環(huán)形金剛石線鋸切割大理石試驗(yàn)研究①

劉 瑩，王進(jìn)保，陳超，呂智﹡

（1.桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，廣西 桂林 541004）

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)環(huán)形電鍍金剛石線鋸的研究報(bào)道較少。1993年日本進(jìn)行了環(huán)形電鍍金剛石線鋸的研究，并提出了如何把鋼絲基體焊接成環(huán)形的方法［1］。Well Diamond Wire saws公司研制的環(huán)形電鍍金剛石線鋸，其鋸切線速度可達(dá)20m／s［2］。高偉、劉鎮(zhèn)昌等人［3］采取復(fù)合電鍍的方法用Φ0.8mm的65Mn鋼絲作基體材料研制了環(huán)形電鍍金剛石線鋸，并在自制的試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行花崗巖鋸切。孟劍鋒［4］通過(guò)進(jìn)口環(huán)形電鍍金剛石線鋸加工單晶硅和LT55陶瓷的試驗(yàn)，建立了切片表面粗糙度Ra模型，提出改善切片表面粗糙度的措施，同時(shí)還提出減小鋸絲磨損的措施。賀東溥［5］對(duì)環(huán)形電鍍金剛石線鋸切割SiC的加工質(zhì)量進(jìn)行了研究，分析了鋸切工藝參數(shù)對(duì)SiC表面粗糙度和表面形貌的影響規(guī)律。總之，環(huán)形電鍍金剛石線鋸具有鋸切表面質(zhì)量好，鋸切效率高，切縫窄，鋸切力小，污染小等優(yōu)良特性，尤其適合貴重硬脆材料的切割加工。本文采用Φ0.5mm的不銹鋼絲作為基體材料，通過(guò)電鍍的方法研制出環(huán)形金剛石線鋸，并在自制的試驗(yàn)設(shè)備上對(duì)大理石進(jìn)行了切割。試驗(yàn)表明：工件表面粗糙度隨鋸絲速度增加和進(jìn)給速度的減小而降低，隨鋸絲張緊力的增加先降低后增大。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用的天然大理石工件尺寸為120mm×120mm×400mm，邵氏硬度為36.4～44.2，使用自制的環(huán)形電鍍金剛石線鋸切割，切片厚度為2mm。環(huán)形金剛石線鋸鋸絲以直徑Φ0.5mm的不銹鋼絲為基體材料，金剛石磨粒大小為120～140目，線鋸直徑約0.75mm，鋸絲最大張緊力為150N。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)設(shè)備是自制的環(huán)形金剛石線鋸切割機(jī)床，鋸切線速度最高可達(dá)50m／s，進(jìn)給速度可達(dá)20mm／min，但是受工作條件及精度的限制，切割穩(wěn)定線速度在30m／s，進(jìn)給速度可達(dá)15mm／min。

2.2 試驗(yàn)方案

影響大理石表面粗糙度Ra的鋸切工藝參數(shù)有鋸絲線速度、工件進(jìn)給速度、鋸絲張緊力三個(gè)因素。為了得到切片表面粗糙度最優(yōu)時(shí)的工藝參數(shù)，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，取鋸絲線速度、工件進(jìn)給速度、鋸絲張緊力3個(gè)因素，每個(gè)因素水平都為3，見(jiàn)表1。

表1 鋸切工藝參數(shù)因素及水平表Table 1 The factors and levels of cutting process parameters

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2是鋸切工藝參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表。表中的大理石表面粗糙度Ra值是用時(shí)代公司生產(chǎn)的TR200手持式粗糙度儀測(cè)量的。K1、K2、K3分別表示各因素1、2、3水平所對(duì)應(yīng)的大理石表面粗糙度測(cè)量值之和，分別表示各因素1、2、3水平所對(duì)應(yīng)的大理石表面粗糙度測(cè)量值的平均值，Rj表示極差值。

表2 鋸切工藝參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表：L9（33）Table 2 The orthogonal experiment design of cutting process parameters：L9（33）

從表中可以看出：R2﹥R1﹥R3三個(gè)參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量都有不同程度的影響，其中工件進(jìn)給速度對(duì)大理石表面粗糙度的影響最大，鋸絲線速度對(duì)大理石表面粗糙度的影響次之，鋸絲張緊力對(duì)大理石表面粗糙度的影響再次之。為了進(jìn)一步確定鋸切大理石表面粗糙度的最優(yōu)工藝參數(shù)，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分別做出了鋸絲線速度、工件進(jìn)給速度和鋸絲張緊力對(duì)大理石表面粗糙度的影響，如圖1、圖2和圖3。

圖1 線速度對(duì)表面粗糙度影響Fig.1 Influence of linear velocity on surface roughness

圖2 進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響Fig.2 Influence of feeding speed on surface roughness

圖3 張緊力對(duì)表面粗糙度的影響Fig.3 Influence of the tension on surface roughness

由圖1可以看出：隨著鋸絲線速度的增大，大理石表面粗糙度值減小。這是因?yàn)殇徑z速度增加使得單個(gè)磨粒的切削深度減小，這樣單個(gè)磨粒的材料去除率減小，表面質(zhì)量得到改善。但是隨著線速度的增大，鋸絲振動(dòng)也越來(lái)越大，當(dāng)線速度超過(guò)30m／s時(shí)，工件處鋸絲振幅約為0.3mm，張緊輪處鋸絲振幅約為0.5mm，顯然對(duì)鋸絲的工作壽命造成一定程度的影響。

從圖2的曲線可以看出：隨著工件進(jìn)給速度的增大，大理石表面粗糙度值增加。造成這一現(xiàn)象的原因是工件進(jìn)給速度的增大使得鋸絲與工件之間的作用力增大，這樣就增加了單個(gè)磨粒的切削深度，表面質(zhì)量降低。

從圖3中得知：隨著鋸絲張緊力的增加，大理石表面粗糙度先降低后升高。增加鋸絲張緊力，有利于減小鋸絲的振動(dòng)，降低表面粗糙度值。當(dāng)張緊力超過(guò)100N時(shí)，鋸絲與工件間的應(yīng)力增大，使得單個(gè)磨粒的切削深度增加，又加上鋸絲磨損也較快，磨損和脫落的金剛石顆粒隨機(jī)械沖擊力被壓入到工件表面，大理石表面粗糙度又開(kāi)始增加。所以調(diào)節(jié)張緊力時(shí)要留有一定的余度，不要過(guò)緊。

根據(jù)上述分析，用環(huán)形電鍍金剛石線鋸鋸切大理石時(shí)，要獲得較好的表面粗糙度，又要得到較高的切割效率，在本試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，工件進(jìn)給速度為10mm／min，鋸絲線速度為 30m／s，鋸絲張緊力為100N是最好的切割工藝。

4 金剛石鋸絲磨損分析

鋸絲的磨損包括磨粒磨損和鍍層磨損兩方面。為了鋸絲制作工藝的進(jìn)一步改進(jìn)，降低鋸絲的磨損，延長(zhǎng)鋸絲的使用壽命，必須弄清鋸絲的磨損機(jī)理。借助JSM－6380LV掃描電子顯微鏡（SEM）觀察切割后鋸絲的磨損情況。圖4是環(huán)形電鍍金剛石線鋸使用前和使用后SEM圖。

4.1 金剛石磨粒磨損

鋸絲鋸切過(guò)程中，磨粒與材料表面接觸，不斷受到工件和切屑對(duì)它的沖擊、摩擦以及鋸絲引起的熱沖擊作用，使金剛石磨粒不可避免地出現(xiàn)磨損、破碎和脫落。磨粒磨損可分為磨粒局部破碎、局部折斷、磨平、整體破碎和磨粒脫落等形式。磨粒局部破碎使金剛石磨粒產(chǎn)生新的切削刃，提高了金剛石線鋸的切削能力，屬正常磨損。隨著切割過(guò)程的進(jìn)行，磨粒受工件和切屑對(duì)它的沖擊、摩擦以及鋸絲引起的熱沖擊作用影響越來(lái)越大，金剛石磨粒被磨平或整體破碎，有效切削刃的數(shù)量越來(lái)越少，線鋸的切削能力隨之下降，可見(jiàn)它們屬于有害的磨損形式。

圖4 環(huán)形電鍍金剛石線鋸使用前和使用后SEM圖Fig.4 SEM images of the endless electroplated diamond wire saw before and after using

鋸絲在使用一段時(shí)間后出現(xiàn)磨粒脫落（圖4b）現(xiàn)象，這往往是由于金剛石磨粒在摩擦和沖擊作用并加上鍍層把持力降低的情況下從基體上直接脫落的。

4.2 鍍層的磨損

鍍層是把金剛石磨粒固結(jié)在鋼絲基體上的媒介，所以鍍層對(duì)磨粒的把持力是非常重要的。鍍層的磨損（圖4b）會(huì)降低對(duì)磨粒的把持力，造成磨粒的脫落，縮短鋸絲的使用壽命，鍍層的磨損主要發(fā)生在磨損的后期，它的表現(xiàn)形式為鍍層局部與完全脫落、鍍層裂紋和磨損。在鋸絲磨損的初期，主要是金剛石磨粒的脫落和破碎，隨著磨損的加劇，鍍層也開(kāi)始受到工件材料的直接摩擦。由于鍍層的硬度較低，鍍層急劇磨損，這就降低了它對(duì)磨粒的把持力，使磨粒迅速脫落，鋸絲整體進(jìn)入急劇磨損階段，此時(shí)線鋸失去切割能力。

4.3 減少鋸絲磨損措施

鋸絲的主要磨損形式是磨粒的脫落，要想減少鋸絲磨損，延長(zhǎng)鋸絲的使用壽命，應(yīng)采取以下措施：（1）增加鍍層的強(qiáng)度，提高鍍層對(duì)金剛石磨粒的把持力，減少鋸絲磨損。（2）在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下盡可能提高機(jī)床的精度，以減小鋸絲的振動(dòng)，延長(zhǎng)鋸絲使用壽命。（3）在切割工藝參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)一步提高鋸絲線速度，因?yàn)殡S著線速度增大，鋸切力減小，鋸絲磨損也減少。

5 結(jié)論

通過(guò)正交試驗(yàn)，利用環(huán)形電鍍金剛石線鋸對(duì)大理石進(jìn)行了切割，并詳細(xì)分析了鋸切線速度、工件進(jìn)給速度和鋸絲張緊力等鋸切工藝參數(shù)對(duì)大理石表面粗糙度的影響，得出如下結(jié)論：

（1）工件進(jìn)給速度對(duì)大理石表面粗糙度的影響最大，隨著工件進(jìn)給速度的增大，大理石表面粗糙度值增加。同時(shí)進(jìn)給速度還影響大理石的鋸切效率，兩者兼顧，最優(yōu)工件進(jìn)給速度取10mm／min。

（2）鋸絲線速度對(duì)大理石表面粗糙度的影響沒(méi)有工件進(jìn)給速度的影響大，隨著線速度的增大，大理石表面粗糙度值減小。但是隨著線速度的增大，鋸絲振動(dòng)也越來(lái)越大，影響了線鋸的工作壽命?？紤]到線速度對(duì)大理石表面粗糙度的影響不是最大的，所以最優(yōu)鋸絲線速度取30m／s。

（3）鋸絲張緊力對(duì)大理石表面粗糙度的影響最小，隨著鋸絲張緊力的增加，大理石表面粗糙度先降低后升高。鋸絲張緊力為100N，大理石表面粗糙度最好。

（4）鋸絲的磨損機(jī)理是磨粒的脫落，要想減少磨粒的脫落，必須提高鍍層的把持力，減小鋸絲的振動(dòng)和提高鋸絲線速度，從而減少鋸絲磨損，延長(zhǎng)鋸絲的使用壽命。

［1］1Kao et al.Wafer Slicing and Wire Saw Manufacturing Technology［J］.The NSF Grantees Conference.1997.

［2］http：／／www.well diamond wire saws.com.

［3］高偉，劉鎮(zhèn)昌.用復(fù)合電鍍法制造環(huán)形電鍍金剛石線鋸［J］.金剛石與磨料磨具工程.2004（2）：48－51.

［4］孟劍峰.環(huán)形電鍍金剛石線鋸加工技術(shù)及加工質(zhì)量研究［D］.山東大學(xué)博士論文.2006，9.

［5］賀東溥.金剛石線鋸切割SiC的加工質(zhì)量研究［D］.山東大學(xué)碩士學(xué)位論文.2010，5.