（机械制造及其自动化专业论文）花岗石高效锯切加工技术实验研究.pdf

；。、 ；一 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o r t h ea p p l i c a t i o no f m a s t e r sd e g r e eo fe n g i n e e r i n g e x p e r i m e n t a ls t u d yo ne f f i c i e n ts a w i n gp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yo fg r a n i t e c a n d i d a t e ：z h e n gc h u n y i n g s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gj i n s h e n g a s s o c i a t ep r o f w a n gz h i s h a n d o n gu n i v e r s i t y a p r i l2 5 t h ，2 0 1 0 _ - 一 j ，k ， x 、_ilpjl ，一 i， 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：黝錾 日期： 趔! ：璺2 蔓 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规 论文作者签名：差隧篓导师签名 - 日录 目录 摘要v a 1 3 s t r a c t v i i 第1 章绪论1 1 1 课题提出的背景和意义1 1 2 花岗石基本性能2 1 2 1 花岗石的组分2 1 2 2 花岗石的物理性质：2 1 3 锯切花岗石设备种类5 1 4 金刚石圆锯片的种类及发展趋势8 1 5 金刚石圆锯片锯切花岗石n t 技术研究现状9 1 5 1 锯切加工过程中切削力研究现状9 1 5 2 锯切加工过程中刀具磨破损研究现状1 0 1 6 本课题主要研究内容1 2 第2 章花岗石高效锯切技术研究基础1 3 2 1 金属领域高效加工技术概况1 3 2 2 硬脆材料高效加工技术概况一1 5 2 3 花岗石高效加工技术1 6 2 3 1 花岗石高效加工技术现状1 7 2 3 2 花岗石高效加工的定义l8 2 3 3 影响花岗石高效加工的关键技术1 9 2 3 4 花岗石高效加工存在问题分析2 3 2 4 本章小结2 3 第3 章花岗石可加工性及单因素实验研究2 5 3 1 花岗石微观结构分析2 5 3 2 花岗石可加工性研究2 6 3 2 1 花岗石可加工性研究现状2 6 h c o n t e n t s c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t v a b s t r a c t v i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h ei t e m 1 1 2b a s i cp r o p e r t i e so fg r a n i t e 2 1 2 1c o m p o n e n t so fg r a n i t e 2 1 2 2p h y s i c a lp r o p e r t i e so fg r a n i t e 2 1 3t y p e so f c u t t i n gg r a n i t ee q u i p m e n t 5 1 4t y p e so fd i a m o n ds a wb l a d ea n dw e n d s 8 1 5p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c ho fd i a m o n ds a wb l a d es a w i n gg r a n i t e 9 1 5 1t h er e s e a r c ho f c u t t i n gf o r c ei ns a w i n gp r o c e s s 9 1 5 2t h er e s e a r c ho ft o o ld a m a g ei ns a w i n gp r o c e s s 趾10 1 6t h em a i nr e s e a r c ht o p i c s 12 c h a p t e r2t h ef o u n d a t i o no fh i g he f f i c i e n c yg r a n i t es a w i n gt e c h n o l o g y 1 3 2 1e f f i c i e n tp r o c e s s i n gt e c h n i q u e si nt h ef i e l do fm e t a l 13 2 2e f f i c i e n tp r o c e s s i n gt e c h n i q u e si nh a r da n db r i t t l em a t e r i a l 15 2 3e f f i c i e n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fg r a n i t e 1 6 2 3 1t h es i t u a t i o no fg r a n i t ee f f i c i e ntm a c h i n i n gt e c h n o l o g y 17 2 3 2t h ed e f i n i t i o no fg r a n i t ee f f i c i e n tp r o c e s s i n g 18 2 3 3t h ek e yt e c h n o l o g yo f a f f e c t i n gg r a n i t ee f f i c i e n tp r o c e s s i n g 1 9 2 3 4p r o b l e m so fg r a n i t ee f f i c i e n tp r o c e s s i n g 2 3 2 4s u m m a r yo ft h ec h a p t e r 2 3 c h a p t e r3e x p e r i m e n ts t u d yo ng r a n i t eo fm a c h i n a b i l i t ya n ds i n g l ef a c t o r “2 5 3 1m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i so fg r a n i t e 2 5 3 2m a c h i n a b i l i t yo fg r a n i t e 2 6 3 2 1t h es i t u a t i o no fg r a n i t em a c h i n a b i l i t yr e s e a r c h 2 6 3 2 2 m a c h i n a b i l i t yr e s e a r c ho fg r a n i t e 2 7 3 3s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n tr e s e a r c ho fg r a n i t ec u t t i n gs p e e d 3 0 3 3 1t h ee x p e r i m e n ts c h e m e 31 3 3 2t h ea n a l y s i so f e x p e r i m e n tr e s u l t 31 i v 摘要 摘要 在花岗石制品加工中，锯切成本占了很大一部分，所以本文首先对花岗石锯 切加工现状进行了分析，分析了存在的问题，提出了高效加工技术的定义。并在 先进数控加工中心上，以金刚石圆锯片锯切五莲花花岗石进行了花岗石高效锯切 加工技术实验研究。 以花岗石矿物组分为分析对象，以加工过程中切削力为判据并建立二者函数 关系，对花岗石可加工性进行了系统分析，提出了可行性花岗石可加工性总体研 究方案。 对金刚石圆锯片锯切花岗石进行了切削速度单因素实验研究，固定进给速度 和背吃刀量，对切削速度从低到高进行多点取值，以对切削速度影响花岗石加工 过程有个系统的研究。得出了在切削速度从3 5 n 1 s 到5 0 n g s 区间变化时，随着切削 速度的增大切削力呈减小趋势，并且切削速度越大切削力减小越快。而在切削速 度从l o n g s 到3 5 n 1 s 低速区间变化时，各切削力变化规律有所不同。 在花岗石高效锯切加工技术研究中，分别选取了切削速度、进给速度、背吃 刀量三个因素，每个因素选取三个水平，通过正交实验进行研究。利用极差分析 对花岗石加工过程中各因素影响各切削力的显著性进行了分析，得出了各因素影 响切削力的主次关系。另外利用m a t l a b 进行回归分析建立了各个切削力的数学模 型，通过此模型可以根据给定工艺参数简单进行切削力预测，最后综合考虑切削 力和材料去除效率对工艺参数进行了优化，得到了最优工艺参数组合。这将十分 有利于实际生产中工艺参数的选取。 通过本课题的研究，不仅能使花岗石锯切机理和高效加工技术理论上得到提 升，而且对于实际生产中通过工艺参数优化组合进而达到高效加工有重要指导意 义。 本文得到山东省自然科学基金资助( 项目编号：z 2 0 0 7 f 0 7 ) 。 关键词花岗石；金刚石圆锯片；锯切：高效加工 v 一 _ _ 皇鼍皇_ _ _ 鼻置_ _ _ _ 罾鎏塑坠筌= 皇皇皇置鲁舅皇皇皇鼍曼曼皇曼一 - 置_ 童置墨_ _ _ _ 置_ _ _ _ 量置量皇量量鼍量皇蔓皇皇量量皇量鲁皇量皇曼- _ _ _ _ l _ i _ - a b s t r a c t s a w i n gc o s t sa c c o u n tf o ral a r g ep a r to ft o t a lc o s ti ng r a n i t ep r o d u c t sp r o c e s s i n g s oi nt h ep a p e r ，c u r r e n ts i t u a t i o no f g r a n i t es a w i n ga n dp r o b l e m sw e r ea n a l y z e d ，a n d p u tf o r w a r dt h ed e f i n i t i o no fe f f i c i e n t p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y e f f i c i e n ts a w i n g p r o c e s s m gt e c h n o l o g yw e r es t u d i e db yd i a m o n ds a wb l a d e ss a w i n gw r u l i a nf i o w e r g r a n i t ei na d v a n c e dc n c m a c h i n i n gc e n t e r g r a n i t em i n e r a lg r o u p sa so b j e c t sa n dt h ep r o c e s s c u t t i n gf o r e e 鼬c r i t e r i o no ft h e a n a l y s i s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w of u n c t i o n sw a se s t a b l i s h e d t h e 鲫i t e m a c h i n ea b i l i t yw a sa n a l y z e da n dp u tf o r w a r daf e a s i b i l i t y s t u d yo fg 啪i t ep r o c e s s a b i l i t y s i n g l e - f a c t o re x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ec u t t i n gs p e e do nd i a m o n dc i r c u l a rs a w b l a d e ss a w i n gg r a n i t ew a ss t u d i e d ，f i x e df e e dr a t ea n d c u t t i n gd e p t h ，t h ec u t t i n gs p e e d f r o ml o wt oh i g hm u l t i 。p o i n tv a l u e d t h ei m p a c to f t h ec u t t i n gs p e e do ng m i t e p r o c e s s h a sa s y s t e m a t i cs t u d y t h e nc o m et ot h er e s u l tt h a ti nt h ec u t t i n gs p e e df r o m3 5 m st o 5 0 m sr a n g ec h a n g e ，c u t t i n gf o r c ed e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f c u t t i n gs p e e d n e c u t t i n gf o r c ed e c r e a s e sf a s t e rw i t ht h eg r e a t e rc u t t i n gs p e e d i nt h ec u t t i n gs p e e d 舶m lo m st o3 5 m sl o w - s p e e d r a n g e ，t h ec u t t i n gf o r c ec h a n g ei sd i f f e r e n t c u t t i n gs p e e d ， f e e dr a t ea n dc u t t i n gd e p t h ，t h r e ef a c t o r sa n dt h r e el e v d s 硒r e a c h f a c t o r sw e r es e l e c t e di nt h es t u d yo fg r a n i t ee f f i c i e n t p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y o n h o g o n a l e x p e n m e n t sw e r ec a r r i e do u ti nt h es t u d y t h es i g n i f i c a n c eo f g r a n i t ep r o c e s s i n gf a c t o r s i n t l u e n c i n gc u t t i n gf o r c ew a sa n a l y z e db yu s i n gr a n g ea n a l y s i s t h e nt h ei n f l u e n c e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a r i o u sf a c t o r sa n dc u t t i n gf o r c ew a sg o t t e n t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fe a c hc u t t i n gf o r c ew a se s t a b l i s h e d b yu s i n gr e g r e s s i o na n a l y s i so fm a t l a b a c c o r d i n gt ot h eg i v e np a r a m e t e r sw i t ht h i sm o d e lc a np r e d i c tt h ec u t t i n gf o r c es i m p l v a tl 嬲t ， c o n s i d e r i n gc u t t i n gf o r c ea n dm a t e r i a lr e m o v a lp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r e o p t i m i z e dt oo b t a i nt h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r s t h i sw i l lb ev e r yb e n e f i c i a lt ot h e a c t u 引p r o d u c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r s i ti sv e r yb e n e f i c i a lt ot h ep r o c e s sp a r a m e t e r s s e l e c t i o no f a c t u a jp r o d u c t i o n t h r o u g ht h er e s e a r c h ， c u t t i n gm e c h a n i s ma n de f f i c i e n t g r a n i t ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g yc a nb et h e o r e t i c a l l ye n h a n c e d a tt h es a m et i m e ，i th a si m p o r t a n tg u i d i n g v i i v i l l 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景和意义 第1 章绪论 天然石材尤其天然花岗石不仅因其硬度高、耐磨损、耐腐蚀、热胀冷缩率小 等优良的物理特性应用于精密机械、测量与仪器仪表等行业。还以其天然华贵的 色泽、典雅大方的装饰效果、古朴自然的风格等特点以及坚固耐磨的性能在建筑 用料、生活用具、装饰装修、工艺制品等领域广泛应用f l l 。所以近些年来，随着 社会的发展和人民生活水平的提高，石材制品尤其花岗石制品得到越来越普遍的 使用，越来越走进人们的生活。目前，社会对花岗石制品的需求量越来越大，质 量档次要求越来越高。石材加工企业为满足日益扩大的市场需求也在不断扩大产 品的生产规模，提高产品质量，从而也带动了花岗石制品加工技术的发展。 为了满足我国越来越大的花岗石制品市场需求量，自上世纪后期我国先后从 一些生产加工石材的发达国家引进了许多先进的加工设备。另外，我国也自行研 发并仿造了许多先进的加工设备。目前，大功率、综合化、智能化的先进设备如 数控加工中心等已经在花岗石制品的生产加工当中有了广泛的应用。我国虽然在 设备方面和国外已经相差不大，但是在金刚石刀具生产技术及花岗石制品生产加 工工艺方面，我国还存在很大差距，从而使得我国产品的加工成本很难降下来， 严重削弱了我国石材行业的市场竞争力，从而制约了我国石材业的发展。即使一 些大的石材厂家在引进国外先进的加工设备以后，也由于加工工艺不够合理，不 能充分发挥设备的先进性能。从而使我国仍然摆脱不了虽然是石材制造大国但不 是石材制造强国的现状。 我国在石材产量和消费方面已位居世界前位，2 0 0 8 年我国仅花岗石板材累计 产量就为2 3 3 6 0 万平方米，而在所有石材制品尤其是花岗石板材的加工中，使用 金刚石圆锯片进行锯切加工占了大约5 0 以上。本课题就是在这种庞大的锯切加 工花岗石制品市场需求下提出来得。花岗石作为一种典型的硬脆性材料，与金属、 陶瓷和玻璃等相比，其加工过程研究起步较晚，由于花岗石是天然形成的，成分 相当复杂，且多变，使得其切削加工过程与前者相比起来差别很大且更为复杂， 因此不能把金属和硬脆材料领域的已经比较成熟的研究理论直接用到花岗石这类 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ - _ 。 i l j 尔大学硕+ 学伊论文 特殊的材料上。因此深入研究花岗石的可加工性、加工去除机理、以及高效加工 工艺特别是工艺参数的优化，一方面可以直接用来指导生产，打破国外石材生产 商对我国的技术封锁，从更高层次上面提升我国不可再生石材资源的有效利用， 因此本课题具有重大的经济效益和社会效益；另一方面也是对传统切削加工理论 的延伸和扩展，因此也具有重要的理论意义。 1 2 花岗石基本性能 1 2 1 花岗石的组分 石材是指从沉积岩、岩浆岩、变质岩三大岩系的天然岩体中开采出来，经过 加工、整形而成板状、块状和柱状材料的总称。凡是具有一定块度、强度、稳定 性、可加工性以及装饰性能的天然岩石，均称为石材。石材按照其基本特点或成 分可以分为花岗石( g r a n i t e ，g ) 、大理石( m a r b l e ，m ) 和板石( s l a t e ，s ) 三大 类。 不同种类的石材，矿物组成各异【1 1 。而作为石材中重中之重的花岗石，在商业 上指以花岗岩为代表的一类装饰石材，包括各类岩浆岩和花岗岩的变质岩，一般 质地较硬。主要有镁、铁、钙、钠、钾的硅酸盐和铝硅酸盐及少量钛、锰、铁氧 化物组成，这类岩石主要成分是硅酸根与金属阳离子成不同比例结合的硅酸盐矿 物，又称为硅酸盐类岩石。 组成花岗石的一些常见矿物的分子式、莫氏硬度及晶形见表卜1 。 1 2 2 花岗石的物理性质 花岗石的组分决定了花岗石的物理性质，其物理性质主要包括颜色、光泽、 硬度、耐磨性、机械强度( 抗压、抗拉、抗剪强度) 、密度、吸水率、孔隙度、耐 酸度、耐碱度等2 1 。花岗石和大理石、板石相比，其较突出的优良性能主要有以下 几方面。 ( 1 ) 颜色及光泽 花岗石的颜色是指花岗石中各种矿物对不同波长的可见光选择性吸收和反 射，在人眼中引起的感觉而呈现出的各种色彩。对于饰面板材来说，其颜色花纹 2 第1 审绪论 决定了它在市场上的受欢迎度。而光泽则是花岗石磨光面对可见光的反射能力。 花岗石的瑰丽颜色以及光亮照人的i 人j 烁光泽是与其所含矿物成分及结构密切相关 的。 表1 1 组成花岗石的各矿物的分子式、莫氏硬度及晶形 矿物名称分子式 莫氏硬度晶形 正长石 k a i s i 3 0 8 】 6 单斜 斜长石 c a a 1 2 s i 2 0 s 】，n a a i s i 3 0 s 】 6 三斜 辉石 c a ( m g ，f e ，a 1 ) 2 ( s i ，a 1 ) 2 0 6 5 6 单斜 c a 2 n “m g ，f e 2 十) 4 ( a i ，f e 3 + ) 角闪石 5 5 - 6 单斜 【( s i ，a 1 ) 4 0 1 1 2 o h 】 橄榄石 ( m g ，f e ) 2 ，s i 0 4 6 5 7 斜方 白云母k a l 2 a i s i 3 p i o o h 2 2 5 3 单斜 黑云母 k ( m g ，f e ) 3 a i s i 3 0 i o f ，o h 2 2 5 3 单斜 蛇纹石m 9 6 s i 4 0 i o o h s 3 4 单斜 高岭十 a 1 4 s i 4 0 i o o h s l 单斜 石英 s i 0 2 7 1 ；娟 方解石 c a c o ，3 六方 白云石 c a m g c o 3 3 5 4 ；藏 花岗石的基本组成矿物是石英、长石、角闪石、辉石、橄榄石和黑云母，石 英长石称浅色矿物，而后面四种为深色矿物。花岗石的基色主要取决于石英和长 石的含量。长石的品种对花岗石的颜色影响极大，一般斜长石使石材呈白色，正 长石使石材呈红色。石英多数为无色或乳白色，石英的透明度愈大吸光性越强， 叠i 反射光少，石材的光泽度就低。有时石英也带白、黄、紫等色，对岩石的整体颜 1 色也有影响。一般而言，花岗石颜色深、矿物单一、结晶程度高、颗粒小，其光 泽度也高。 ( 2 ) 硬度 花岗石的硬度是指花岗石抵抗某种外来机械作用力的能力。它与花岗石的化 学成分、矿物成分、颗粒大小有关。花岗石的硬度和岩石的硬度一样也通常分为 相对硬度和绝对硬度两种。 相对硬度是选用十五种( 旧莫氏硬度选用十种) 矿物作为标准，按硬度大小 顺序分为十五级，后一种矿物能够刻划前一种矿物，这种硬度划分方法称为莫氏 硬度，如表1 2 所示。莫氏硬度表示了材料抵抗表面局部断裂的能力。 绝对硬度是利用硬度计来进行测定的，石材工业通常用肖氏硬度计进行岩石 【i j 东人学硕f ：学位论文 氏硬度原来是用来确定金属等均匀材料的硬度值的。测定某 跳法，即将撞销从一定高度落到所试材料的表面，使它发生 回跳，通过测试回跳的高度来确定材料的硬度，这种硬度值被称为肖氏硬度。大 理石的肖氏硬度一般在3 5 - 5 5 ，而花岗石的肖氏硬度一般在6 0 9 0 之间。 目前，在研究石材硬度指标中也广泛使用显微硬度。显微硬度是考虑各种矿 物在石材中的分布和所占的权重综合描述石材的硬度，可以用加权显微硬度值t t c p 来表示，h c p = a 石英石英+ 彳长石胀石+ 彳其它麒它。表1 2 也列出 了一些矿物在常规情况下的显微硬度。 表1 2 矿物的莫氏硬度及显微硬度表 矿物名旧莫氏硬度新莫氏硬度 显微硬度( k g m m 2 ) 滑石 112 4 石膏 223 6 方解石 331 0 9 萤石 4418 9 磷灰石 555 3 6 正长石 66 7 9 5 杠英玻璃 6 57 石英 788 2 0 黄玉 891 4 2 7 石榴石 8 31 01 3 6 0 熔融氧化锆 8 71 1 刚玉 91 2 2 0 0 0 2 3 0 0 碳化硅 9 31 331 0 0 3 4 0 0 碳化硼 9 51 4 3 7 0 0 5 0 0 0 金刚石 1 01 01 0 6 0 0 ( 3 ) 耐磨性 花岗石的耐磨性是指花岗石抵抗磨损的能力，和大理石板石相比这是花岗石 的一个重要、优良的物理性能，由于其优良的耐磨性能使得其在精密仪器中广泛 应用，同时耐磨性也是一种反映花岗石可加工性的指标。花岗石的耐磨性能随花 岗石硬度的增高而增加。花岗石的耐磨性以耐磨率表示，耐磨率是衡量饰面板材 质量优劣的重要指标。耐磨率过低则矿石松散不易打光，过高则矿石过硬不易研 磨，增加加工成本。 ( 4 ) 强度 花岗石的强度是指花岗石抵抗外力作用的能力。它包括花岗石的抗压、抗剪 4 第1 币绪论 和抗拉强度。花岗石强度主要取决于花岗石的成因、矿物成分、结构构造、风化 程度、含水率、微裂隙的发育程度及裂隙充填物的性质等因素，同时也与测试时 的条件有关。 在结构构造等条件相同的情况下，花岗石的强度随大硬度矿物的含量增加而 提高。强度还随矿物颗粒大小变化而变化一般细粒强度较粗粒高。矿物单一的岩 石抗压强度较高。矿物颗粒的形状对花岗石强度也有很大影响，多形状矿物无规 则排列，较单形状矿物组成的岩石强度高。花岗石机械强度还随花岗石的密度增 加而增大，随孔隙度和含水率增大而降低。 ( 5 ) 耐酸碱性 花岗石的耐酸碱性能用耐酸碱度来衡量。花岗石具有很好的耐酸碱性能，既 耐腐蚀又耐磨蚀，因此广泛用于各种酸碱反应设备或作容器的防腐内衬，愈来愈 多的建筑物的外装饰及地面、楼梯板等。大理石不耐酸碱腐蚀，也不耐磨，只能 用作室内装饰材料。 花岗石的组分和物理性质也就决定了它的可加工性，尤其花岗石的耐磨性、 硬度、强度和颗粒大小对花岗石的可加工性具有决定性影响。花岗石的可加工性 将在第三章详细分析。 1 3 锯切花岗石设备种类 目前用于锯切花岗石的主要设备有砂锯、串珠绳锯和金刚石圆盘锯等，这些 设备相比较来说都有各自的优缺点。 ( 1 ) 砂锯 图1 砂锯 尔人学硕十学伊论文 砂锯是锯切大理石和花岗石的传统设备，在生产中积累了较多的经验和技 术。砂锯具有的优点是切割的石材荒料块度大、板材宽不受限制并保证板材所具 有的天然花纹色泽，可以同时拼2 - 3 块荒料一起切割，因此切割成本较低。 但是在加工中砂锯也有缺点，在加工过程中砂锯要求安装锯条质量较高、锯 切速度较慢及荒料固定要牢固，而且切割后板材的板面比较粗糙，板材厚度不均 匀，造成下工序精磨工作量较大。 ( 2 ) 金刚石串珠绳锯 图2 金刚石串珠绳锯 金刚石串珠绳锯是利用金刚石串珠绳锯切石材，初始用于石材开采、石块整 形，现在石材异形加工和花岗石大板的锯切也应用较多。并且可同时安装多条锯 绳，大大提高生产率。金刚石串珠绳锯的优点是加工效率高、板材表面质量好， 并且石料损失小、废弃物少利于环保。另外金刚石串珠绳锯是一种新型的锯切设 备，在金刚石串珠绳锯设备开发和串珠绳的生产技术及加工花岗石过程中的问题 还有待于解决，所以金刚石串珠绳锯的广泛应用还需时日。 ( 3 ) 金刚石圆盘锯设备 金刚石圆盘锯设备加工石材相对于砂锯和串珠绳锯具有加工效率高，加工质 量好等优点，使用金刚石圆盘锯加工后的板面比较光滑，厚度误差小，直接减少 下工序的工作量【3 1 。小直径金刚石圆锯片是天然岩石切片和切边的主要加工方式， 大直径的金刚石圆锯片主要用于荒料切割。另外金刚石圆锯片也广泛应用于陶瓷 及混凝土制品的切割，是石材、建材行业重要且广泛使用的加工工具。 金刚石圆盘锯的工作原理为装在主轴上的金刚石圆锯片作旋转运动和在横梁 上作往复直线运动时，锯片切入荒料产生挤压和切割作用形成锯路，通过升降进 6 、 第1 章绪论 给导向装置，实现锯片的上下运行和准确吃刀。 根据金刚石圆盘锯在石材加工中各工序的不同及相应结构的差别，圆盘锯设 备有多种型号及规格。按其用途可分为二大类：即用于将荒料切成毛板的、锯片 直径较大的圆盘锯设备；和用于将板材切成一定规格尺寸的、锯片直径较小的圆 盘锯设备。 锯切荒料的圆盘锯按加工对象不同，可分为大理石专用、花岗石专用和大理 石、花岗石两用等三种；按结构形式不同，可分为四柱框架式、双柱龙门式、桥 式和单柱悬臂式四种；按锯切功能的不同，可分为单向锯切的普通圆盘锯和同时 安装垂直和水平锯片进行锯切的双向切机；根据圆锯片直径大小直径不同可分为 中型、大型和巨型圆盘锯；根据安装锯片数量不同，可分为单片圆盘锯和多片圆 盘锯( 2 15 片，甚至5 0 多片) 【4 1 。 锯切板材的圆盘锯设备( 切板机) 根据操作方式不同可分为手摇切机和自动 切机；按结构不同可分为悬臂式、桥式和传送带式切机；在自动化的加工中心也鑫 能进行板材切割。切边工序中较常用的金刚石圆盘锯设备如图3 所示： 图3a ) 龙门式 图3b ) 自动桥式 图3c ) 单柱悬臂式 并在1 4 年后首次用于切割石材。当时使用的磨料全部是天然会刚石。开始是用手 工将天然金刚石镶嵌到铸钢插块，然后再连接到锯片基体进行切割工件，但是效 果并不理想。因此在上世纪3 0 年代后期，将金属粉末与金刚石混合进行烧结的粉 末冶金法得到发展，自此金刚石圆锯片的设计制造技术有了较大进步。世界上第 一颗人造金刚石是瑞典于1 9 5 3 年研制成功，而我国则在1 9 6 3 年1 2 月自主研制成 功第一颗人造金刚石。人造金刚石的研制成功加速了金刚石圆锯片刀具的发展， 为金刚石圆锯片的批量生产奠定了基础。近年来，用于石材加工业的人造金刚石 的数量直线上升，其耗用量约占全国人造金刚石总产量的9 0 左右。 金刚石圆锯片的分类有很多种，按结构分类主要为宽水槽金刚石锯片、结块组 合式金刚石锯片、窄水槽金刚石锯片等；按工艺分类主要为电镀式金刚石圆锯片、 粉末烧结式金刚石锯片、高频焊接金刚石锯片和激光焊接金刚石锯片等；按加工 对象分类主要为大理石切割金刚石圆锯片、花岗石切割金刚石圆锯片、混凝土及 陶瓷材料切割金刚石圆锯片等；按直径大小分类主要为小直径( 如1 0 5 m m ) 和大 直径金刚石圆锯片( 如5 0 0 0 m m ) ；按基体厚度分类主要为普通、薄型和超薄型金 刚石圆锯片。当然这些分类也不可能把所有的金刚石圆锯片都包括，还有一些特 殊用途的金刚石圆锯片。 图4 窄水槽结块式金刚石圆锯片 目前在石材制品需求的不断扩大和不可再生石材资源的逐渐减少以及国家倡 导建立资源节约型社会的大背景下和各石材加工企业为了提高市场竞争力需要通 8 第1 苹绪论 过各种方式降低生产成本的小背景下，一些节能型、资源型、环保型圆锯片越来 越受到市场欢迎。尤其是薄型、超薄型圆锯片得到了越来越广泛的应用。薄型、 超薄型圆锯片主要以锯片的基体厚度来区分，对于直径1 6 0 0 m m 的圆锯片，正常 厚度为7 3 m m ，厚度在6 5 m m 以下的就是薄型圆锯片，厚度在5 5 m m 以下的就称 为超薄型锯片【5 1 。利用薄型超薄型圆锯片加工石材，切缝宽度小，可以大幅度提高 切割效率和荒料成材率。 1 5 金刚石圆锯片锯切花岗石加工技术研究现状 国外从上世纪5 0 年代陆续使用金刚石圆锯片锯切石材，当时由于其相对极高 的加工效率，逐渐成为世界石材加工业的首选方式。我国从上世纪7 0 年代初期逐 渐引进消化吸收并不断改进该技术，取得了飞速的发展。 1 5 1 锯切加工过程中切削力研究现状 花岗石的锯切，其本质上是金刚石磨料在金属结合剂的把持下对岩石材料的 磨削过程。在使用金刚石刀具加工花岗石的磨削力方面，国内外学者已经做了大 量研究工作4 1 。意大利的w p o l i n i 等学者通过实验建立了切削力和比能与加工参 数的关系，得出切削力很强的依赖切削深度和进给速度，并分析了切屑形成和材 料的去除过程。s w w e b b 等学者也研究了一个新修整的金刚石锯片从开始锯切到 磨损平稳整个过程中锯切力的变化特征，并建立了耐磨度与锯切力比之间的单调 对应关系。华侨大学的李远研究了较大锯切参数范围内锯切力随锯切深度、进给 速度、锯切转速、材料去除率等锯切参量的变化特征以及锯片磨损过程中锯切力 的变化。研究表明磨损过程中，随着锯切的进行，锯切力逐步增大，最后逐渐趋 向平稳，达到较为稳定的状态。华侨大学徐西鹏等通过实验研究认为，在锯切过 程中起主要切削作用的是固位在金属结合剂中的金刚石颗粒，因此，金刚石能否 有效而充分地发挥其切削作用是决定加工成本和能否实现高效锯切的关键。锯切 中存在最佳载荷条件，在该条件下，既足以使花岗石顺利解理，而作用到磨粒上 的负荷又最佳。各种锯切条件的选择应以围绕产生这一最佳载荷条件为前提。有 些还研究了石材种类对锯切石材过程中的力的影响。利用超薄锯片加工五种不同 石材试样，分析了单位宽度锯切力、力比、比能随石材种类的变化。讨论了锯缝 9 的直接反应，并且关系到加工产品质量及加工成本，因此，有些学者对金刚石刀 具的微观磨削过程进行了研究【1 5 16 1 。从微观角度上讲，金刚石刀具加工花岗石的 过程就是大量具有微刃的金刚石磨粒不断地切削花岗石的过程。通过研究分析，研 究认为锯切过程中，金刚石的切削状态主要有以下几类，这种划分是比较传统的 划分形式。 颗粒初露：随着金刚石刀具表面结合剂的不断磨损脱落，新的金刚石颗粒开 始露出。一般情况下，金刚石颗粒初露的状态是锋利的尖刃。 完全露出：随着会刚石刀具表面结合剂的进一步的磨损，金刚石颗粒就完全 露出来，不过，金刚石颗粒的尖部已经被磨平了，此时是最佳切削状态。 磨平：这是会刚石颗粒正常磨损的形式之一，也是最理想的磨损形式，因为 金刚石颗粒能被逐渐磨平发挥了金刚石颗粒最长的使用寿命。 局部崩落：是会刚石颗粒不正常磨破损的形式之一。切削过程中的碰撞或者 切削深度突然增加等因素都会使切削力增大，如果超出金刚石颗粒所能承受极限 就会出现崩落。 微观破碎：这是金刚石颗粒长期受到较大的切削力或受到反复的冲击载荷而 在金刚石颗粒内部产生的微细裂纹。 宏观破碎：这是在微观破碎的基础上逐渐发展形成的，或在切削过程中金刚 石颗粒突然受到较大力的冲击而直接形成的破碎。 颗粒脱落：颗粒脱落有j 下常脱落和不正常脱落，正常脱落是保证金刚石刀具 自砺作用的条件，即保证金刚石刀具始终具有切削能力的条件。不正常脱落主要 是工艺参数选取不合理，尤其是切削深度过大使刀具表面金刚石结合剂过度脱落， 进而对金刚石颗粒的把持力减小造成的，。在实际生产中应该避免金刚石颗粒的不 正常脱落，这对会刚石刀具的使用寿命影响很大，同时也造成了材料的浪费，增 加了生产成本。 后来有研究者又以大切深锯切为研究对象，采用新的磨粒磨损状态划分方法 l o 第1 章绪论 将传统的七种金刚石磨损状态细分为十二种1 7 】。通过分析磨粒的不同磨损状态随 锯切而积的变化规律，并结合锯切力的变化过程，讨论分析了不同磨损状态变化 与锯切过程的内在联系。结果表明，单颗金刚石的磨损变化具有跳动性。十二种 磨损状态的变化能够较好的反映锯切力的变化，在达到某一锯切而积时大多数磨 损状态和锯切力的变化都有一个明显的转折。研究结果对加工参数优化和金刚石 刀具设计具有参考价值。 此外，金刚石是典型的脆性材料，有不同的解理面，因此，在锯切过程中的 冲击、机械摩擦下，不可避免地产生崩碎，但金刚石的微破碎对锯切过程非常重 要。宏观破碎使锯切性能变坏，而微破碎特性则可使金刚石在遇到难切割的石材 硬质点时，为避免硬性碰撞而发生一种“谦让”现象。这样，在接下来的锯切中，该 颗产生微破碎的金刚石磨粒仍可参与切削，而不至于宏观破碎或脱落后完全失去 切削作用。特别是微破碎的金刚石产生了微切削刃，更有利于花岗石特别是硬质 花岗石切削过程的进行。 童 在金刚石刀具磨损方面，国外也有很多研究者做了研究【1 8 埘】，金刚石的工作 状态与结块的使用性能有良好的对应关系，微破碎和完整晶型比例越高结块耐磨 性越好。宏观破碎和脱落比例越高结块耐磨性越差。金刚石在切削过程中，由于 磨粒钝化，锯切力和发热量会增加。金刚石脱落有利于锯切过程的顺利进行，有 利于降低功耗，但是，若脱落太多，则不但耐磨性大大降低，功耗也会增加。因 为大量脱落会造成分摊到真正能参与切削的磨粒上的负载剧增，因而宏观破碎随 之增加。使结块表面没有足够的磨粒参与切削，因而锯片变钝，功耗增加；同时， 花岗石对结合剂的耕犁作用明显，结块磨损剧增。金刚石在锯切过程中，完全不 磨损而保持完整晶