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特殊结构金刚石圆锯片性能研究 摘要 建筑行业的飞速发展使干切式的特殊结构金刚石圆锯片有着广阔的市 场前景。本文借助有限元软件a n s y s 及实验对所设计的几种特殊结构金刚 石圆锯片进行了性能研究。 1 、对多孔结构金刚石圆锯片进行了模态分析，分析其振型特征，针对 多孔锯片减振降噪提出了开孔率这一新的评价方式，并给出了公式；依据 第三强度理论，运用瞬态动力学对其进行了强度验证；依据热力学原理对 其进行了有限元热力分析；依据优化理论，对小子l 直径及小孔组数进行了 优化分析。结果表明，多孔锯片与普通锯片相比能有效的减少振动、降低 噪音，基体低温区域面积大大增加，降低了基体应力应变，而且在一定范 围内加大小孔直径增加小孔组数，效果会更好。 2 、利用a n s y s 对非等间距结构圆锯片及组合结构金刚石圆锯片进行 了动力学模态分析，热力学分析。结果表明，与普通锯片相比，它们都能 有效的降低热应力应变，能降低辐射效率，但发生强烈振动的几率增大。 3 、对多孔锯片及非等间距锯片进行了锯切三种不同硬度的混凝土的实 验研究。分析了锯片工作时三个方向的锯切力以及轴向振动，结果表明多 孑l 锯片i 。郴切削力比普通锯片的要小；非等间距锯片具有较好锋刃性，且i 。 的振动特性大大优于普通锯片。 本文的研究表明合理的选择锯片的结构参数是提高锯片性能的重要途 径，其结论对新锯片的开发具有一定的理论和实际指导意义。 关键词：金刚石圆锯片基体结构有限元分析切削力振动与噪音 s t u d yo n i 翻匠p e r f o r m a n c eo fs p e c n ls t r u c t u r e d i a m o n ds a wb l a d e a b s t r a c t w i t hm ed e v e l o p m e n to fa r c l l i t e c t l m ，c u 仕i 1 1 9d i 眦o n ds a wb l a d eh a v e b r o a dma r _ k e tp m s p e c t 1 1 1 “sp 印e r ，s e v e r a ls p e c i 甜咖c t u 】s a wa r er e s e a r c h e d b ym e a n so f 觚t ee l e m e n t sa n 出s i ss o 胁a r ea n s y s a n de x p e 曲1 e n t 】t h o s es a wb l a d e s 州t l 】o j e ss 饥l c t l l r ea r ea n a l y z e db yn 】e 瑚o d ea n 翻y s j s ， 咖d ym em o d ec h a r a c t 舒s t i c ，m er a t i oo f 叩e n - h 0 1 ei sp r e s e m e da n dg i v e n 也e f o m l u l a b a s e d 伽e 廿1 i r ds 蛔1 9 t 1 1 廿1 e o 巧，廿1 es a w sa r ea n a l y z e do ns 打e n g 吐1b y 仃a n s i e n t d y n a r n i c s ；t l l e y a r ec a l c u l 砷甜b y 也e 咖o d y n 锄i c sp r i n c i p l e ；m e d i 锄e t e ra n d 目o u pc o l i n to fh o l e sa r eo p t i m i z e db yo p t i m i z a t i o nt 1 1 e o r y t h e s t u d ys h o w sm a t 廿1 e n n a ls t r e s s ，n o i s e ，d i 删o na n dv i b 谢o no fs p e c i a ls a wa r e l e s st 1 1 孤廿l o s eo fc o n v e n t i o n a ls a w ，i t s1 0 wt e m p e r a t u r ea r e ai n c r e a s e d i i lt h e c e r t a i l l 啪g e ，d e c r e a s i n gt l l ed i a m e t e ra i l dg r o u pc o u n to fh 0 1 e s ，t h er e s u l tw i l l b eb e t t e r 2 t h es a wb l a d e s 谢廿ld i 攮髓n t 诵蛐s e g m e n to rc o m b i n a t i o ns 缸u c n l r e a r ea n a l y z e db yt 1 1 em o d ea i l dt 1 1 e n n o d ) ，n 锄i c sa n a l y s i sb ya n s y s 1 1 1 er e s u l t s h o w sn l a t 1 et i l e n n a ls t r e s s ，d i s t o m o na n dr a d i a n te f f i c i e n c yo fn o i s ea r e d e c r e a s e dc o 瑚【p a r e d 、i t l lc o r l v e n l i o n a ls a w 3 b yc u t t i n g d i f 王- e r e n th a r d n e s sc o n c r e t e e x p 嘶m e n t ， m e c u 埘n g c h a r a c t e r i s t i c so f 廿l es p e c i a ls a w 谢t 1 1h o l e so r ( 1 i f f e r e n tw i d ms e 舯e n th a v e b e e ns t u d i e d t h ec u t t i i l gf o r c ea n dv i b r a t i o ni i la 】( i a ld i r e c t i o nh a v eb e e n a i l a l y z e d t h er e s u l ts h o w sm a tm ec u 仕i 1 1 9f o r c eo f1 8 4 8s a wi sl e s st l l a l l c o r w e n d o n a is a w ，m ed i f 琵r e n tw i d ms a wi sm o r es h 砌p ，a n dt l l ev i b r a t i o no f i l k l zs a wi sl e s s _ t h er e s e a r c h e si l l u m i n a t em a tt 1 1 er e a s o n a b l es 仃i j c t u r ep 跏e t e r si sa i l i m p o r t a n tm e 也o df o ri m p r o v i n gs a wc 删n gp e r f o 肋a n c e i tc a ng u i d ean e w s a wd e s i g n si nm e o r ya n dp r a c t i c e k e y w o r d s ：d i 锄o n db l a d e ；s m l c n 聪o fs a wb l a d e ；f i l l i t ee l 锄e m 锄_ a l y s i s ；s a 丽n gf b r c e ； n o i s ea i l dv m r a ：c i o n i i 2 0 0 6 年广西大掣通陆尊啦论文特殊结构金月u 石圆锯片性能司f 究 第一章绪论 1 1 本课题的目的及研究意义 1 1 1 金刚石圆锯片在建筑业上的市场前景及应用 近些年来随着国民经济的飞速发展，由工业建筑、拆除与维修及民用建筑工程等组 成的建筑业作为国民经济发展的支柱产业也随之快速增长。仅以美国为例，1 9 9 8 年其新 的建筑工程金额超过6 0 0 0 亿美元【l 】。在我国，据初步测算2 0 0 3 年全年全社会建筑业实 现增加值8 1 6 6 亿元，比上年增长1 1 9 ，占国内生产总值的7 【2 】。 混凝土作为常用的建筑材料得以广泛的应用，而由此产生的混凝土的切割也形成了 庞大的产业。现今切割混凝土的方法有热切割法、机械切割法、化学切割法和组合切割 法等。其中混凝土的热切割法包括：氧茅切割法、火焰切割法、激光切割法：混凝土的 机械切割法包括：刀盘铣削法、风动凿岩法、空心镗削法、高压气体破碎法、油压破碎 法；混凝土的化学切割法包括：爆炸切割法、膨胀切割法；混凝土的组合切割法是根据 混凝土的不同材质，交替使用机械切割或热切割的切割方法【3 】。相对而言，属于刀盘铣 削法的金刚石圆锯片锯切混凝土由于其工作效率高、切割精度高、噪音小、灰尘少、成 本低等优点，因而具有很强的优势。 金刚石工具切割混凝土作为一种混凝土切割方法首先于1 9 4 0 年代后期在北美被用 于切割高速公路的防滑槽，此后这种新方法得到广泛应用，特别是1 9 6 0 年代后期以后 得到快速发展。国内外有许多大型混凝土结构的切割工程成功使用了金刚石工具来进 行，1 9 9 0 年代初，日本的n a g a t a 公司采用金刚石锯片对东京到名古屋之间的东名高速 公路上的护栏和中间的隔离带进行了拆除【4 】；1 9 9 9 年美国的亚特兰大国际机场采用金刚 石工具对一条跑道进行了快速高效的拆除1 5 】，节约了几百万美元的费用；1 9 9 5 年的日本 神户大地震后，n a g a t a 公司使用金刚石工具切割方法参与了其中一部分高架桥的拆除重 建工作【6 】；1 9 9 0 年代瑞士的h y d r o s 廿e s sa g 公司利用金刚石工具对建于1 9 3 5 年的法国 l ec l 岫b o n 大坝切割了应力释放缝【_ 日；国内在广州的“镇安立交”原高架桥的拆除工程 中，为了减少对道路交通和周边环境的影响，应用金刚石工具切割方法，取得了良好的 效果【聊。目前据统计，在德国每年使用金刚石工具切割混凝土的产值约为1 0 亿欧元，在 瑞士约为2 亿欧元，在奥地利约为6 千万欧元，在英国约为3 亿欧元。 如今，金刚石圆锯片已广泛应用于楼房、机场跑道、高速公路、桥梁和其他建筑的 拆建等工程中，己成为建筑业特别是公路建设不可缺少的工具例。 1 1 2 本课题的研究意义 随着金刚石圆锯片的应用越来越广泛，锯片的需求量也越来越大，人们对金刚石圆 锯片的结构及切削性能要求也随之不断提高，从钎焊到激光焊，从低速到高速，从有冷 2 0 0 6 年广西大掌习e 士掌崔啼擘文 却液到干切削，到如今有针对性很强的混凝土、石材等材料的专用干切式金刚石圆锯片。 随着对环保以及降低总体成本等因素的要求越来越高，使人们越来越重视通过合理设计 金刚石锯片基体结构来降低加工成本、提高生产率、降低噪音污染。 混凝土是一种特殊的复合材料，主要由粗骨料石、细骨料砂、水泥、钢筋、沥青等 硬相和软相材料组成，具有抗拉强度低等性能特点，存在不连续点甚至裂缝等结构缺陷。 混凝土干切削过程存在以下主要问题【l o 】：( 1 ) 锯切温度高。干锯切过程中，冷却和容屑 条件较差，导致金刚石节块堵塞，锯片温度明显升高，节块中的金刚石颗粒易石墨化， 产生非正常磨损和过早脱落；锯片的基体由于高温易变形，锯切摩擦力增大。( 2 ) 粉尘 大。锯切过程中产生的粉尘会堵塞金刚石节块，降低锯切效率及锯片的使用寿命。( 3 ) 噪音大。一是锯切时锯片高速旋转引起空气的压力脉动而产生齿尖噪声；二是锯片与加 工材料摩擦冲击产生噪声。锯切噪声是一种较严重的噪音污染，严重危害操作人员的身 心健康。( 4 ) 加工对象成分复杂且随机分布。混凝土中含有不同性质的材料，金刚石对 各组分锯切过程不同，加工机理复杂。由于锯片在锯切混凝土时，每个锯齿受到的应力 都是随时间而变化的交变应力，因此锯片基体的性能对混凝土加工质量有着很大的影 响。对于这些问题，为改善混凝土的锯切性能及提高锯片的使用寿命，合理设计金刚石 锯片基体结构就显得越来越重要。 近些年来，国内外专家对金刚石圆锯片锯切石材进行了广泛而系统的研究，然而针 对混凝土干切技术的研究甚少，对混凝土用干切式金刚石圆锯片基体结构研究也比较 少。国内外根据生产经验和一定的理论分析开发了一些新型基体结构的锯片，但为优化 基体及锯齿结构而提供的严密的理论依据和计算分析则相当有限。因此，有必要加强对 金刚石圆锯片基体结构优化理论进行深入、系统的研究，设计出符合实际工作要求的优 良基体结构的金刚石圆锯片。 1 2 金刚石圆锯片概述 金刚石圆锯是切割花岗岩、大理石、混凝土、耐火材料、玻璃、陶瓷、路面、石墨 电极等非金属材料的专用工具，以锋利耐磨而著称。 1 2 1 金刚石圆锯片结构及其分类 金刚石圆锯片是一种整体上呈圆盘状的刀具，它采用粉末冶金的方法将金刚石颗粒 镶嵌在基体的周围。利用金刚石颗粒的压裂压碎以及大面积剪崩其他材料而达到切削的 目的。其结构参数如图1 1 ： 2 2 0 0 6 年广西大掌硕士学位截黯 柏- 捌结相金刚石圆锯片蚓d 皂叼院 、 其中： d 金刚石圆锯片的外径 h _ 一金刚石圆锯片的内径 卜节块长度 x 一节块宽度 卜节块厚度 e - 一基体厚度 图1 1 普通锯片结构 f i g 1 一ls 加咖r eo f c o n v 洲o n a ls a wb l a d e 金刚石圆锯片的种类很多，分类也很复杂。通常有以下几种分类方式： 1 ) 按结构分类：宽水槽金刚石锯片、窄水槽金刚石锯片、节块组合式金刚石锯片、 钥匙孔槽金刚石锯片、钻头锯片、碗形锯片等： 2 ) 按加工工艺分类：激光焊接金刚石锯片、烧结式金刚石锯片、高频焊接金刚石锯 片等； 3 ) 按加工对象分类：大理石切割锯片、花岗石切割锯片、混凝土切割锯片等。 当然，上述分类方法不能把所有的金刚石圆锯片都包括进去，还有一些特殊用途的 金刚石圆锯片。 1 2 2 金剐石圆锯片刀头 金刚石圆锯片的本质是基体通过适当胎体材料将金刚石嵌镶固定。它是在基体上焊 接一种由金刚石颗粒与胎体材料组成的复合烧结体，常称之为刀头。刀头的形式多种多 样，通常做成长方体。金刚石刀头胎体即结合剂，应具备两个基本功能：一是把持金刚 石；二是能随着金刚石的磨耗而磨耗，使金刚石正常出刃。结合剂除了具备一定的硬度 和耐磨性之外，还应具备一定的韧性。 结合剂有四种基：铜基结合剂、钴基结合剂、铁基结合剂、碳化钨基结合剂。其中， 以钴基结合剂使用效果最好，但由于价格昂贵，不能大规模应用。应用最为广泛的是铁 基结合剂。结合剂中的添加成分有四种：粘结成分、骨架成分、强化成分、亲和成分。 对于不同基的结合剂，其添加成分也不相同。在胎体成分中常选用高熔点的金属如钨、 碳化钨等以调节胎体的硬度和耐磨性，同时选用低熔点并对碳有很好化学亲和性的金属 如钴、镍、锰等铜基合金作为金刚石的粘结材料。 1 2 3 金剐石圆锯片基体材料 金刚石圆锯片工作时会受到强烈冲击与振动，所以基体材料必须强度高、不易变形、 2 0 0 6 年广西大掣蛹瓤士掣| t 蚪仑文特殊龆湘圣嗍口石圆锯片性能研究 耐腐蚀。传统高频焊接主要是用含碳量高的6 5 h 恤、6 0 s i m n 6 、8 c r v 、t 1 2 等合金钢制 作成的带开槽的圆盘，经过淬火加中温回火热处理而成。 近年来，随着人们对操作安全及加工质量要求的提高，激光焊接锯片得到了广泛的 应用。为适应激光焊接的要求，其基体多选用低碳钢，通常碳的最大含量不超过o 3 5 。 主要采用高强度的特种低合金钢，如：3 0 c r m o 、2 8 c r m o 、2 0 c r m o 掣1 1 】。3 0 c r m o 具有 高的强度和韧性，渗透性较高、热强性也较好，有良好的可切削性和可焊性。 1 3 国内外相关研究现状 金刚石有着很高的硬度、耐磨性和强度，金刚石加工有很高的经济效益，经过多年 来国内外学者的努力，金刚石加工技术现已得到广泛的应用。 金刚石锯片的应用历史相当久远，世界上第一片金刚石锯片是由法国的j a e 肼i l l 于 1 8 8 5 年制造的【1 2 l 。我国的金刚石锯切工具的研究开始较晚，2 0 世纪7 0 年代初才研制成 功焊接圆锯片，最初主要用于绝缘材料、电瓷切割，后来又发展了石材切割锯片，近些 年来还开发了用于混凝土切割、马路切缝等用途的金刚石锯及排锯、带锯和绳锯等。 干切式金刚石圆锯片最早出现于2 0 世纪8 0 年代中期，由于它具有一些操作使用上 的优势，诸如更高的圆周切割速度与切割效率，同时不降低使用寿命，故干式切割取代 了传统的树脂切割片与冷却式湿切金刚石锯片。更为重要的是干式切割工艺使其在冷却 水提供较困难的地区能更方便的使用，同时因减少事后的清除工作而节约了成本。 1 3 1 金刚石圆锯片基体结构 金刚石圆锯片基体是金刚石圆锯片的一部分，用来作为金刚石刀头的承载部件，它 对锯片的切割质量、使用寿命具有重要的作用。通常锯片基体及锯齿结构主要分为【1 3 1 4 1 ： 一) 、防侧面磨损的基体及锯齿结构：a 、采用电焊方法在锯片基体上按圆周方向均 匀分布及径向方向交错分布方式焊接硬质颗粒，该方法可减少岩屑流对基体侧面的磨 损，但将增加基体的制造成本及基体变形校正的难度( 图l - 2 ) 。b 、采用低温熔射法在 锯片基体侧面喷涂一层以w c - c o 为主要成分的熔射层，这防止了侧面磨损又提高了锯 片刚性( 图l - 3 ) 。c 、修复沥青、混凝土路面时有时需要切出深而宽的槽缝，所用金刚 石锯片可采用精制的铁基插块与金刚石节块烧结为一体，然后插焊到锯片基体上( 图 1 4 ) 。该技术的优势是节块宽度可根据切缝要求而定，尤其在锯切锯齿形或非均匀宽度 槽缝时更显灵活性，可大大减少锯切时节块与基体摩擦产生的热量及其向基体传导的热 量，避免基体受热变形，过早失效，通过特殊的节块结合剂配方，可实现干切。d 、采 用侧面向基体内延伸节块以防止侧面磨损( 图1 5 ) ，向基体内延伸部分的材料是采用耐 磨性强的超细磨料。在防止侧面摩损的同时，由于超细磨料较好的研削效果可获得良好 的切断面，而且大大增加了节块与基体的连接面积，提高了结合强度。由于可减少基体 厚度，故也减少了切屑粉尘的排出量。 4 2 0 0 6 年广西，叫煳士掣咋嘲留文 格翻r 结构圣啊0 石瑚镊片憎j 电穹曙巴 彩5 1 圆形硬质颗粒2 节堤 3 基体4 水槽底孔5 水槽 图l - 2 基体布焊硬质颗粒防侧面磨损 f i g 1 - 2h a r dp 删c l eo f b a s ca g a i l l s tf l a n kw e a r 1 锯片2 水槽3 槽底4 基体受磨损部分 5 金刚石节块6 水槽侧面7 周向拓宽的节块 支承部分8 基体 图1 4 采用精制铁基插块保护基体 f i g 1 - 4p l u gb l a c kp m t e c tb a s e m 彩，3 卢k 镶国 图1 6 水槽结构参数图 f i 吕1 6s 仇l c t i l o f s l o t 1 金刚石2 节块3 基体4 溶射层 5 水槽6 溶射层落差边界 图l 一3 基体侧面喷溶射层防侧面磨损 f i 9 1 - 3s 0 1 u b i l n ys 诅c ka g a j 璐tn a n kw e 盯 1 基体2 节块 3 水槽4 耐磨的超细磨料 图1 5 节块向基体内延伸防侧面磨损 f i g 1 - 5 e x t d i n gs e g m e ma g a i n s t n 觚k w e 盯 3 然8 职 1 空冷槽孔2 基体3 节块 图1 8 基体空冷槽孔的干切片 f i g 1 - 8d r yc u n i i 唱s a ww i t l l a i rc o o l e ds l o t s 二) 、改善应力状态、摩擦冷却条件的基体结构：a 、h d j e n d 采用有限元法对普通 节块的单齿锯切、一齿锯切下一齿刚进入锯切、二齿同时锯切三种状态进行了应力分析 当锯片直径为由2 0 0 删n 、切深2 i n m 、锯片厚1 8 m m 、槽宽7 蚴、水槽底孔到锯片外圆 周的距离s h - 8 5 m m 时，得出具有较佳综合效果的水槽结构如图1 6 所示：y = 1 0 0 ， f 3 5 i n i i l ，v = 5 0 ，m = 5 0 ，同时揭示了有限元法在分析锯片受力状态方面的可行性，但分 析的广度和深度还有待进一步研究。b 、为改善锯切过程中锯片的热应力状态，可在基 体上按均匀间隔增加径向延伸槽( 图l 一7 ) ，满足了基体的热胀冷缩需要，减少了基体由 2 0 0 6 年广西大掣啁毗b 掣呻科仑文特殊结构金刚石嘲锯片性能研究 于热应力引起的变形。 三) 、干切的基体：a 、日本专利介绍在圆盘基体上开空冷槽孔可实现风冷干切( 图 1 8 ) 。b 、在基体上开气流冷却孔，并沿齿槽边缘开两排冷却通气小孔，采用强度和热 稳定性好的结合剂及高质量( s d b l l 2 5 ) 金刚石( 图1 9 ) 。锯片采用逆切的方法，由于 粉尘通过锯片底部卷入和锯片槽排出，故粉尘由一根位于锯片切削刃上方的真空管收 集，环境干净清洁。另外，具有多重三明治锯齿的风冷干切片如图1 1 0 所示，干切片 之间用1 i i l i n 厚的铝板隔开，该间隔既可起到空冷通道的作用，同时也为切不同槽宽需 要提供灵活的锯片组合方式。c 、采用复合基体( 图1 1 1 ) ，锯片旋转中，从进气孔1 进 入的环绕气流进入到内腔2 ，由锯片旋转引起的离心力使气流从喷气孔3 排出，这种由 旋转自然产生的强劲气流使得锯片外圆上的金刚石锯齿得以有效冷却。d 、采用不同配 方的刀头交错排列( 图1 1 2 ) ，4 为具有粗粒度金刚石制成的锋利齿，5 为具有细粒度金 刚石制成的耐磨齿。对软质材料，锋利齿起主要切削作用；对硬质材料，由锋利齿保证 切割效率，耐磨齿保护锋利齿不致于磨损过快。而锋利齿切削时稍快的磨损利于形成气 流冷却空隙，故良好的不同配方锯齿搭配，使该种锯片能实现干切。 图1 9 基体及齿槽边缘开气流冷却孔的 干切片 f i g 1 9 d l y c u 础i 瞎s a ww i t l la i r c 0 0 1 e ds l o 乜 2 移3 两 1 通气孔 2 内腔3 喷气孔 图1 1 1 形成环绕气流冷却的复合基体干切片 f i g 1 - 1 1d r yc u 仕i n gs a w 、v i t l la i rc 0 0 1 e dc o m p o s i l c b a s e 烨 u 1 锯片2 ，基体3 锯齿支承部分 4 粗粒度金刚石刀头5 细粒度金剐石刀头6 锯片槽 图1 1 2 不同配方锯齿搭配的干切片 f i g 1 1 2d r yc u 砸n gs a ww i t hd i 彘r e n tt e e l l l 2 0 0 6 年广西大掣q 页士掌位论文特殊结构金月g 石圆嘲i 片蚓j 巴习院 四) 、提高抗冲击能力的基体：a 、采用非等间距节块的锯片基体和分布有后角节块 的基体( 图1 1 3 ) ，可变化锯片的振动冲击周期，提高锯片的锋利性，改善受力状态， 从而提高锯片的抗冲击能力；b 、在节块的前方有一具有后角的护齿( 图1 1 4 ) ，节块是 山形齿，比护齿略高h ，被切材料先与节块小面积接触，在护齿2 的保护下逐渐加大接 触面积，大大提高了节块的抗冲击能力，且切入阻力小，因而只需较小的切削力就能将 被切材料切断，并且得到平整光滑的切断面效果，木材等较软材质的材料也能迅速切断， 也有比较简单的护齿( 图1 1 5 ) 所示，采用硬质合金护齿。c 、对切混凝土和沥青路面， 由于材质不均匀，冲击较大，可采用在基体的旋转方向有一负倾角的插件护齿( 图1 1 6 ) 。 d 、在节块前方加焊弹性舌片( 图1 1 7 ) ，弹性舌片可缓冲锯片高速旋转时，岩屑流对节 块的冲击。e 、在节块的底部加焊弹性框( 图1 1 8 ) ，可增加节块切入受冲击时的弹性， 减少基体的受力变形，或在节块所对应下的基体上开弹性通孔，也可缓冲对节块和基体 的冲击。 瑟叩 图1 - 1 3 非等间距葛兰芦和分椭后角节块 1 山彤锯齿4 鬻气k 3 容屑变形槽 的算盘图1 1 4 节块葡乏 萁着喜角护齿的结构 f i g 1 1 3s a ww i md i 彘r e n ts e 舯e m ；过- j js ：g ；二0 i 矗p 二妊鬣毹孟磊磊 图l - 1 5 硬质合金护齿 f i g 1 - 1 5s e g m e n tw i 也h a r da l l o yp r o t e c t e dt o a i l l 图1 1 6 在节块前方有一负倾角插件的护齿结构 f 唔l - 1 6s e g i n e n tw i mp m t e 咖d t 0 0 t l ls h l l c t i l r 。，旦息! 釜黧塑芝跫鲋一 刚。1 8 在献底蓑掣举警貅堤对新基 h g 1 1 78 唧删州虮l 刎c t o n g i l ep i c c e 陇1 - 1 8s 蠹茹：品i e l 剐ch o l e 7 悬一 扩 互帐，参黛 。晰= 蠡氅 2 0 0 6 年广西大掣_ i 睦尊啦论文特殊结构金刚君圆锯片捌j 皑习院 五) 、降低噪音的环保型基体和锯齿结构：a 、在基体上节块之间等间距开狭缝及在 基体中部开狭缝，然后用凝胶状硬化树脂填充( 图1 1 9 ) 。b 、用多片钢板由溶焊点连接 成基体，钢板间的间隙使噪音大大降低，基体的刚性提高，变形减小，溶接面积在2 睢3 0 之间，降噪效果最佳( 图l - 2 0 ) 。c 、采用多层复合板结构组成基体，由板间的间隙降低 噪音( 图1 2 1 ) ；d 、复合结构基体，将两块金属板中间用粘弹性树脂隔开并粘结在一起， 噪音可明显降低( 图1 - 2 2 ) 。 ab ab 1 节块2 溶焊点噪音基体熔焊面积比例 3 基体铜板 c 1 基体2 消音缝3 节块4 消音缝 图1 1 9 基体径向及中部分别开直线和曲线消音缝图1 - 2 0 用多片钢板由熔焊点连接成基体 f i g 1 - 1 9s wb ew i t i lq u i e t e rs l o t sf i g 1 2 0b a s ec o n s i s 扭o f w e l d e ds t 1p 1 如s a 局部放大 j 左 3 c 局部放大 厅耵母掩 2 6 8 1 6 5 5 蔫帮欺天 2 d 局部放大 1 基体2 节块3 水槽4 节块与基体连接处 5 轴孔6 凸部7 点焊接8 通孔9 隔离板 1 1 中心圊板1 2 、1 3 两侧圃板1 4 凸部形状 1 5 两侧圃板不加工部分1 6 凹部空隙部分 1 7 连接处1 8 微小间隙 4 v 。 1 锯片2 基体板3 粘弹性树脂4 锯齿 图1 - 2 2 同粘弹性树脂连接的复合结构基体的降 噪锯片 f 塘1 - 2 2 。甲：恐：篓愁黧塞基篓的降罄：。鼻嚣同雯荪裳票麓霾含麓萎群 f i g 1 _ 2 1d e n o i d8 a w c o n s i s 乜0 f c o m p o s e d p l a t c s 1 用酱；i ；3 蔷焉蔷；谳谶日 8 垦黎 懿 ：誓j 心 斟一黔 2 0 0 6 年广西大尊h 甄士掌位崔文特殊鼬朐金月0 石四锯片憎d 皂习f 究 另外，在不破坏锯片的平衡及所需刚性的条件下，在锯片基体上均匀分布若干个 相同尺寸的小孔，在孔中镶嵌高阻尼合金或非金属物，这样可减弱锯片弹性振动的传播， 能消除高频噪音；或在基体上分布若干个等间距沿不同半径基圆的曲线( 或直线) 形成 消声槽缝，消声原理是节块与被切材料间由于摩擦和撞击所产生声波在基体上的传播受 到阻尼，使其余不与被切材料接触部位的音频共振减少( 图1 2 3 ) 。 国内外的资料表明，改善基体及锯齿结构的方式和方法甚多，这些新型结构锯片也 分别起到了提高锯切效果的作用，但所能提供改善基体及锯齿结构的理论依据和分析方 法非常有限。因此，有必要开展较为深入系统的针对这方面的理论研究，此项研究要考 虑的主要问题有：a 、基体结构的理论性问题；b 、基体结构的工艺性问题；c 、理论研 究手段。 1 3 2 锯切力研究 在金刚石锯片锯切过程中，锯切力是一个非常重要的参数，锯切力反映了锯片所受 的载荷，影响着锯片的磨损，还决定了加工机床的功率。锯切力的研究一开始是采用单 颗粒金刚石切削工件来进行的，h k t 6 i l s h o 圩通过试验研究了单个金刚石磨粒上的作用 力以及磨粒尺寸、进给量和进给压力之间的关系，认为进给压力是主要的锯切力分量， 进给压力随磨粒的增大而增加，随着进给量的增加而减小，原因是切屑断面积的增加导 致金刚石磨粒破碎，产生的自锐效应使磨粒更为锋利【l5 1 。李远等人通过测量和分析锯切 花岗石过程中锯切力以及锯切功率，对锯片所受的单位宽度法向力和切向力以及单颗金 刚石磨粒所平均承受的法向力和切向力进行了研究，研究发现大切深小进给可以降低单 颗金刚石的锯切力；切深对整个锯片锯切力的影响要比进给速度大，而对单颗粒金刚石 的锯切力，进给速度比切深的影响大；单颗金刚石的锯切力随着转速的增加而减小【1 6 】。 陈先通过研究认为，锯切力包括岩石的破碎阻力、金刚石与岩石之间的摩擦力、锯屑与 金刚石和金属胎体之间的摩擦力【l ”。魏听研究了锯片锯切花岗岩过程中锯切工艺参数、 花岗岩的显微结构及力学性能对锯切力的影响作用，并给出了锯切力的经验公式【瑚。人 们通过研究普遍认为，锯屑的形成过程属于脆性破坏，消耗的能量并不大，因此破碎阻 力分量很小，仅占锯切力分量的1 5 左右，而摩擦力造成的功率损耗约占锯切功率的 8 2 8 7 。 j 锄等人用有限元法分析了金刚石锯片的切割过程，建立了锯切力计算模型【l9 】。 该模型包括加工工艺及工具参数如锯片的转度、进给速度、锯片直径、切割深度、磨粒 尺寸、金刚石烧结块的密度及分布，还包括工件材料性能参数，如弹性模量、泊松比等。 可利用有限元法先计算出单个磨粒的切割情况，然后计算出单个结块及整个锯片的切割 力。周灿丰基于岩石材料的特征，提出了一个岩石锯切力理论模型，该模型描述了锯切 力变化的基本特征【2 0 】。上述研究都是针对岩石加工过程的锯切力，而对混凝土锯切力的 研究很少，h k t 6 n s h o f f 等通过单颗粒金刚石切削钢筋和混凝土时发现切削力均随切 9 2 0 0 6 年j 。西大掌司e 士掌脚膪文 特殊髭自酋 j 哪石圆锯片性能萄”电 深的增加而增大；当切速增加时，切奥氏体钢材料切削力也随之增大，而切结构钢材料 以及混凝土时切削力减小，总体上切削力变化不大；法向力与切向力之比值在切成分性 质较接近的混凝土时随切削面积的增加而增大，但在切削钢筋材料和成分性质相差较大 的混凝土时基本上不随切削面积的变化而变化，切削混凝土时的法向与切向力之比值要 大于切削钢筋材料【2 l 】。魏昕等分别用单颗粒金刚石和金刚石锯片对沥青混凝土和水泥混 凝土进行锯切实验研究了切削力田j 。研究发现切削力与混凝土材料成分有密切关系，当 锯切到石子等硬相时，切削力迅速上升达到最大，而锯切到沥青等软相时，切削力迅速 下降。锯切过程中切削力波动频率较大，水泥混凝土的切削力波动频率要大于沥青混凝 土，且其稳态值比较明显。水泥混凝土的切削力力大于沥青混凝土切削力，有水冷却时 的切削力要小于干切削时的切削力。当锯切深度和进给速度增大时，锯切力也随之增大， 相反，当锯切速度增大时，切削力减小，锯切速度对切削力的影响不是很明显，要远小 于锯切深度和进给速度的影响。由于金刚石锯片锯切过程的复杂性和随机性，对锯切力 的研究大都基于试验以及根据试验得到的经验公式，理论研究相对较少，特别是针对混 凝土切割方面锯切力的研究就更少。 1 3 3 锯切振动与噪音的研究 由于石材工业和建筑行业的迅速发展，金刚石锯片的用量随之猛增。在工业发达国 家，金刚石锯片已开始广泛应用于楼房、机场跑道、高速公路、桥梁和其他建筑的拆建， 施工且多在城区进行，对噪音实施限制越来越严格，因此金刚石锯片向降噪音和无噪音 公害发展是必须趋势。 锯切噪音产生的主要原因是锯片的振动，而锯片的振动是由主轴的回转运动和锯片 与被锯切材料之间的摩擦以及锯片扇形刀头对被锯切材料的冲击引起的。因此，降低金 刚石锯片的噪音主要在于改变锯片基体的结构以减少振动。 另外，除了改进锯片基体结构以外，金刚石锯片的锋利程度也是产生噪音的一个因 素。因为锯片的噪音源于振动，而振动与锯切时锯片的受力情况有关。锯切时的线速度、 被锯切材料的硬度与研磨性、锯片的锋利程度等都影响锯片工作的受力情况。为了提高 锯片的锋利程度，可采取的措旌一是金刚石的选型；二是改变锯刃的结构。 从锯刃的结构来看，可降低噪音的措施有： 1 ) 全圆周连续锯刃，这种锯刃结构的锯片工作时不产生刀头对工件的冲击，因而 可降低对周围空气的激励所引起的的噪音。缺点时锯刃散热差，要求用优质金刚石制造， 一般用于干湿式锯切的小直径锯片。 2 ) 梯形刀头或将刀头之间的隔槽顺转方向倾斜，可缓冲刀头对工件的冲击。 3 ) 夹层刀头，俗称三明治刀头，有双层或三层结构。层与层之间留有空隙或夹入 一层减振材料，用特殊铆接或点焊相接。这种结构的刀头可有效地降低噪音。缺点是刀 刃厚度较大。 1 0 2 0 0 6 年广碡r 大学习陆尊啦截支特瑚h 春构童刚石圆钳q 电能研究 4 ) 斜向平行排列刀头。刀头制成长条片状，以斜向平行等距排列钎焊到特制的锯 片基体钢圈外圆周上，形如斜齿齿轮，锯切时可降低刀头对工件的冲击引发的噪音。这 种结构刀头的缺点是锯缝较宽。 现如今众多金刚石锯片制造厂家均采用激光切割技术来加工锯片基体和采用激光 焊接技术来焊接锯片的刀头。因为激光加工技术可以避免变形和残留内应力，从而有利 于降低锯片工作时的振动和噪音。此外，对锯片成品进行张力处理也是至关重要的一个 生产环节嘲。 此外，锯片基体优良的刚性和稳定性可以减少系统的振动，对于金刚石锯片和锯机 的使用寿命以及产品的切削品质都具有非常重要的作用。金刚石锯片在工作过程中刚性 会随速度的提高而提高，但在超过临界速度时，锯片将会产生共振，从而造成不正常切 割的现象。合理地预置应力可以提高锯片基体的共振频率，使其发生共振的临界转速升 高，从而使锯片可以实现高速切割，提高锯片的切削效率【2 4 】。 对于锯片噪音的研究，由于在产生噪音机理、噪音声源等方面木锯、金属圆锯、金 刚石锯片有许多相似之处，所以它们的研究往往交织在一起，相互渗透，相互借鉴【1 0 】。 而且，金刚石圆锯片的噪音问题研究主要是在木锯、金属圆锯的噪声研究成果的基础上 进行的。国外在2 0 世纪6 0 年代即开始这方面的研究，美国的c d m o t e 等从动力学的 角度对刚性圆锯片噪声机理进行了一定的研究。m f d ev n e s 等利用自己设计的计算机 程序开发了一种最佳齿距的锯片，实验发现此锯片的噪音比普通锯片要低。此外德国、 日本、苏联及澳大利亚也有一些有关圆锯减振降噪的专利和文献报道，但效果不是很好。 这时期其特点是侧重于理论和试验室研究，还没有与工程实际广泛而深入地结合起来。 2 0 世纪7 0 年代后期以后，对噪声的研究逐渐多起来了，r f k c m e 等通过实验研究了锯 片转速、厚度、水槽直径、深度等因素对空转圆锯片产生的空气动力学噪声的影响，得 出了一个经验公式【2 5 1 。m s b o b e c z k o 研究发现带有切缝的金属圆锯片切割铝材时能降 低噪声，机理在于从基体周边到中心的噪声传播路径由于切缝而被切断，基体的噪声共 鸣反弹、振动噪声减弱【2 6 】。d eb e e r s 公司研究了水槽形状和刀头间隙对锯片性能的影响， 发现在设计锯片时必须考虑价格、被切割材料、切割质量、刀头中金刚石含量、噪声、 基体的抗疲劳性能等因素【2 7 】。k n i e 耐e c 研究了降低圆锯片噪声的阻尼方法，发现阻尼 降低噪声的效果严重地受到锯齿之间引起的空气动力学噪声的限制，虽然基体的振动也 与之相关的辐射噪声降低有了一定的效果，但与一般操作条件下的整个噪声比较起来其 效果显得不太明显【2 8 】。上世纪8 0 年代以后对圆锯片噪声的研究报道较多，主要是进一 步深入研究噪声产生机理，同时也研究发明大量的降噪方法。k h a y a s a k a 等通过大量实 验研究了刀头、缝隙的数量和基体的振动对噪声的影响，发现旋转噪声的产生受锯片的 旋转速度的影响，刀头数目增加旋转噪声增大，旋转噪声的产生与基体的振动和锯片外 圈缝隙之间的空气流动有关。 国内对圆锯片的噪声问题的研究开始于2 0 世纪8 0 年代，主要是木锯、金属圆锯的 2 0 0 6 年，西大掣嘱曩士掣啦论文特臻结构酋洲石圆镑片性能习f 究 噪声问题，对金刚石锯片的研究较少。王太勇在实验的基础上研究了金属锯切噪声的特 征及若干影响因素的作用，并探讨了诸因素与金属锯切噪声间的关系，并通过有限元计 算方法计算了锯片的前几阶固有频率和振型【2 9 】。何艳艳等提出了金刚石圆锯片在切割过 程中产生的主要噪声源有：空气动力学噪声，振动噪声，冲击辐射噪声，摩擦噪声，锯 机结构噪声，并提出了几种常用的消音措施。沈祥芬等也对金属圆锯工作过程中的噪声 以及减小噪声方法进行了研列3 0 】。李延军等分析了木工锯的噪声来源，针对其特点提出 了控制噪声的一些方法【3 l 】。冯祖宾等通过改变锯片基体结构，研制出消音锯片，消除了 高音频噪音【3 2 】。谈耀麟也提出了多种降低金刚石锯片噪声的措施【3 3 1 。马建敏等对金属圆 锯的噪声产生机理以及降噪措施等进行了比较系统的研究【3 4 3 8 】。黎志国利用有限元软件 a n s y s 研究了不同细缝形状参数对金刚石锯片振动的影响。经过模态有限元计算，并 对其结果分析表明带细缝填充阻尼材料的金刚石圆锯片改变了锯片原有的固有特性，减 小了锯片振动传递，起到了降低噪音作用p 9 】。丁海宁通过实验分析了影响噪音与振动的 主要因素，以及提出了消除和降低噪声与振动的方法【帅】。 1 3 4 混凝土锯切机理研究 混凝土切割机理的研究是从单颗粒金刚石切割开始的，而且是将加工的混凝土假定 为各向同性材料，后来发展到整体金刚石工具的加工机理研究。在1 9 7 0 年代，p b i e n e r t 提出了单颗粒金刚石切割混凝土的模型【4 i 】( 见图1 2 4 ) 。该模型假定混凝土为各向同性 材料，给出了详细的切割过程：在金刚石颗粒的前方，由于压应力产生的剪切作用，材 料被破碎，形成主切屑，并被崩出和挤出切削区；在颗粒下方，由于高压作用以及温度 的影响，材料产生塑性变形从而形成二次切屑，在一定的薄层内形成光滑表面；在颗粒 后方，由于突然的弹性应力释放，导致较大切屑的形成，它由松散的块状切屑和二次切 屑组成。然而实际混凝土是由各种不同成分组成，其切屑形成过程可能很复杂。 拉应力- 压应力拉应力 断裂破坏切屑塑性切屑 破碎剥落切屑 图1 - 2 4单颗粒佥刚石切割混凝土的p b i e n e r c 模型 f i g 1 - 2 4 p b i e n e nm o d e lo f s i n g l ed i 锄o n dc u tc o n c r e t e 1 2 2 0 0 6 年广西大学硕士掌位论文特殊培构金刚石凹锯片捌滟司f 究 德国h 锄n o v e r 大学的b d e n k e i l a ，h k t o n s h o 疗等人通过单颗粒金刚石切削混凝土 和钢筋材料的实验对其切削机理进行了初步研究【4 2 】。实验中使用单颗粒金刚石分别对结 构钢材料、奥氏体钢材料以及两种不同成分结构的混凝土材料在不同切削速度和切削深 度下进行切削，测量了工件加工后形成的沟槽尺寸和金刚石实际切削尺寸以及锯切力， 通过分析沟槽尺寸与金刚石实际切削尺寸之比研究了切削机理。研究发现在切削结构钢 材料时，沟槽尺寸大于金刚石实际切削部分尺寸，工件发生塑性变形；而在加工奥氏体 铜时，沟槽尺寸小于金刚石实际切削部分尺寸，工件中既有塑性变形又有弹性变形；加 工混凝土时，沟槽尺寸要远大于金刚石实际切削部分尺寸，且在宽度方向更明显，甚至 达到两倍，混凝土由于切削力作用大块崩碎，具有脆性材料的破碎特征。 1 4 大型有限元分析软件州s y s 简介 a n s y s 是目前国际上著名的有限元软件之一，该软件是集结构、热、流体、电磁 场、声场和耦合场分析于一体。a n s y s 广泛应用于机械、航空航天、能源、交通运输、 土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学研究等众多领域。 a n s y s 作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在 以下几个方面： 1 ) 数据统一。a n s y s 使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处 理、分析求解及多场分析的数据统一。 2 ) 强大的建模能力。a n s y s 具备三维建模能力，仅靠a n s y a 的g u i ( 图形界面) 就可建立各种复杂的几何模型。 3 ) 强大的求解功能。a n s y s 提供了数种求解器，用户可根据分析要求选择合适的 求解器。 4 ) 强大的非线性功能。它可以进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。 5 ) 智能网格划分。a n s y s 可根据模型的特点自动生成有限元网格。 6 ) 良好的优化功能。利用a n s y s 的优化设计功能，用户可以确定最优设计方案： 利用a n s y s 的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外型优化，寻求物体对材料的最佳 利用。 7