金刚石粒度对金刚石锯片性能的影响

超硬天地 2018-11-13 15:02:03


摘 要:

  根据锯切过程中锯片的金刚石粒度与切屑厚度之关系论述金刚石粒度对锯片性能的影响,主要包括锯切率、使用寿命、功率消耗。在关于金刚石粒度的表示方式中,指出单纯以目数表示金刚石粒度的局限性和以每克拉颗粒数(PPC)表示金刚石粒度的重要性。


关键词:

  金刚石;粒度;锯片性能;PPC


  金刚石锯片是应用最广泛的金刚石工具。为了获得金刚石锯片的最大效益,无论是制造厂家还是用户都十分关注金刚石锯片的工作状况,特别是它的锯切率、使用寿命和功率消耗。金刚石锯片的工作状况与工作条件和金刚石的磨损过程有着密切关系。金刚石的耐磨性受其颗粒结构的影响。颗粒结构表现为粒度、形状、表面特征和内部夹杂物的差异。颗粒结构取决于合成工艺的不同。在金刚石锯片中,对金刚石的评鉴主要包括四个方面,即粒度、强度、结晶度和磨损机理的标示值。本文只着重论述金刚石粒度对金刚石锯片性能之影响。



1  金刚石粒度与切屑之关系


  在对金刚石锯片性能的研究中,往往以无应变切屑厚度来分析金刚石不同粒度与浓度的影响。一般认为无应变切屑平均厚度是测定作用在金刚石颗粒上的力如何随着锯切参数的改变而改变的有效方法。切屑厚度之所以称为无应变是因为计算时只考虑一颗金刚石刻划工件所产生的切屑的理论厚度。知道了金刚石粒受力的改变,就可以预测磨损率、功率消耗以及磨损进展的相应变化。举例来说,若增加金刚石浓度,金刚石粒受力的平均值将减小,因此更多的金刚石粒会被磨出平面而失去切削作用。上世纪80年代初,Tonshoff H.K.等人在石材锯切的研究中提出了下列公式用以计算切屑的平均厚度。


  式中:Vt——工作台速度;Vs——锯片圆周速度;λ——锯片刀头总长度对锯片周长之比;Na——单位面积有效工作的金刚石颗数;r——切屑宽度对厚度之比;d——锯切深度;D——锯片直径。


  从上式可以看出,在一定锯切条件下,无应变切屑平均厚度(Havg)取决于有效工作的金刚石颗粒数(Na)。但此值难于确定,因为它随锯切条件而变。单位面积上有效工作的金刚石颗数与锯片表面上看到的金刚石颗粒不尽相同。根据Wright D.N.等人对金刚石孕镶钻头钻进花岗岩的研究,认为只有24%的可看到的金刚石颗粒是有效工作的。


  式中 r 值与锯切条件有关,主要取决于工件的质地。在给定的工作条件下,为了预测锯片的工作状况,有必要控制锯片中金刚石颗粒的两个特征函数。


  其一是控制每克拉金刚石颗数(PPC)使锯片表面上静态金刚石颗数始终一致。锯片表面上静态金刚石颗数Ns与PPC之关系可用下式表示。



  式中:C——金刚石浓度;Φ——平均颗粒尺寸。


  其二是控制金刚石粒对锯切力的反应,亦即改变锯切参数来控制金刚石粒的磨损进程。


  从式(2)可看出,有三种途径可改变锯片表面上静态金刚石颗数,即改变金刚石浓度、粒度范围或PPC。Koshy P.等人以概率性模型分析研究金刚石砂轮中金刚石分布状况得出单位体积和单位面积上金刚石颗数随PPC、粒度范围和浓度而改变的关系(表1),可供参考。



表1  单位砂轮中金刚石颗粒数与PPC、粒度和浓度的关系


  用公式(1)和(2)可分析PPC与无应变切屑平均厚度之间的关系,亦即金刚石粒度与切屑之关系,并加以量化,如图1 所示。


  从图1可看出,同样金刚石浓度的金刚石锯片在相同的工作条件下,若所含金刚石粒度越小则切屑量越少。



图1  金刚石粒度与无应变切屑平均厚度的量化关系

  注:图1中与各粒度对应的数字为SDA+系列金刚石每克拉的颗粒数(PPC)。


  公式(1)、(2)各参数的关系可用曲线图表示。如图2所示为切屑厚度或锯切率分别与锯切深度、锯 片周速、工作台速度和金刚石浓度之关系曲线。从图2可看出,增加锯切深度或工作台速度时,切屑厚度和锯切率均增加;而提高锯片周速或增加金刚石浓度时,则切屑厚度变小而锯切率保持不变。应指出的是,金刚石浓度实际上反映了有效工作的金刚石颗数。






图2  切屑厚度、锯切率跟锯切工艺参数的关系


  金刚石和其它脆性材料所表现的共性一样,颗粒尺寸越小其强度越高。但是金刚石粒度越小,它在胎体上可达到的最大出刃也减小了。显然,较大粒度的金刚石的出刃比之较小粒度的金刚石的出刃大,因而较大粒度的金刚石产生无应变切屑平均厚度较大,亦即可获得较大的锯切率。


  1)PPC的允许偏差为5%,转换为1.7%的平均颗粒尺寸允许偏差。


  2)平均颗粒直径是根据球形近似值。此近似值考虑了胎体中金刚石的无序取向。


  3)浓度一栏上行数字为单位体积所含金刚石颗粒数(颗数/cm3);下行数字为单位面积所含金刚石颗粒数(颗数/cm2)。



2  金刚石粒度对金刚石锯片性能的影响


  金刚石粒度对金刚石锯片性能的影响主要表现在锯切率、使用寿命和功率消耗。


2.1
 关于锯切率


      Engels A. 用含不同粒度金刚石的锯片进行锯切花岗石的实验研究得出图3所示的曲线,实验条件见表2。



表2  Engels.A的实验条件


  从图3可看出,金刚石锯片所含金刚石粒度较小,其锯切率较低。这是由于较小粒度的金刚石出刃较小,切屑量相应减少。



图3  锯切花岗岩时金刚石粒度对锯片性能的影响


2.2
 关于使用寿命


  从图3还可看出,金刚石粒度较小可提高锯片使用寿命。因为在金刚石浓度相同的条件下,在单位面积上有更多的金刚石参与工作,刀头更为耐用,而且每颗金刚石上所受到的负荷降低了。当然,这是在锯切条件不变的情况下相对而言。不过,金刚石粒度小,出刃也就小,会影响锯切率。


2.3
 关于切率消耗


  一般来说,在锯切参数相同的条件下,金刚石粒度较小,锯片消耗的功率较大。这是由于有更多数量的金刚石粒与工件接触磨擦并参与切削作用,而且锯片工作面与工件之间的间隙较小,排屑阻力也会消耗一定的功率。此外,金刚石粒度较小,则单位面积上金刚石的颗数增加,每颗金刚石所受的力降低,不能有效压入工件,往往容易导致金刚石刃磨耗,也会增加功率消耗。


  在实际工作中金刚石粒度对锯片性能的影响要复杂得多。因为有些因素是难于控制的,如金刚石在胎体中分布的均匀性、胎体硬度的适应性等,而且每颗金刚石的强度和颗粒结构不完全相同,从而导致每颗金刚石的磨损渐进特性也不相同。



3  关于金刚石粒度的表示方式


  在金刚石工具制造行业中,金刚石的粒度一向是以目数表示的。所谓目数即筛网每英寸长度上的网目数。因此,以目数表示的粒度不是一个绝对的同一(统一)值,而是一个量值范围。此量值范围存在允许偏差。例如FEPA的网目数允许5%的颗粒大于确定的量值范围,5%的颗粒小于量值范围。


  实际上以目数表示的粒度中,较细颗粒与较粗颗粒之比是不确定的,也就是说在某一目数的粒度中,每克拉的颗粒数(PPC)是不同的,因而平均颗粒尺寸也是不同的,金刚石每克颗粒数(PPC)或平均颗粒尺寸的差异可导致金刚石工具工作性能的不同。图4是在同一目数范围内,PPC相差10%时金刚石锯片锯切性能的差异。锯切参数见表3。



表3  图4的锯切参数



图4  相同目数PPC不同(差10%)时锯片性能差异


  图4说明只有通过控制金刚石工具中金刚石的PPC值才能获得始终如一的工作性能。为了金刚石工具制造厂家能正确选用金刚石,元素6公司对其锯片级金刚石SDA+系列产品都给出了PPC值,每一标准目数的PPC值都规定了严格的允许偏差。PPC值反映了相应目数范围内颗粒的实际大小,保证了金刚石产品粒度的一致性。所以说单纯以目数表示金刚石产品的粒度有其局限性。但对于颗粒较小的金刚石来说,要给出它相应目数的PPC值是相当困难的。因为相对于常用金刚石产品的目数而言,相应的PPC值即每克的颗粒数可高达数百至数千,不是单靠人工计数所能解决的问题。


作者

谈耀麟 (桂林矿产地质研究院,广西桂林)




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