金刚石圆锯片高速锯切花岗石的研究

石材杂志 2019-01-16 00:01:22

 在众多的建筑装饰石材中,花岗石质地坚硬密实、不易风化,而且其天然矿物结晶纹理形成了绚丽的颜色,所以很受青睐,多用作建筑物外墙和厅堂、走廊、浴室、厨房、泳池等的墙面砖或地板砖。

一般采石场开采花岗石荒料以及将花岗石荒料锯切成板材都普遍采用了金刚石串珠绳锯。但在小规格花岗石板材和花岗石贴面砖的生产中主要还是采用金刚石圆锯片。例如锯切厚度在10〜15mm以下,宽度不大于400mm的板材时,大多使用直径为1000mm的金刚石圆锯片。原因是这种锯切方法可靠,具有较高的生产效率和较好的锯切质量。不过,目前常用的金刚石圆锯片的厚度较大。因此,对被锯切石材的损耗也较大,据估计几乎占到50%[1]。众所周知,花岗石是不可再生的天然资源,特别是品种稀缺的花岗石弥足珍贵,在加工过程中应尽量减少原料的损耗。另外,在小规格板材的生产过程中,金刚石圆锯片的锯切成本约占2/3[1]。因此,采用尽可能薄的金刚石锯片以减小锯缝宽度,既可减少石材资源的浪费,又可提高石材荒料的成材率。但是,薄型金刚石锯片的刚性较差,在锯切过程中往往引起锯片挠曲而降低锯切质量。提高薄型金刚石锯片的转速,由于离心力增加就有可能提高它在锯切过程中的轴向刚性。德国汉诺威大学J·Bockhorst博士在这方面进行了实验研究工作[1]。有些技术问题值得探讨。

1 关于临界速度问题

Bockhorst指出,迄今为止,金刚石圆锯片锯切试验时的线速度只达到60m/s,远未达到其临界速度。

在旋转机械设计中,应用坎贝尔图(Campbell Diagtam)可以避免在机器运行速度范围内发生共振。Bockhorst根据坎贝尔图原理绘制出直径为1000mm,芯片厚度分别为3mm和5mm的金刚石圆锯片的坎贝尔图,如图1所示。图中虚线代表芯片厚度为5mm的锯片频率曲线;实线代表芯片厚度为3mm的锯片的频率曲线。

 图1 坎贝尔图

旋转着的锯片有无数个本征频率,在此频率锯片以一定方式振动。锯片的临界速度直接取决于锯片的本征频率。芯片越薄的锯片其第一本征频率也越低。从图1中可看出,芯片厚度为5mm的锯片的临界速度范围在105〜130m/s之间,而芯片厚度为3mm的锯片的临界速度则低得多,在64〜90m/s之间,这是因为芯片较薄的锯片的第一本征频率低得多。如图1所示,芯片厚度为3mm的锯片的第一本征频率为ƒe=20.4Hz;而芯片厚度为5mm的锯片的第一本征频率为ƒe=36.0Hz。锯片在临界速度范围内旋转会引起严重挠曲变形,因为其轴向刚性急剧下降。

任何物体都有它的本征频率。本征频率由物体的结构、形状、大小、材质等因素决定。图1中的临界速度范围所对应的锯片的物理特性是:锯片直径为1000mm,刀头数为70,芯片厚度分别为3mm(实线)和5mm(虚线),芯片材料为50CrV4钢。

应指出的是,理论上所确定的临界速度应通过实际锯切试验来核实。为此Bockhorst做了如下试验:取芯片厚度为3mm的锯片锯切大理石。因为在大理石这样的软石材中的锯切偏斜现象比在花岗石这样的硬石材中更容易看出来。试验时锯切深度较小,取ae=2.5mm,所以施加的锯切力也很小,虽然会引起锯片振动,但不会影响锯片的动态特性。锯片的技术规格为:直径1000mm,芯片厚3mm,芯片材质50CrV4钢,刀头宽4.2〜3.8mm,刀头数70,金刚石粒度40/50目。锯切时的进给速度为2m/min。在不同的锯切速度下,与锯切速度相关的锯缝偏斜状况如图2所示。

 
图2 大理石上与锯切速度相关的锯缝偏斜状况的顶视图

从图2 中可以看到,锯切速度达到临界速度70〜84m/s时,锯缝明显偏离直线。以锯切速度Vc=50m/s时的锯缝为参照,用3D坐标测量仪对其它锯切速度下锯缝的平行度作定量测量的偏差小于图3。

从图3可以看出,锯切速度越高,锯缝偏斜越大。偏斜量可达到6mm,最大达到10mm。原因是锯片的转速在临界速度范围内时其刚性降低。锯片对轴向力的作用很敏感,在临界速度范围内只要一个小的轴向力就足以使锯片明显偏斜。因此,锯出来的板材出现不符合要求的厚度偏差,特别是使用薄型锯片进行高速锯切时其转速不应超过临界速度。

  

图3  与锯切速度相关的锯缝的平行度

2 关于高锯切的可能性

Bockhorst认为,在以下边界条件范围内以常用金刚石锯片进行高速锯切是可行的,其条件应为:

芯片厚度为5mm的常用锯片的临界速度大于100m/s;

为了保住锯片刀头的自磨锐效果,采用特定切屑厚度(heu)是必要的,这需要优化加工参数。

锯切过程的作用力决定锯片锯切过程的特性。作用力的大小取决于特定切屑厚度。

Bockhorst以直径为dc=1000mm的常用锯片的常用锯切参数即锯切速度Vc=30m/s,锯切深度ae=10mm,以及进给速度Vƒt=4m/min,按照TÖnshoff/Warnecke[2]模型用以下公式计算出特定切屑厚度hcu=10.5µm。

 

式中: c —刀头的金刚石浓度;

            λ—分区;

             r —金刚石形状因数。

Bockhorst进行了如下高速锯切花岗石的试验:在保持特定切屑厚度hcu=10.5µm不变和保住锯片刀头自磨锐效果的条件下,将锯切速度从30m/s提高到60m/s,根据上述公式则需调整锯切深度ae和进给速度Vƒt两个参数。减小锯切深度有利于减小锯切力从而降低锯片的偏斜,但也应考虑到锯切率的大小。在上述试验中取锯切深度ae=4mm,则进给速度需提高至Vƒt=12.65m/min。若将锯切速度提高到90m/s,则进给速度要提高到Vƒt=19m/s。

试验证实,提高锯切速度是可行的。当锯切速度为30m/s时,锯切率(材料切除率)为400cm2/min,锯切速度提高到60m/s和90m/s时,锯切率可分别提高到560cm2/min和760400cm2/min。

值得注意的是,采用上述不同参数锯切时,法向上和切向上的锯切力相差很小。前者在940〜1010N范围内,后者在155〜180N范围内。这是由于保持切屑厚度不变,刀头上每一颗金刚石上的负荷几乎是相等的。但是,当锯切速度Vc=60或90m/s时,轴向力在90〜125N之间,而锯切速度较低即Vc=30m/s时,轴向力反而较大,为200N。其原因是当锯片以>50m/s的锯切速度工作时,芯片受到较大的张紧力。

3 关于锯片的磨损问题

Bockhorst的试验证实,当常用锯切速度Vc=30m/s时,测得锯片径向磨损为△r=88µm/m2,锯片寿命为AT=114m2(刀头高hs=10mm)。在最高锯片速度Vc=90m/s时,锯片径向磨损增加到△r=150µm/m2,导致锯片寿命降至62.5m2,降低45%。Bockhorst认为在高锯切速度条件下,刀头上的金刚石受到较大的动态冲击载荷,在胎体中的保持力不足以防止金刚石粒的脱落。因此,加大了锯片的径向磨损。此外,在高锯切速度条件下,金刚石受到的热冲击也大得多。若冷却水量不足则金刚石往往遭到热损坏。

4 关于锯切质量问题

采用高锯切速度可提高板材的锯切质量。上述试验证明,锯切速度Vc=30m/s时,锯出的板材厚度差为△Wp=0.73mm,而锯切速度提高到Vc=90m/s时,板材厚度差可降至△Wp=0.46mm,同时锯切率也提高一倍,也就是说提高锯切速度不但减少了锯切时间,提高了生产效率,而且也提高了板材质量。

5 关于能量消耗问题

除了锯片磨损和锯切质量,能量消耗也与生产成本有密切关系。据Bockhorst的试验,用直径1000mm,芯片厚5mm,刀头宽7mm的常用金刚石锯片锯切花岗石荒料时,平均锯切功率为5300W。采用较薄芯片厚度为4mm,刀头宽5.5mm,提高锯切速度同时提高进给速度,则锯切功率可降低30%以上。显然,使用尺寸小的刀头由于材料切除量较小,所以功率消耗也较少。当锯切深度减小,由于刀头与石材的接触长度减少也会减少功率消耗。

对于芯片厚度为3.3mm此类薄型金刚石锯片而言,要提高其刚性就必须将锯切速度提高到50m/s,但所需功率也加大了。不过,比起常用锯片以常规锯切速度锯切时的功率消耗还是降低了15%。

Bockhorst还做了这样的对比试验,使用直径1000mm,芯片厚度3.3mm,刀头宽带4.2mm的薄型金刚石锯片以锯切深度4mm锯切花岗石,将进给速度由10m/min提高到15m/min,相应的锯切率由400m2/min增加到600m2/min,功率消耗只是从4600W增加到4750W。也就是说锯切率提高50%,而功率消耗只增加3.2%。Bockhorst认为,锯切过程中所需的功率大部分消耗在锯切机主轴的旋转运动,只是小部分消耗在锯切作用本身。所以说采用薄型金刚石锯片以较高锯切速度进行锯切可降低功率消耗,同时也提高了锯切率。

6 结论

提高金刚石锯片的速度是可行的。常规锯片以较高的锯切速度90m/s锯切可使锯切率几乎提高一倍,而且由于高转速有助于芯片轴向刚性的提高从而提高了锯切质量,因而在板材与饰面砖的生产过程中可更有效和更经济进行最后的研磨加工。

使用薄型锯片时须考虑锯片的临界转速。锯片越薄,其临界转速越低。临界转速直接取决于芯片的第一本征频率。较薄的锯片的第一本征频率比普通厚度锯片的第一本征频率低。最大的适用锯切速度受第一临界转速的限制。

采用高锯切速度时,为了保持锯片刀头的自磨锐效果,需要适当的切屑厚度配合,通过提高进给速度而无需加大锯切力来增加材料切除率是可能的。在Bockhorst的试验中,材料切除率增加90%,但锯片寿命降低45%[1],这是由于试验中使用的是普通金刚石锯片和一般冷却系统,在高锯切速度下锯片的磨损较快。不过随着耐磨粘接材料的发展与高品质抗冲击金刚石相结合制成高性能刀头,降低锯片的磨损是可能的。

参考文献

[1]J.Bockhorst,Machining of granite at high cutting speeds,DIAMONDTOOLING  JOURNAL,3·11,PP13-16

2H.K.TÖshoff,WarneckeG., 1977.Der Beitrag der Forschung ZumSagen van Gestein,Industrie Diamanten RundschauS.511., Ausgabel.


(此文发表于《石材》2012年7期)


广告赞助商



《石材》杂志微信公众平台

已获得原创保护   欢迎业内关注


由中国石材协会主办的行业权威专业期刊《石材》,创刊于1983年,是中国石材行业在国内外公开发行的国家级正规石材科技期刊,也是石材行业唯一一本被国家图书馆、国家版本图书馆馆藏收录的杂志。每月一期,全年十二期,英文名《STONE》,国内刊号CN11-3373/TU,国际刊号ISSN1005-3352,内地订价8元/月,全年96元,港澳台地区全年订价为港币300元,国外订价为全年60美元,与其他报刊一样在全国各地邮局统一公开订阅发行,邮局发行代号为82-704。

我刊已正式注册开通了微信公众平台,微信名为“石材杂志”微信号为“shicaizazhi”大家扫一扫《石材》封面右上角二维码或在个人微信添加朋友中搜“石材杂志”,或直接添加微信号“shicaizazhi”,关注即可进入“石材杂志”微信公众平台,查看精彩内容。


本刊邮箱:shicai1983@126.com 

本刊Q Q:645688956;2012440684;810404669

百度搜索:石材杂志-中国知网


欢迎订阅,订购方式如下:

1.微信在线订阅:

点击文末“阅读原文”进入订阅页面或在微信公众号文字输入状态下输入“订阅”点击回复链接即可完成在线订阅。

2.银行转账订阅:

开户银行:工商银行北京百万庄支行      

户       名:《石材》杂志有限公司

账       号:0200001409024576248

3.邮局汇款订阅:

地       址:北京市海淀区三里河路11号国家建设部南配楼(邮编100831)

收款单位:《石材》杂志有限公司

4.邮局订阅:

每年11月开始在全国各地邮局统一公开订阅,邮局发行代号为82-704。

电   话:010-57811227,57811228        

传   真:010-57811226

主   编:谭金华(13601396598) 

副主编:侯建华(13601247976)

联系人:韩爱丰、钱金鑫、夏青、秦燕群


《石材》刊登广告报价如下:


点击下方“阅读原文”完成杂志在线订阅