金剛石圓鋸片的結(jié)構(gòu)性能分析
發(fā)布時(shí)間：2018-12-27
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1 引言
金剛石圓鋸片是金剛石類工具中消耗量最大的刀具，約占金剛石刀具材料消耗總量的95% 以上。近年來(lái)，我國(guó)在優(yōu)化金剛石圓鋸片節(jié)塊配方方面進(jìn)行了大量研究，使金剛石圓鋸片的鋸切性能顯著提高，刀頭成本大大降低，提高了國(guó)產(chǎn)鋸片在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 隨著金剛石圓鋸片的應(yīng)用范圍日趨廣泛，加工對(duì)象日益復(fù)雜，目前對(duì)鋸片除有一般的耐磨性、鋒利性等性能要求外，還對(duì)其適應(yīng)被加工材料（如各種大理石、花崗巖、鋼筋混凝土、瀝青路面等）、加工條件（如干切、濕切、鋸切超薄板、高精度板等）以及環(huán)保要求（如噪音、排污等）的能力提出了更高要求，這些都對(duì)金剛石圓鋸片的設(shè)計(jì)與制造提出了新的挑戰(zhàn)，僅僅通過(guò)優(yōu)化節(jié)塊配方來(lái)提高鋸片性能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還必須在改善鋸片結(jié)構(gòu)方面取得更多進(jìn)展和突破。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)和使用的各種新型鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)（如鋸片基體開(kāi)氣流孔槽或鑲阻尼材料、形成鋸齒中凹磨損的三明治夾層齒、多重細(xì)齒、徑向延伸齒、硬質(zhì)合金護(hù)齒等）對(duì)改善鋸切摩擦及冷卻條件、提高鋸片鋒利性及切割平穩(wěn)性、防止鋸齒打滑、防止側(cè)面磨損、適應(yīng)軟硬混合材料的加工、避免掉齒、節(jié)省刀具材料、充分利用鋸齒材料、降低鋸切噪音等起到了重要作用，由此證明改善鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)是提高鋸切效果的重要途徑之一。
但是，目前對(duì)各種基體及鋸齒結(jié)構(gòu)對(duì)鋸片受力、剛性、變形、應(yīng)力分布、摩擦、噪音等的影響還缺乏深入系統(tǒng)的理論分析，因而提出改善基體和鋸齒結(jié)構(gòu)技術(shù)方案的理論依據(jù)尚不充分。本文綜合介紹了國(guó)內(nèi)外改善鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用成果，分析了各種鋸齒結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、生產(chǎn)價(jià)值及存在問(wèn)題，并提出了研究鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)涉及的理論問(wèn)題及技術(shù)前景。
2 鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)的特性分析
2.1 防側(cè)面磨損的基體及鋸齒結(jié)構(gòu) 在鋸切過(guò)程中，鋸片高速運(yùn)轉(zhuǎn)，鋸片基體與巖屑流產(chǎn)生摩擦磨損。由于節(jié)塊的徑向磨損與側(cè)向磨損不一致，當(dāng)節(jié)塊工作層將消耗完時(shí)，鋸片基體與巖屑的摩擦加大，造成“夾鋸”，這將引起鋸片基體的磨損和變形，降低基體可重復(fù)使用的次數(shù)。為此，可采取以下保護(hù)基體的措施。 1） 采用電焊方法在鋸片基體上按圓周方向均勻分布及徑向方向交錯(cuò)分布方式焊接硬質(zhì)顆粒。該方法可減少巖屑流對(duì)基體側(cè)面的磨損，但將增加基體的制造成本及基體變形校正的難度。
采用低溫熔射法在鋸片基體側(cè)面噴涂一層以WC-Co 為主要成分的熔射層。該方法既可防止側(cè)面磨損，又可提高鋸片剛性。如用外徑Ø323mm金剛石圓鋸片鋸切混凝土路面（鋸片轉(zhuǎn)速2400r /min，切深60mm，進(jìn)給速度3m/min），噴涂熔射層后鋸片使用壽命可由2899m 提高到4500m。選用最佳的熔射層噴涂工藝、層厚、噴涂面積等是應(yīng)用該技術(shù)的關(guān)鍵。 5） 節(jié)塊采用交錯(cuò)分布水槽，水槽深度為節(jié)塊厚度的2/3，徑向深度達(dá)到焊接層。鋸切加工時(shí)接觸面為連續(xù)分割圖形。該技術(shù)有利于冷卻潤(rùn)滑，可提高排屑能力，減少節(jié)塊對(duì)基體的摩擦和扭曲變形。
2.2 改善應(yīng)力狀態(tài)、摩擦冷卻條件的基體和鋸齒結(jié)構(gòu) 通過(guò)分析鋸片的應(yīng)力狀態(tài)和摩擦冷卻條件，合理改進(jìn)基體及鋸齒結(jié)構(gòu)，可有效改善基體的受力變形和鋸齒的摩擦冷卻條件，延緩基體失效期限，提高鋸片的耐磨性和鋒利性，節(jié)省刀具材料，降低加工成本。
1） H. D. Jerro采用有限元法對(duì)普通節(jié)塊的單齒鋸切、一齒鋸切下一齒剛進(jìn)入鋸切、二齒同時(shí)鋸切三種狀態(tài)進(jìn)行了應(yīng)力分析。當(dāng)鋸片直徑為Ø200mm、切深2mm、鋸片厚度1.8mm、槽寬7mm、水槽底孔到鋸片外圓周距離Sh=8.5mm 時(shí)，設(shè)計(jì)了如圖6 所示具有較佳綜合加工效果的水槽結(jié)構(gòu)。水槽結(jié)構(gòu)參數(shù)為：γ=10°，r=3.5mm，ψ=5°，Ø=5°。該文揭示了應(yīng)用有限元法分析鋸片受力狀態(tài)的可行性，但受力分析的廣度和深度還有待進(jìn)一步提高。
2） 為改善鋸切過(guò)程中鋸片的熱應(yīng)力狀態(tài)，可在基體上按均勻間隔增加徑向延伸槽，以滿足基體的熱脹冷縮需要，減少基體因熱應(yīng)力引起的變形。
3） 為改善鋸齒齒頂和齒側(cè)的摩擦條件和受力狀況，可在齒頂面形成有中凹磨損的“回”形齒、“H”形齒、“凹”形齒及類似的兩端形狀各異的節(jié)塊勻質(zhì)夾層”齒以及目前應(yīng)用廣泛的三明治齒等。
齒頂面形成中凹磨損的“回”形、“H”形及“凹”形齒由于減少了齒頂與加工材料的接觸面積，改善了齒側(cè)壓力狀態(tài)，可使摩擦及發(fā)熱現(xiàn)象明顯減少，刀頭鋒利性增加。同時(shí)由于節(jié)塊中凹部分所對(duì)應(yīng)的巖石往往薄而脆，巖石在周圍沖擊能量的作用下易自然破碎，從而可節(jié)省節(jié)塊工作層材料。
非勻質(zhì)夾層齒示意圖可減小齒側(cè)摩擦接觸面積的齒型還有“L”型齒、階梯型齒、側(cè)面開(kāi)槽齒等美國(guó)NED公司、日本大阪金剛石公司、德國(guó)WihelmLeiritz公司等已將這些齒形運(yùn)用于Ø1000～5000 mm的大直徑鋸片上。對(duì)于小直徑鋸片，則可采用圖12所示的螺旋齒型，該類齒型有利于冷卻介質(zhì)的導(dǎo)入，節(jié)塊切入切出長(zhǎng)度的漸變可減緩其所受沖擊力。該方法成功應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵是合理選用螺旋角、齒形以及冷壓成型工藝的控制。
4） 為增加冷卻槽的密度，而又不至于因鋼基體水槽過(guò)多而造成鋸片剛性不足，可采用多重細(xì)齒節(jié)塊。該節(jié)塊外緣層齒槽比內(nèi)層齒槽略低，當(dāng)外層齒磨耗完后，內(nèi)層齒又可如新齒一樣進(jìn)行切削。由于齒長(zhǎng)度縮短及分層，可達(dá)到改善摩擦冷卻條件、避免鋸齒打滑、增加鋸片鋒利性和切割平穩(wěn)性、充分利用刀具材料的效果，該效果與國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的“節(jié)塊長(zhǎng)度越小，則鋸片切削時(shí)的功率總消耗量越小”的結(jié)論一致。但此類節(jié)塊需采用冷壓成型制作，會(huì)增加模具制作成本和焊接難度。
3 結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)國(guó)內(nèi)外各種防側(cè)面磨損、防應(yīng)力變形、改善冷卻性能的鋸片結(jié)構(gòu)基體及鋸齒結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、生產(chǎn)價(jià)值、存在問(wèn)題等進(jìn)行了綜合介紹。在后續(xù)文章中，還將對(duì)干切削、抗沖擊、低噪音鋸片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生產(chǎn)價(jià)值及存在問(wèn)題進(jìn)行分析和討論，并將提出在研究鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)時(shí)所涉及的技術(shù)問(wèn)題及相應(yīng)的理論方法。
金剛石圓鋸片是金剛石類工具中消耗量最大的刀具，約占金剛石刀具材料消耗總量的95% 以上。近年來(lái)，我國(guó)在優(yōu)化金剛石圓鋸片節(jié)塊配方方面進(jìn)行了大量研究，使金剛石圓鋸片的鋸切性能顯著提高，刀頭成本大大降低，提高了國(guó)產(chǎn)鋸片在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 隨著金剛石圓鋸片的應(yīng)用范圍日趨廣泛，加工對(duì)象日益復(fù)雜，目前對(duì)鋸片除有一般的耐磨性、鋒利性等性能要求外，還對(duì)其適應(yīng)被加工材料（如各種大理石、花崗巖、鋼筋混凝土、瀝青路面等）、加工條件（如干切、濕切、鋸切超薄板、高精度板等）以及環(huán)保要求（如噪音、排污等）的能力提出了更高要求，這些都對(duì)金剛石圓鋸片的設(shè)計(jì)與制造提出了新的挑戰(zhàn)，僅僅通過(guò)優(yōu)化節(jié)塊配方來(lái)提高鋸片性能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還必須在改善鋸片結(jié)構(gòu)方面取得更多進(jìn)展和突破。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)和使用的各種新型鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)（如鋸片基體開(kāi)氣流孔槽或鑲阻尼材料、形成鋸齒中凹磨損的三明治夾層齒、多重細(xì)齒、徑向延伸齒、硬質(zhì)合金護(hù)齒等）對(duì)改善鋸切摩擦及冷卻條件、提高鋸片鋒利性及切割平穩(wěn)性、防止鋸齒打滑、防止側(cè)面磨損、適應(yīng)軟硬混合材料的加工、避免掉齒、節(jié)省刀具材料、充分利用鋸齒材料、降低鋸切噪音等起到了重要作用，由此證明改善鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)是提高鋸切效果的重要途徑之一。
但是，目前對(duì)各種基體及鋸齒結(jié)構(gòu)對(duì)鋸片受力、剛性、變形、應(yīng)力分布、摩擦、噪音等的影響還缺乏深入系統(tǒng)的理論分析，因而提出改善基體和鋸齒結(jié)構(gòu)技術(shù)方案的理論依據(jù)尚不充分。本文綜合介紹了國(guó)內(nèi)外改善鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用成果，分析了各種鋸齒結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、生產(chǎn)價(jià)值及存在問(wèn)題，并提出了研究鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)涉及的理論問(wèn)題及技術(shù)前景。
2 鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)的特性分析
2.1 防側(cè)面磨損的基體及鋸齒結(jié)構(gòu) 在鋸切過(guò)程中，鋸片高速運(yùn)轉(zhuǎn)，鋸片基體與巖屑流產(chǎn)生摩擦磨損。由于節(jié)塊的徑向磨損與側(cè)向磨損不一致，當(dāng)節(jié)塊工作層將消耗完時(shí)，鋸片基體與巖屑的摩擦加大，造成“夾鋸”，這將引起鋸片基體的磨損和變形，降低基體可重復(fù)使用的次數(shù)。為此，可采取以下保護(hù)基體的措施。 1） 采用電焊方法在鋸片基體上按圓周方向均勻分布及徑向方向交錯(cuò)分布方式焊接硬質(zhì)顆粒。該方法可減少巖屑流對(duì)基體側(cè)面的磨損，但將增加基體的制造成本及基體變形校正的難度。
采用低溫熔射法在鋸片基體側(cè)面噴涂一層以WC-Co 為主要成分的熔射層。該方法既可防止側(cè)面磨損，又可提高鋸片剛性。如用外徑Ø323mm金剛石圓鋸片鋸切混凝土路面（鋸片轉(zhuǎn)速2400r /min，切深60mm，進(jìn)給速度3m/min），噴涂熔射層后鋸片使用壽命可由2899m 提高到4500m。選用最佳的熔射層噴涂工藝、層厚、噴涂面積等是應(yīng)用該技術(shù)的關(guān)鍵。 5） 節(jié)塊采用交錯(cuò)分布水槽，水槽深度為節(jié)塊厚度的2/3，徑向深度達(dá)到焊接層。鋸切加工時(shí)接觸面為連續(xù)分割圖形。該技術(shù)有利于冷卻潤(rùn)滑，可提高排屑能力，減少節(jié)塊對(duì)基體的摩擦和扭曲變形。
2.2 改善應(yīng)力狀態(tài)、摩擦冷卻條件的基體和鋸齒結(jié)構(gòu) 通過(guò)分析鋸片的應(yīng)力狀態(tài)和摩擦冷卻條件，合理改進(jìn)基體及鋸齒結(jié)構(gòu)，可有效改善基體的受力變形和鋸齒的摩擦冷卻條件，延緩基體失效期限，提高鋸片的耐磨性和鋒利性，節(jié)省刀具材料，降低加工成本。
1） H. D. Jerro采用有限元法對(duì)普通節(jié)塊的單齒鋸切、一齒鋸切下一齒剛進(jìn)入鋸切、二齒同時(shí)鋸切三種狀態(tài)進(jìn)行了應(yīng)力分析。當(dāng)鋸片直徑為Ø200mm、切深2mm、鋸片厚度1.8mm、槽寬7mm、水槽底孔到鋸片外圓周距離Sh=8.5mm 時(shí)，設(shè)計(jì)了如圖6 所示具有較佳綜合加工效果的水槽結(jié)構(gòu)。水槽結(jié)構(gòu)參數(shù)為：γ=10°，r=3.5mm，ψ=5°，Ø=5°。該文揭示了應(yīng)用有限元法分析鋸片受力狀態(tài)的可行性，但受力分析的廣度和深度還有待進(jìn)一步提高。
2） 為改善鋸切過(guò)程中鋸片的熱應(yīng)力狀態(tài)，可在基體上按均勻間隔增加徑向延伸槽，以滿足基體的熱脹冷縮需要，減少基體因熱應(yīng)力引起的變形。
3） 為改善鋸齒齒頂和齒側(cè)的摩擦條件和受力狀況，可在齒頂面形成有中凹磨損的“回”形齒、“H”形齒、“凹”形齒及類似的兩端形狀各異的節(jié)塊勻質(zhì)夾層”齒以及目前應(yīng)用廣泛的三明治齒等。
齒頂面形成中凹磨損的“回”形、“H”形及“凹”形齒由于減少了齒頂與加工材料的接觸面積，改善了齒側(cè)壓力狀態(tài)，可使摩擦及發(fā)熱現(xiàn)象明顯減少，刀頭鋒利性增加。同時(shí)由于節(jié)塊中凹部分所對(duì)應(yīng)的巖石往往薄而脆，巖石在周圍沖擊能量的作用下易自然破碎，從而可節(jié)省節(jié)塊工作層材料。
非勻質(zhì)夾層齒示意圖可減小齒側(cè)摩擦接觸面積的齒型還有“L”型齒、階梯型齒、側(cè)面開(kāi)槽齒等美國(guó)NED公司、日本大阪金剛石公司、德國(guó)WihelmLeiritz公司等已將這些齒形運(yùn)用于Ø1000～5000 mm的大直徑鋸片上。對(duì)于小直徑鋸片，則可采用圖12所示的螺旋齒型，該類齒型有利于冷卻介質(zhì)的導(dǎo)入，節(jié)塊切入切出長(zhǎng)度的漸變可減緩其所受沖擊力。該方法成功應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵是合理選用螺旋角、齒形以及冷壓成型工藝的控制。
4） 為增加冷卻槽的密度，而又不至于因鋼基體水槽過(guò)多而造成鋸片剛性不足，可采用多重細(xì)齒節(jié)塊。該節(jié)塊外緣層齒槽比內(nèi)層齒槽略低，當(dāng)外層齒磨耗完后，內(nèi)層齒又可如新齒一樣進(jìn)行切削。由于齒長(zhǎng)度縮短及分層，可達(dá)到改善摩擦冷卻條件、避免鋸齒打滑、增加鋸片鋒利性和切割平穩(wěn)性、充分利用刀具材料的效果，該效果與國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的“節(jié)塊長(zhǎng)度越小，則鋸片切削時(shí)的功率總消耗量越小”的結(jié)論一致。但此類節(jié)塊需采用冷壓成型制作，會(huì)增加模具制作成本和焊接難度。
3 結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)國(guó)內(nèi)外各種防側(cè)面磨損、防應(yīng)力變形、改善冷卻性能的鋸片結(jié)構(gòu)基體及鋸齒結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、生產(chǎn)價(jià)值、存在問(wèn)題等進(jìn)行了綜合介紹。在后續(xù)文章中，還將對(duì)干切削、抗沖擊、低噪音鋸片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生產(chǎn)價(jià)值及存在問(wèn)題進(jìn)行分析和討論，并將提出在研究鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)時(shí)所涉及的技術(shù)問(wèn)題及相應(yīng)的理論方法。
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