鉆頭表面溫度關系

　圖4是進給速度為15mm／min，主軸轉速分別為300rpm、400rpm、500rpm，鉆削大理石時金剛石鉆頭表面溫度與鉆削時間關系曲線。從 總體上看，溫度隨時間的增加直線上升。另外從圖5中可以看到溫度隨主軸轉速增加而增加。但是溫度上升不明顯。當主軸轉數(shù)達到500r／min時，最高溫度 為143 ℃。主軸轉速增加。單位時間內(nèi)金剛石顆粒與石材摩擦次數(shù)增加，接觸時間長，由此導致表面溫度增加。

　3．3 石材性能對表面溫度的影響

　圖5是主軸轉速為300rpm，進給速度為15mm／min時．加工不同石材金剛石鉆頭表面溫度平均值。從圖5中可以看到鉆削花崗巖時金剛石表面溫度最 大，達到l50℃，而加工砂巖時表面溫度最低，為30℃；加工大理石時的溫度為70℃。通過石材性能得知，花崗巖密度2．5～2．7kg／cm3、抗壓強 度120～250MPa，大理石的密度為2．5～2．7 kg／cm3、抗壓強度47～120MPa，砂巖的密度為2．2～2．5kg／cm3、抗壓強度47～120MPa。三種石材的密度基本一致，但是花崗巖 的抗壓強度遠遠大于大理石和砂巖，幾乎是大理石和砂巖的2倍。石材強度增加，切削力加大，金剛石刀具磨損嚴重，導致金剛石鉆頭表面溫度升高。從圖5中可以 看到加工花崗巖時的金剛石刀具表面溫度是加工大理石的2倍、砂巖的5倍。從加工實驗中可以看到，干切削花崗巖時，金剛石刀具表面溫度上升很快，同時溫度很 高，導致金剛石刀頭脫落?；◢弾r的熱傳導系數(shù)3．49W／mK，而銅材的熱傳導系數(shù)為370．49W／mK，由此可以看到大部分熱量是通過金剛石鉆頭來進 行熱傳導的，由此導致金剛石鉆頭表面溫度急劇增高，金剛石磨損嚴重。

圖6 石材種類與金剛石鉆頭表面溫度

　4 結論

　采用金剛石鉆頭加工石材時，主軸轉速和鉆削速度等加工參數(shù)對刀具表面溫度影響很大。刀具表面溫度隨主軸轉速和進給速度的增加而增加。金剛石鉆頭表面溫度隨鉆削時間增加而加大，同時與鉆削時間成正比。

　石材性能對金剛石鉆頭表面溫度影響也是很大。在相同條件下鉆削花崗巖時鉆頭表面溫度是大理石的2倍，是砂巖的5倍。干鉆削時應采用冷卻液，防止金剛石鉆頭磨損嚴重。對燒結金剛石應采用銅焊或激光焊接。可以保證焊接處耐高溫，不至于金剛石刀頭較早脫落。