談耀麟
( 桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院, 廣西桂林541004)

【摘　要】金剛石鋸片在鋸切石材的過程中, 刀頭的磨損狀況決定鋸片的工作狀況。刀頭的磨損實(shí)質(zhì)即金剛石的磨損與胎體的磨損。從影響金剛石受力的因素分析金剛石的磨損機(jī)理。根據(jù)胎體的作用論述胎體成分的改進(jìn)及胎體與金剛石的相互關(guān)系, 并分析了金剛石刀頭的磨損及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】金剛石鋸片; 石材; 磨損機(jī)理; 胎體成分; 刀頭設(shè)計(jì)

　　金剛石鋸片對(duì)石材的鋸切是以一定的鋸切參數(shù)進(jìn)行的。鋸切參數(shù)包括鋸片周速、進(jìn)給速度和鋸切深度。鋸切參數(shù)應(yīng)根據(jù)石材的性質(zhì)和鋸片的技術(shù)規(guī)格來確定。鋸片的技術(shù)規(guī)格包括鋸片直徑、金剛石類型、金剛石粒度和濃度、刀頭尺寸與數(shù)量、胎體粘結(jié)劑類型等。石材對(duì)鋸切效率的影響主要是它的硬度、研磨性、均質(zhì)性和裂隙性。

　　金剛石鋸片在鋸切石材的過程中, 其工作狀況正常與否取決于刀頭的磨損狀況。刀頭的磨損實(shí)質(zhì)上即金剛石的磨損與胎體的磨損。金剛石與胎體的磨損與鋸切參數(shù)和石材性質(zhì)有密切關(guān)系, 但后者是不可控因素。鋸切參數(shù)的選擇涉及刀頭上金剛石承受的切削力。因此, 研究分析金剛石在鋸片鋸切石材過程中刀頭上金剛石與胎體的磨損機(jī)理, 對(duì)于金剛石鋸片的設(shè)計(jì)與選用都具有實(shí)際意義。

　　1　金剛石的磨損機(jī)理

　　金剛石鋸片鋸切石材的過程即鋸片與石材之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在切削力的作用下, 刀頭上的金剛石以其極高的硬度刻入石材, 并隨著鋸片的旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給而不斷地對(duì)石材進(jìn)行高速刮削才能有效地進(jìn)行鋸切。若鋸切參數(shù)選擇不當(dāng), 切削力不足以使金剛石刻入石材, 而隨鋸片高速旋轉(zhuǎn)與石材相對(duì)摩擦, 往往使金剛石磨鈍而弱化刮削石材的作用。此時(shí), 若冷卻液不足則更加促使金剛石受熱損壞, 最終使鋸片失去鋸切作用。金剛石刻入石材的深度大致與切削力成正比關(guān)系。為了達(dá)到足夠的刻入深度, 在實(shí)踐中通常是在一定的鋸片轉(zhuǎn)速下加大進(jìn)給速度。但是若切削力過大,超過了金剛石所能承受的應(yīng)力, 則可能使金剛石產(chǎn)生裂紋甚至破碎而從胎體上脫落, 導(dǎo)致胎體直接與石材相對(duì)摩擦, 此時(shí)鋸片也會(huì)失去鋸切能力。從另一方面說, 為了獲得較好的鋸切效率, 金剛石刻入石材的深度不能過小, 需要金剛石鋸片保持適當(dāng)?shù)闹芩倥c進(jìn)給速度, 使刀頭上每顆金剛石受力適中。影響金剛石受力的因素除了鋸切參數(shù)之外, 還有被鋸切石材的性質(zhì)、金剛石的性能( 主要是抗壓強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性) 以及刀頭的技術(shù)參數(shù), 包括金剛石的粒度與濃度以及胎體的硬度。

　　金剛石鋸片制造廠家為了判斷選用的金剛石類型是否合適; 金剛石鋸片用戶為了研究分析金剛石鋸片的性能和工作狀況都有必要了解金剛石的磨損機(jī)理。元素6 公司自上世紀(jì)末起對(duì)它的鋸片級(jí)金剛石磨粒系列的每一種金剛石產(chǎn)品在不同工作條件下的磨損狀況作了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究, 并根據(jù)金剛石的磨損漸進(jìn)特性制定出磨損機(jī)理標(biāo)示圖。

　　據(jù)元素6 公司的研究工作表明, 金剛石的磨損進(jìn)展過程可分為三個(gè)截然不同的狀況或者說階段, 如圖1 所示。

圖1　石材鋸切中金剛石磨損情況

　　為了說明問題, 圖1 中的金剛石的磨損是在嚴(yán)格控制鋸切條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果, 反映出一定條件下一定類型的金剛石的磨損漸進(jìn)特征。圖1 中a 表示出露的金剛石粒還沒有起到鋸切作用因而未受到磨損的情況; b 表示隨著金剛石粒周圍胎體的磨耗, 金剛石出露增加, 當(dāng)出露足夠高時(shí)即與工件相接觸而起到鋸切作用, 此時(shí)金剛石出現(xiàn)磨損面; c 表示由于金剛石鋸片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致金剛石與工件之間產(chǎn)生間歇性接觸與刮削, 使金剛石受到周期性變化的負(fù)荷, 更由于工件質(zhì)地的不均勻性和鋸片的振動(dòng)加重了這種周期性變化的負(fù)荷。這種負(fù)荷的累積效應(yīng)會(huì)降低金剛石承受切削力的能力, 繼而開始出現(xiàn)裂紋甚至破裂; d表示金剛石處于完全破裂階段。只有當(dāng)金剛石處于磨出平面階段和出現(xiàn)裂紋至破裂階段才能起到鋸切作用。

　　應(yīng)指出的是, 不同類型的金剛石在相同的工作條件下或同類型的金剛石在不同的工作條件下, 其磨出平面階段和出現(xiàn)裂紋至破裂階段的工作壽命長(zhǎng)短是不相同的。在相同的工作條件下, 在金剛石的磨損過程中, 磨出平面階段與出現(xiàn)裂紋階段的相對(duì)比率取決于金剛石的強(qiáng)度與顆粒結(jié)構(gòu)。圖2 為監(jiān)測(cè)單顆金剛石在磨損過程中出刃高度與磨損狀況的關(guān)系的典型例子。

圖2　金剛石的出刃高度與磨損的關(guān)系

　　從圖2 可看出各磨損階段線性磨損速率的變化。在磨出平面階段, 金剛石的磨損速率比最終破裂階段的磨損速率要低得多。圖2 也表示出金剛石出刃高度與鋸切面積的關(guān)系, 從中可看出, 在磨出平面的磨損方式中, 金剛石出刃高度磨損了約20%; 而在破裂的磨損方式中, 金剛石出刃高度磨損了30%; 但前者的鋸切面積比后者的大得多。

　　一般來說, 若鋸切參數(shù)選擇得當(dāng), 金剛石從磨出平面的磨損方式到出現(xiàn)裂紋甚至到破裂的磨損方式是逐漸過渡的, 也就是說從磨出平面階段到出現(xiàn)裂紋和破裂階段不是突然改變的, 如圖1 中C 圖所示。顯然, 金剛石以磨出平面的磨損方式工作時(shí)的有效工作壽命比出現(xiàn)裂紋到破裂的磨損方式工作時(shí)的長(zhǎng)。但是鋸切速度可能比后者低。由此可見, 正確選擇金剛石對(duì)設(shè)計(jì)與制造金剛石鋸片有重要意義。

　　2　胎體的磨損及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

　　在金剛石鋸片中胎體的作用是包鑲金剛石使之正常工作。此外, 胎體應(yīng)隨著表面金剛石的磨損、破裂、脫落而逐漸磨耗, 使表面層下的金剛石相繼出露而進(jìn)入工作狀態(tài)。在許多金屬元素中, 由于鈷對(duì)金剛石具有優(yōu)良的包鑲性能, 所以在傳統(tǒng)的金剛石鋸片制造業(yè)中鈷一直作為刀頭胎體的重要材料。根據(jù)金剛石鋸片的不同用途, 即鋸切不同的材料, 胎體中還加入其它金屬來調(diào)適其硬度, 或者說調(diào)適其磨耗性能。例如鋸切大理石和石灰?guī)r的金剛石鋸片, 在刀頭的胎體中往往加入高比率的青銅; 而鋸切花崗石等較硬材料的金剛石鋸片, 在刀頭的胎體中則加入低量青銅。有時(shí)為了提高金剛石鋸片的使用壽命, 則在刀頭胎體中增大鈷的含量, 其作用是提高胎體的硬度。

　　近年來, 在國際市場(chǎng)上由于鈷的貨源供應(yīng)不穩(wěn)定, 價(jià)格波動(dòng)較大, 因此, 在金剛石鋸片制造中采用鈷作為刀頭胎體材料難于降低成本。有鑒于此, 金剛石鋸片制造廠家不得不考慮尋求新型的胎體材料。眾所周知, 葡萄牙是世界上第九大裝飾石材生產(chǎn)國, 也是歐洲第三大石材生產(chǎn)國, 僅次于意大利和西班牙, 擁有豐富的石材資料, 花崗石、大理石、石灰?guī)r等品種繁多。為了降低石材生產(chǎn)成本, 推廣使用了低鈷含量的胎體材料, 所使用的低鈷含量胎體材料為Co-Cu-Fe,可以降低金剛石鋸片鋸切時(shí)的切削力, 而且胎體有較好的硬度和屈服強(qiáng)度, 鋸切花崗石和石英巖等堅(jiān)硬石材有較好效果。

　　德國Dr . Fr it sch 公司是從事金剛石鋸片和刀頭生產(chǎn)設(shè)備制造的著名廠家, 為了滿足國際上對(duì)無鈷或低鈷含量胎體材料之需求, 于2005 年初研制出新型胎體材料, 用于制造鋸切花崗石的鋸片, 獲得了良好效果。在新型胎體材料中, 加入了青銅, 由于其含錫比率很小, 所以具有可延展性, 從而增加了胎體的韌性。這對(duì)于制造大直徑金剛石鋸片的刀頭具有重要意義。

　　不同的青銅和不同的青銅含量可改變胎體的磨耗特性, 使金剛石易于出刃, 因而提高了鋸切石材的鋒利性, 達(dá)到較高的鋸切速度。該公司推出的系列新型胎體材料制造的金剛石鋸片基本上可滿足常用石材的鋸切加工。

　　金剛石鋸片的刀頭是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的混合體, 同時(shí)具有兩種材料即胎體和金剛石的特性。粉末冶金工藝在刀頭成形過程中不可避免存在孔隙性而影響胎體的機(jī)械性能。胎體與金剛石這兩種截然不同的材料之間存在不可共熔性。但它們?cè)诘额^中的作用是相互依存的, 有時(shí)又是相互制約的。金剛石需要胎體的包鑲作用, 但隨著胎體中金剛石粒度或濃度的加大都會(huì)使刀頭的沖擊韌性降低。刀頭沖擊韌性的降低可導(dǎo)致金剛石鋸片最初切入石材的瞬間受到?jīng)_擊負(fù)荷而產(chǎn)生裂紋。因此, 金剛石鋸片刀頭的磨損狀況不是金剛石和胎體磨損機(jī)理的簡(jiǎn)單疊加。在金剛石鋸片鋸切石材的實(shí)踐中往往會(huì)遇到這種情況, 即刀頭工作面兩邊的磨損比中間部位的磨損快, 從而使刀頭工作面形成弧形, 導(dǎo)致石材的鋸切面質(zhì)量變差, 增加了后續(xù)工序的工作量, 提高了生產(chǎn)成本。有一種層式結(jié)構(gòu)的刀頭,即制成三層結(jié)構(gòu), 中間層的金剛石濃度低于兩側(cè)層的, 從而使刀頭的工作面在整個(gè)使用壽命期內(nèi)保持磨損面平整, 從而提高了鋸切質(zhì)量。但是這種層式結(jié)構(gòu)的刀頭生產(chǎn)成本較高。最近出現(xiàn)一種槽式結(jié)構(gòu)的刀頭, 如圖3 所示, 在刀頭的中部開有梯形槽, 貫通刀頭的全高度, 焊接到基片上時(shí)槽的方向左右交替錯(cuò)開。

圖3　鋸片上的槽式金剛石刀頭

　　這種槽式結(jié)構(gòu)的刀頭不但解決了工作面磨損不均的問題, 還有利于冷卻液的流通而使刀頭的冷卻和排屑更有效, 可減少金剛石受熱損壞, 延長(zhǎng)鋸片使用壽命。

　　3　結(jié)語

　　從分析金剛石鋸片鋸切石材過程中的磨損狀況不難看出, 提高金剛石鋸片鋸切石材的效率有許多問題值得研究, 比如關(guān)于鋸切速度。在鋸切混凝土?xí)r, 金剛石鋸片的周速可達(dá)到45m/ s, 而鋸切石材時(shí), 鋸片的周速遠(yuǎn)未達(dá)到此值, 一般周速在30m/ s 左右。因此,有必要研究刀頭的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以改善其冷卻條件。另一方面提高人造金剛石的熱穩(wěn)定性是一個(gè)很關(guān)鍵的問題。

　　金剛石鋸片要達(dá)到較長(zhǎng)的使用壽命和較高的鋸切速度, 從金剛石的磨損機(jī)理來說, 磨出平面的磨損方式與出現(xiàn)裂紋甚至破裂的磨損方式之間應(yīng)達(dá)到最佳平衡; 從胎體的磨損機(jī)理來說, 材料的選擇以及材料之間應(yīng)達(dá)到最佳配比。

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