張紹和¹, ², 馬 歡¹
(1. 中南大學 地學與環(huán)境工程學院，長沙 410083；2. 有色金屬成礦預(yù)測教育部重點實驗室，長沙 410083)

　　摘 要：采用與主磨料粒度相差較大的金剛石微粉作為輔磨料，設(shè)計和制備了13 種不同配方的金剛石小鋸片進行切割混凝土的試驗，實現(xiàn)主輔磨料雙切削共同作用。通過混凝土切割實驗和理論分析, 研究金剛石輔磨料對金剛石鋸片壽命和切割效率的影響。結(jié)果表明，在鋸片中加入適量濃度的細顆粒金剛石作為輔磨料，能較大幅度提高混凝土金剛石鋸片的切割效率及使用壽命。金剛石作為輔磨料可協(xié)助主磨料共同參與切割混凝土，能加快鋸片的新陳代謝，使單位切削面上的受力點增多，且減小金剛石顆粒之間的間距，使大于金剛石間距的砂粒磨削不到胎體，從而減少砂粒對胎體的磨損，金剛石鋸片的使用壽命最多可提高150%以上，切割效率提高約40%。

　　關(guān)鍵詞：輔磨料；金剛石鋸片；混凝土；切割效率；使用壽命

　　混凝土是1 種特殊的復(fù)合材料，主要由粗骨料石、細骨料砂、水泥等硬相和軟相材料組成，其抗拉強度低，存在裂縫和不連續(xù)點等結(jié)構(gòu)缺陷[1]。常用金剛石鋸片在鋸切混凝土的過程中，易產(chǎn)生金剛石非正常磨損和過早脫落，以及鋸片基體易變形等缺點[2]。金剛石研究工作者通過調(diào)整胎體配方以及改變鋸片外形來提高金剛石鋸片的性能，取得了一定的效果，然而通常只能提高金剛石性能指標(壽命與切割效率)之一，如何兼顧金剛石鋸片在切割混凝土時具有較高的時效性及較長的壽命一直是難于解決的問題。本文作者從鋸片的磨料著手，通過對單顆金剛石運動的研究，分析粒度不同的金剛石在切割工作中發(fā)揮的不同作用，使得鋸片產(chǎn)生不同的使用效果，進而決定采用與常用金剛石磨料粒徑相差懸殊的金剛石微粉作為輔磨料，配合主磨料共同完成鋸切工作，從而使混凝土金剛石鋸片在保持高效率的同時能夠具有較長的使用壽命。

　　1 實驗

　　1.1 鋸片制備

　　鋸片的制作工藝過程為：混料→壓制→燒結(jié)→鋸片外觀、硬度、厚度、燒結(jié)狀況檢驗→拋光→噴漆→開刃→包裝。實驗設(shè)備及工作條件如下：

　　1) 混料設(shè)備：三維混料機，220 V，50 Hz，180 W。

　　2) 冷壓機：四柱式液壓機，公稱力2 000 kN，最大壓力25 MPa。

　　3) 燒結(jié)爐：鐘罩式熱壓燒結(jié)爐，三相380 V、50kW，最高燒結(jié)溫度1 000 ℃，溫度控制精度為±1%、最大壓力600 kN、壓力控制精度±2%，高溫電爐絲加熱，可控硅調(diào)節(jié)加熱功率。

　　4) 開刃機：JJ105-230A 型金剛石鋸片開刃機，開刃直徑范圍為105～230 mm。

　　5) 切割機：掛重式切割機，懸掛物質(zhì)量為7.05 kg，輸入功率1 400 W，轉(zhuǎn)速5 000 r/min, 最大切深25mm。

　　本研究以粒度為297～420 μm 優(yōu)質(zhì)金剛石為主磨料，采用5 種不同粒度的金剛石微粒作為輔磨料，設(shè)計及制備13 種不同配方的金剛石鋸片。鋸片尺寸為：外徑115 mm、厚1.8 mm，工作層高度10 mm。鋸片的具體配方列于表1。 F 為未加入輔磨料的鋸片。

　　1.2 切割實驗

　　用這13 種鋸片切割統(tǒng)一制作的同一批次混凝土板，混凝土板的尺寸為600 mm ×600 mm×21 mm。各鋸片在自制掛重試切臺上進行試切，每片鋸片切割過程中掛重相等，即牽引力相同，均為70 N，用秒表記錄鋸片切割一定長度、厚度混凝土所耗用的時間。切割前和切割后，用游標卡尺測量鋸片的外徑(精確到0.01 mm)。鋸片外徑消耗=切前直徑−切后直徑，由下式計算鋸片理論壽命和磨損比：

　　切割速度越快，表明鋸片鋒利度越好, 切割效率越高。試切結(jié)果列于表2。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 不同鋸片切割混凝土對比分析

　　試切實驗結(jié)果列于表2。從表中可知隨著輔磨料粒度及濃度的變化，鋸片的壽命與切割速度發(fā)生較大的改變。在一定參數(shù)范圍內(nèi)，所添加的輔磨料粒度越細，濃度越高，鋸片的壽命與切割速度提高越快[3]；當二者數(shù)量超出此范圍時，鋸片的切割效率出現(xiàn)下降的趨勢。鋸片的壽命和鋒利度分別如1 和圖2 所示。

　　高了整體切削效率。另一方面，混凝土中含有很多砂子與碎石，比一般巖粉顆粒粗，而且有棱角，這些砂石中又含有較多的石英成分，硬度較大。在相同的沖擊速度，砂石顆粒對胎體的沖量遠大于一般巖粉[5]，當鋸片在切割過程中面對砂石時，粗顆粒金剛石的粒度逐漸減小，以致到某一臨界值時，其包鑲能力越來越小，粗顆粒金剛石開始迅速消耗，切削能力減弱直至完全喪失。此時逐漸過渡到由細顆粒金剛石小體積破碎砂石，因其單位抗壓強度較高，在壓力不變的情況下，接觸面積減小，壓強增大，總比出刃大。又因胎體裸露少，自由面增多，與混凝土的摩擦力也相應(yīng)增大，同樣可以達到高效率破碎混凝土的目的。如此循環(huán)往復(fù)，輔磨料與主磨料搭配產(chǎn)生的接力特性使得胎體的新陳代謝加快，二者共同提高了鋸片的切割效率。

　　由于D2和D3這兩類鋸片中加入的輔磨料粒度與主磨料粒度相差更懸殊，加入相應(yīng)濃度的主、輔磨料后，鋸片刀頭內(nèi)的金剛石分布密集程度太高。欲使鋸片正常破碎混凝土，需要給予非常大的水平作用力，然而過大的作用力會導致鋸片基體變形，影響正常使用[4]，因此D2 和D3 鋸片的鋒利度相對F 要低一些。加入金剛石輔磨料能提高鋸片的壽命，一方面是因為磨料濃度增大。在一定范圍內(nèi)，磨料濃度增大，金剛石壽命提高。另一方面，由于混凝土中的砂石對鋸片胎體的沖蝕比一般巖粉更嚴重，導致胎體的磨損速率加快。加入金剛石微粉后，鋸片單位工作刃面上的切削點增多，減小了金剛石顆粒之間的距離[6−8]，混凝土中大于金剛石顆粒間距的砂粒無力腐蝕胎體，從而減少了砂粒對胎體的磨損，使得鋸片壽命提高。

　　2.2 輔磨料對鋸片影響的理論分析

　　加入適當粒度、適當濃度的細顆粒金剛石作為輔磨料，配合原有主磨料共同參與切割混凝土，可大幅度提高鋸片的使用價值。下面通過理論計算進行分析[9]。

　　為了計算簡單和討論方便，將金剛石顆?？闯汕驙?，設(shè)1 cm3 胎體內(nèi)的金剛石顆粒數(shù)為n，按下式計算出金剛石顆粒數(shù)為：

　　式中：C 為金剛石鋸片中的金剛石濃度(體積分數(shù)，%)；d 為金剛石顆粒直徑，mm，每顆金剛石的體積為
πd³/6。在1 cm³ 胎體體積中有n 粒金剛石，則在10 mm的高度內(nèi)應(yīng)有r 層金剛石，每層金剛石的厚度h 即金
剛石顆粒之間的距離為

　　將普通鋸片1#與加入輔磨料后的鋸片2#對比分析，通過查表得，主磨料金剛石平均粒徑約為0.42mm，輔磨料粒徑為0.125 mm，由式(1)和(2)計算出未添加輔磨料的鋸片中金剛石顆粒間距為h1#=1.19 mm，而添加了輔磨料的鋸片中金剛石顆粒間距為h2#=0.35mm。切割對象混凝土所用砂石為中砂，其粒徑約為d=0.25～0.5 mm。金剛石在胎體內(nèi)的分布可用圖3、圖4表示。

　　圖3 中，砂石粒徑d＜h1#，此時砂石中的主要成分石英因硬度較大，可直接通過鋸片中金剛石顆粒間距腐蝕胎體，令胎體磨損速度加快； 2#金剛石鋸片因加入輔磨料，大大減小了金剛石顆粒間距，使得大于h2#的石英顆粒無法直接磨損胎體，從而提高了鋸片的使用壽命。

　　對于普通鋸片1#與加入輔磨料后的鋸片2#鋒利度的對比分析如下：

　　金剛石在工作時的脫落高度可用d/β 來表示，其中β 為常數(shù)。β 越小，金剛石的脫落高度越大[10]。當一個新鋸片在開始工作時，鋸片胎體每磨損一個ΔL，就有一顆金剛石出露。胎體磨損至金剛石的脫落高度d/β 時，再磨損一個ΔL，即在出露一顆新金剛石的同時，就有一顆舊金剛石脫落(出露高度超過脫落高度d/β)。達到這一狀態(tài)后，鋸片胎體工作面上的金剛石顆粒數(shù)則不再增加，故有：N = (d/β )/ΔL   (3)

　　將式(1)、(2)代入式(3)得：

　　根據(jù)上述討論可以判定，N 代表鋸片胎體工作面上金剛石的平面密度，而1/ΔL 為鋸片胎體工作面上的縱向密度[11]。用x 表示胎體工作面上金剛石的縱向密度，即有：

　　可見添加輔磨料的2#鋸片胎體內(nèi)金剛石的縱向密度遠遠大于普通1#鋸片，因此切割對象混凝土中小于h2#的細粒徑砂石在腐蝕胎體的同時，也加速了2#鋸片中輔磨料的脫落，使得鋸片工作時胎體新陳代謝迅速提高[12]，下一出刃層的細顆粒金剛石可迅速出刃，雖然粒度很小，但仍然具備一定刻取巖粉的能力，實現(xiàn)輔磨料與胎體原有主磨料共同參與破碎混凝土，使得鋸片切割效率明顯加快。

　　3 結(jié)論

　　1) 采用與主磨料粒度相差較大的金剛石微粉作為輔磨料，可以有效提高鋸片壽命以及鋒利度。在一定范圍內(nèi)，磨料濃度越大，金剛石工具壽命越高。又由于鋸片加入適量細粒度金剛石后能夠配合粗顆粒金剛石共同工作，大大提高了鋸片工作時的新陳代謝能力，因此切割效率隨之提高。

　　2) 研究發(fā)現(xiàn)添加合適粒度和濃度的輔磨料，不僅可以提高鋸片壽命，還能提高其鋒利性，金剛石鋸片的使用壽命最多可提高150%以上，切割效率提高約40%。

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