花崗巖外形對電鍍金剛石線鋸的磨損研究*

陳家榮，林 峰，陳 超，肖樂銀，秦建新，彭少波，謝德龍，潘曉毅

(1.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司，廣西 桂林 541004； 2.國家特種礦物材料工程技術研究中心，廣西 桂林 541004； 3.廣西超硬材料研究開發(fā)重點實驗室，廣西 桂林 541004)

花崗巖外形對電鍍金剛石線鋸的磨損研究*

陳家榮，林 峰，陳 超，肖樂銀，秦建新，彭少波，謝德龍，潘曉毅

(1.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司，廣西 桂林 541004； 2.國家特種礦物材料工程技術研究中心，廣西 桂林 541004； 3.廣西超硬材料研究開發(fā)重點實驗室，廣西 桂林 541004)

文章主要研究了花崗巖外形對電鍍金剛石線鋸的磨損影響，采用了不同規(guī)格的金剛石線鋸切割花崗巖以檢驗使用壽命，通過掃描電子顯微鏡觀察了電鍍金剛石線鋸的受損情況。大量實驗分析了切割花崗巖過程中金剛石線鋸的磨損因素和機理，并指出了延長線鋸使用壽命的方法。

電鍍金剛石線鋸；磨損；花崗巖

1 引言

隨著科學技術的發(fā)展，特別是貴重單晶材料的人工合成及生產的擴大和其他大尺寸硬質材料的廣泛應用，人們對大尺寸材料的切割提出了新要求，既要達到高效切割目的又要實現被切割工件切口的最小損失[1,2]。大直徑圓鋸片由于其切割加工時切口損失較大，已經不能適用于大尺寸的單晶硅，藍寶石和貴重石材等的切割[3-5]。金剛石線鋸的應用實現了高效率、低消耗要求以及對大尺寸材料的切割目的[6]。金剛石線鋸是用固結劑將金剛石磨料固結在金屬絲上制成的一種線性超硬材料切割工具[1]。金剛石線鋸主要分為兩大類型，分別為樹脂粘合金剛石線鋸和電鍍復合金剛石線鋸[7,8]。電鍍金剛石線鋸以其涂層結合力牢固及其使用壽命長而被廣泛應用[9,10]。電鍍金剛石線鋸直徑小、能耗低、切縫小、平整性好及對切割貴重的人工晶體具有非常好的適應性等特點而迅速占領了貴重材料切割市場[11,12]。為了滿足市場要求，不同規(guī)格的電鍍金剛石線鋸應運而生。然而，早期的電鍍金剛石線鋸在使用過程中會出現金剛石破損、金剛石鍍層剝落、鋼絲斷裂等缺陷，這阻礙了其在工業(yè)化大生產中的進一步推廣應用。因此電鍍金剛石線鋸還需做大量的改進及性能測試。對于電鍍金剛石線鋸的改進從來就沒停止過，同時對于電鍍金剛石線鋸的性能測試以往常常是直接去切割貴重材料[13,14]。然而，人造晶體和天然寶石屬于貴重材料，直接用于測試電鍍金剛石線鋸會大大增加其研發(fā)成本，因此自然界存在的質地堅硬、價格便宜的花崗巖就成了測試電鍍金鋼石線鋸的首選材料[15]。電鍍金剛石線鋸測試過程經常會出現一些異常情況，同種工藝下的電鍍金剛石線鋸測試時很大一部分會出現突然損壞，為了避免這種情況的出現，一是要穩(wěn)定制備電鍍金剛石線鋸的工藝，二是要穩(wěn)定電鍍金剛石線鋸在測試時被切割材料的一致性。然而電鍍金剛石線鋸使用過程中受到被切割材料外形影響的尚未見報道。

本文主要研究電鍍金剛石線鋸應用于切割花崗巖時其遭受磨損的影響因素，分別使用了不同粗細的電鍍金剛石線鋸去切割具有不同角度外立面的花崗巖，并分析了電鍍金剛石線鋸的失效機理。

2 實驗材料、設備及方法

2.1 材料及設備

同一個采石場開采出來的花崗巖石材一批；直徑分別為0.7mm、1.0mm、1.3mm、1.6mm、1.9mm連續(xù)分別鍍層閉環(huán)金剛石線鋸一批，規(guī)格3.5m；中型圓鋸片切割機一臺，取芯車床一臺，配用3.5m閉環(huán)線鋸機一臺，場發(fā)射掃描電子顯微鏡一臺。

2.2 實驗方法

由于電鍍金剛石線鋸在使用過程中會受到被切割物不同外形的影響而遭受損傷，所以在切割過程中對被切割物件的外觀形狀有要求。將市場上采購的同種類型的花崗巖用中型圓鋸片切割機加工成具有不同坡度的梯形和用取芯車床加工成圓柱形(Φ5cm)備用，使用電鍍金剛石線鋸對具有不同外立面的花崗巖材料進行切割實驗，線速度為35m/s，進給速度為20mm/s，同時噴水降溫。掃描電子顯微鏡觀察電鍍金剛石線鋸的受損情況。

3 實驗結果與討論

3.1 不同坡度進刀對金剛石線鋸的影響。

圖1所示為對具有不同切割角度(α)的花崗巖進行切割的示意圖。由于小直徑電鍍金剛石線鋸對花崗巖的切割能力有限，金剛石線鋸的切割測試直到其不具備切割能力為止，計算切割面積，每種切割角度測試10根直徑為0.7mm的電鍍金剛石線鋸，求平均值。

圖1 金剛石線鋸切割花崗巖示意圖Fig1 Schematic diagram of diamond wire saw cutting granite

坡度角α30°50°70°90°110°130°150°切割面積(dm2)41.240.139.940.533.526.822.6

由表1可知切割角度α小于90°時，電鍍金剛石線鋸切割花崗巖的切割壽命在39.9～41.2dm2的狹小范圍內。其可認為是切割角度α在30～90°時花崗巖的形狀對電鍍金剛石線鋸切割的影響不大。當切割角度α越過90°時電鍍金剛石線鋸的切割壽命就會大幅降低。造成電鍍金剛石線鋸切割壽命下降的原因是線鋸始終保持著一定的彎曲度去擠壓花崗巖。當線鋸處于切割體狀態(tài)的部分與花崗巖切割角度大于90°時，就會出現很薄的花崗巖與電鍍金剛石線鋸的接觸位，而花崗巖具有硬脆性，這個位置的花崗巖在線鋸的擠壓下容易向外崩離破損，此時會在線鋸與花崗巖之間留下一個很堅固的陡坡面，這個堅固的陡坡面像一把刀在不斷切削及碰撞金剛石線鋸表面的金剛石根部和鍍層，致使金剛石破損加快及粘合層剝落，從而使線鋸不具備切割能力而損壞。本實驗很容易觀察到這種具備薄弱位切割角度的花崗巖石材被金剛石線鋸擠壓時容易被擠破同時留下陡坡面并碰撞損傷電鍍金剛石線鋸。

圖2展示的是電鍍金剛石線鋸在花崗巖切割角度α為50°和130°下使用并切割了相同面積的花崗巖20.0dm2后的SEM圖，圖2a所示金剛石線鋸表面剩余大量金剛石而且分布均勻，而圖2b所示金剛石線鋸表面出現了大量的金剛石脫落而且鍍層出現褶皺處于嚴重損壞狀態(tài)，這說明切割角度α大于90°時呈現出的陡坡面使圖2b所示電鍍金剛石線鋸金剛石在剝落的同時還損壞了鍍層的結合劑。

3.2 不同直徑的電鍍金剛石線鋸切割花崗巖

電鍍金剛石線鋸切割花崗巖的影響因素與金剛石線鋸類型也有一定的關系，實驗選用了不同直徑大小的金剛石線鋸去切割花崗巖以檢驗切割角度α對電鍍金剛石線鋸壽命的影響。分別使用了1.0mm、1.3mm、1.6mm、1.9mm的連續(xù)鍍層閉環(huán)金剛石線鋸。

由表2可知，α為50°時電鍍金剛石線鋸越粗切割面積越大，α為130°時也顯示出隨著電鍍金剛石線鋸越粗切割面積越大的趨勢。然而兩個不同的切割角度都顯示出很大的差異，切割角度α小于90°和大于90°切割面積有明顯的相距。說明了花崗巖外立面形狀對電鍍金剛石線鋸壽命影響極大因而不可忽略。

3.3 電鍍金剛石切割自轉圓柱面花崗巖

為了避免花崗巖與電鍍金剛石線鋸的接觸點出現薄弱位置，研究者設計了避開薄弱位置切割的方法，將旋轉工作臺固定在線鋸機的萬向臺上，旋轉工作臺夾持圓柱狀花崗巖進行旋轉切割。

表3 不同直徑金剛石線鋸切割柱形花崗巖的面積

對比表1、表2和表3可知金剛石線鋸對花崗巖的切割受花崗巖本身形狀影響非常大，主要原因是平行推進的切割方法會遭遇花崗巖外表面邊界切削力而損壞金剛石線鋸。當不存在薄弱點時電鍍金剛石線鋸與花崗巖正常磨切而延長了壽命，說明電鍍金剛石線鋸的使用應該考慮事先加工整平被切物體，同時選擇切割角度小于90°的面進行切割。為延長金剛石線鋸的使用壽命可以邊旋轉被切物體邊切割。

在花崗巖自旋轉切割過程中由于被切割位置與電鍍金剛石線鋸為幾何形式的相切關系，金剛石在花崗巖表面的滑動磨切，使得其切割過程沒有像上述花崗巖具有角度的切割方式那樣使金剛石根部碰撞被切物體而損壞，幾何形式的相切使得容屑空間小的電鍍金剛石線鋸能快速排除切割出來的花崗巖碎屑。

根據金剛石工具設計原理[16]，砂輪正常切割條件下金剛石的吃入深度用方程式(1)及圖4所示砂輪磨削切割模型可以推導出電鍍金剛石線鋸金剛石吃入深度方程式。

(1)

式中T為吃入深度，U為進刀速度，Nc為單位唇面有效金剛石數量，vs線速度，γ切削底部半夾角，α切割深度，D工具直徑.

圖3 砂輪磨削切割模型Fig.3 Cutting model of grinding wheel

根據砂輪磨削切割模型，砂輪直徑增大時，γ角和β角變小，當砂輪直徑無窮大的時，砂輪的邊緣就無限接近為一條直線，這樣等效為一根電鍍金剛石線鋸，可以推導出電鍍金剛石線鋸中金剛石吃入深度方程式為(2)

(2)

由電鍍金剛石線鋸中金剛石吃入深度方程式(2)可以計算出理想情況下其切割花崗巖的吃入深度為0.433μm，然而金剛石顆粒大小為106μm，其正常的出刃高度為42μm。當出現碰撞切割時其吃入深度成倍增加甚至會達到42μm，碰撞切割時吃入深度是正常磨切的吃入深度的96.67倍。這樣的吃入深度遠遠大于正常切割時的數值，必然給電鍍金剛石線鋸造成不可估量的損壞。當存在碰撞切割時碰撞點出現了損傷，其損傷正是因為吃入深度太深，阻力太大造成了金剛石破裂，出刃高度降低，容屑空間減小，粉屑進入空隙將結合劑磨損進而使金剛石脫落。通過模型計算和上述實驗證明，碰撞切割會加速金剛石線鋸中金剛石鍍層的損壞，避免碰撞切割可以延長電鍍金剛石線鋸的使用壽命。

4 結論

(1)電鍍金剛石線鋸的使用壽命與花崗巖進給的切割角度有關，切割角度大于90°會加速電鍍金剛石線鋸的損毀。

(2)旋轉被切物體切割可以延長電鍍金剛石線鋸的使用壽命，柱形花崗巖被動旋轉切割可以有效減緩其對金剛石線鋸的損傷。

(3)在一定范圍內金剛石線鋸的直徑越大其使用壽命越長，即其對花崗巖的切割面積越大。

(4)模型計算和實驗證明碰撞切割會加速金剛石線鋸中金剛石鍍層的損壞，避免碰撞切割可以延長電鍍金剛石線鋸的使用壽命。

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Influencesofgraniteshapeonwearofelectroplateddiamondwiresaw

CHEN Jia-rong, LIN Feng, CHEN Chao, XIAO Le-yin, QIN Jian-xin, PENG Shao-bo, XIE De-long,PAN Xiao-yi

(1.ChinaNonferrousmetal(Guilin)GeologyandMiningCo.,Ltd.,Guilin541004,China;2.NationalSpecialMineralMaterialsEngineeringResearchCenter,Guilin541004,China;3.GuangxiKeyLaboratoryofSuperhardMaterialsResearchandDevelopment,Guilin541004,China)

This paper mainly studies the influence of granite shape on wear of electroplated diamond wire saw. Electroplated diamond wire saws with different specifications are used to cut the granite to test their service life. Scanning electron microscopy was also used to observe the damage of electroplated diamond wire saw. The wear factors and mechanism of the electroplated diamond wire saw in the process of cutting granite are analyzed by a large number of experiments, and the method of prolonging its service life is pointed out.

electroplated diamond wire saw, wear, granite

2017-09-04

陳家榮(1987-)男，碩士。主要從事線性金剛石工具開發(fā)及鈦合金表面處理研究。E-mail：chenjiarong32@163.com

陳家榮，林峰，陳超，等.花崗巖外形對電鍍金剛石線鋸的磨損研究[J].超硬材料工程，2017，29(5)：43-46.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0043-04