Φ3.5mm金剛石串珠繩的鋸切工藝研究

陳家榮，林 峰，肖樂銀，謝德龍，潘曉毅，莫培程，陳 超

(1.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)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(shù)研究中心，廣西 桂林 541004；3.廣西超硬材料研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

1 引言

金剛石串珠繩自研發(fā)應(yīng)用以來經(jīng)歷了不斷的革新變化，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展[1]。其已經(jīng)從剛剛開始的礦山開采[2]應(yīng)用到各種建筑[3]、船舶[4]及水底物體[5]的鋸切再到超薄花崗巖和大理石大板鋸切及異形面板材加工，使其在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6,7]。在超薄花崗巖和大理石大板生產(chǎn)中，過去主要的方法是先使用框架金剛石排鋸或圓盤鋸組鋸將石材荒料切割成20mm厚的毛板，再使用大型圓鋸片或金剛石帶鋸剖切石板成為兩塊4～8mm的超薄板[8,9]。采用金剛石圓鋸片切割是目前最主要切割方式，為了滿足超薄石材的批量加工要求，市場上新研制出多組鋸片切割設(shè)備，是將20mm的厚板立起、夾緊，將圓鋸片組合起來進(jìn)行切割，最薄切割8mm的薄片尺寸600mm×600mm，切縫5～10mm，不過，圓鋸片加工尺寸受到約束，最大不超過它的半徑，隨著半徑增大鋸片厚度也增大[10,11]。而隨著市場需求，石材是朝著更薄更大尺寸的方向發(fā)展，這兩種切割設(shè)備因此難以滿足市場的發(fā)展需求。而現(xiàn)有的如圖1A和圖1C所示的無壓燒結(jié)的金剛石串珠，其直徑分別為11.5mm和6.5mm，圖1B所示電鍍金剛石串珠其直徑為11.0mm，上述金剛石串珠制備的金剛石串珠繩鋸切加工時(shí)切縫大，石材成材率低，石材資源得不到充分利用，而且由于現(xiàn)有金剛石繩鋸比較粗，鋸切加工時(shí)耗能大，噪音大，廢渣排放量也大，加重了環(huán)境污染[12]。所以只有小直徑金剛石串珠繩鋸可以滿足超薄石板的加工需求[13]。目前，關(guān)于Φ3.5mm的金剛石串珠繩使用的工藝方法鮮有報(bào)道，而Φ3.5mm的金剛石串珠繩適合哪種類型的繩鋸機(jī)使用也尚未發(fā)現(xiàn)報(bào)道，Φ3.5mm小直徑金剛石繩鋸的應(yīng)用中不僅要把金剛石串珠繩直徑做小而且要將其與設(shè)備充分結(jié)合，使其應(yīng)用達(dá)到最優(yōu)以節(jié)省石材加工成本。因此，選擇適合的設(shè)備并開發(fā)使用工藝對小直徑金剛石繩鋸應(yīng)用于切割大尺寸超薄板更具有重大意義。

本文主要研究了小直徑金剛石繩鋸的制作工藝以及其在不同設(shè)備上應(yīng)用的概況，并用其切割了花崗巖和大理石，分析了小直徑金剛石繩鋸上的金剛石的拋光機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

2.1 材料及設(shè)備

桂林平樂開采的花崗巖石材一批，桂林大理石一批；加工完好的串珠基體一批，電鍍藥品若干，高強(qiáng)度柔性不銹鋼鋼絲直徑1.5mm規(guī)格1×7 SUS304一批，直流電源一臺，電鍍槽兩個(gè)；3.5m閉環(huán)線鋸機(jī)一臺，6.8m閉環(huán)線鋸機(jī)一臺，龍門吊一臺，super eyes 數(shù)碼顯微鏡一臺。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

由于串珠繩的制作工藝比較多樣化，本文選擇了傳統(tǒng)的制作方法，在具備柱形面的金剛石串珠基體上電鍍鎳與金剛石的復(fù)合鍍層制備得到小直徑金剛石串珠，串珠內(nèi)孔直徑為1.7mm，外直徑3.5mm，如圖1D所示，串珠套入直徑1.5mm的閉環(huán)鋼絲繩，使用聚氨酯(TPU)注塑得到小直徑金剛石串珠繩，圖2是環(huán)形小直徑金剛石串珠繩的光學(xué)照片。小直徑金剛石串珠繩長度可根據(jù)設(shè)備的需要制成3.5m和6.8m兩個(gè)規(guī)格的長度以適應(yīng)設(shè)備使用。小直徑金剛石串珠繩切割石材時(shí)的線速度可以通過控制設(shè)備主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度實(shí)現(xiàn)。由于小直徑金剛石串珠繩在使用過程中會受到不同設(shè)備結(jié)構(gòu)的影響而遭受損傷或者金剛石被拋光而失去切割效率甚至失去切割能力，因此在切割中采用了兩種不同結(jié)構(gòu)的金剛石繩鋸機(jī)測試使用效果，圖3A為側(cè)進(jìn)料式繩鋸機(jī)示意圖，圖3B為龍門式繩鋸機(jī)示意圖。通過控制水流觀察切割效果，通過記錄繩子的彎曲情況了解小直徑金剛石串珠繩的切割能力，通過光學(xué)數(shù)碼相機(jī)記錄注塑的塑膠的磨損情況以及被加工材料的表面形態(tài)以及通過光學(xué)顯微鏡觀察金剛石被石材拋光的情況。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 設(shè)備對金剛石線鋸的影響

兩種不同的繩鋸機(jī)鋸切花崗巖時(shí)會受到線速度與給水量的影響，在線速度30m/s時(shí)改變給水量測試切割效果，在給水量1L/min時(shí)改變線速度測試兩種不同結(jié)構(gòu)的設(shè)備的切割效果并記錄了現(xiàn)象。

圖1 金剛石串珠光學(xué)照片F(xiàn)ig.1 Optical photograph of Diamond BeadsA.直徑11.5mm金剛石串珠 B.直徑11.0mm金剛石串珠 C.直徑6.5mm金剛石串珠 D.直徑3.5mm金剛石串珠

圖2 環(huán)形小直徑金剛石串珠繩光學(xué)照片F(xiàn)ig.2 Optical photograph of diamond wires in ring shape

圖3 金剛石串珠繩切割石材示意圖Fig.3 Schematic diagram of diamond string cutting stonesA.側(cè)進(jìn)料式繩鋸機(jī) B.龍門式繩鋸機(jī)

表1 線速度30m/s給水量對切割狀態(tài)的影響

表2 給水量1L/min線速度對切割狀態(tài)的影響

表1與表2數(shù)據(jù)顯示，給水量1L/min時(shí)側(cè)進(jìn)料式繩鋸機(jī)繩子出口在出水霧的同時(shí)還會飄出少量的灰塵，當(dāng)水量提升到4L/min時(shí)繩子出口不再飄灰塵。通過觀察并分析，其主要原因是側(cè)進(jìn)料式繩鋸機(jī)水流受到高速運(yùn)行的串珠繩產(chǎn)生的氣流影響致使繩子出口端水流不足及切割過程繩子彎曲水到達(dá)出口下端不足而產(chǎn)生灰塵，圖4A是側(cè)進(jìn)料式繩鋸機(jī)切割過程示意圖，繩子下端的出水口存在澆水死角，只有加大水量才能使死角得到潤濕。注塑用的聚氨酯TPU表面也由于下端出口水量不足而發(fā)熱進(jìn)而導(dǎo)致皮熔化并黏連切削發(fā)黑；同時(shí)由于金剛石串珠發(fā)熱，繩子上的金剛石串珠與聚氨酯界面結(jié)合力降低并裂開進(jìn)水及滲入切削，使得鋼絲繩產(chǎn)生自磨損而發(fā)黑，水流量加大后繩子出口端水流得到補(bǔ)充，潤濕條件達(dá)到要求，繩子保持良好。龍門式繩鋸機(jī)在使用過程中用水量少，且容易控制，因?yàn)槠涓淖兞怂鞯姆绞?，水從線速度進(jìn)口方向進(jìn)入，被繩子的串珠及氣流帶起一部分，最后由于重力作用又回到了切口繼續(xù)潤濕切割位置，因此給水量雖小但其潤濕效果良好。龍門式繩鋸機(jī)金剛石繩鋸?fù)庥^整體保持良好，注塑用的聚氨酯TPU保持干凈透明。

圖4 切割過程示意圖Fig.4 The cutting process diagramA.側(cè)進(jìn)料式繩鋸機(jī) B.龍門式繩鋸機(jī)

3.2 切割面積與小直徑金剛石線鋸彎曲角的關(guān)系

小直徑金剛石線鋸彎曲角是其離開原始位置的角度，在切割花崗巖或大理石的過程中進(jìn)給速度保持不變時(shí)，小直徑金剛石線鋸保持一定彎曲角。圖5為小直徑金剛石線鋸切割花崗巖時(shí)的彎曲角隨切割面積的變化曲線。圖6為小直徑金剛石線鋸切割大理石時(shí)的彎曲角隨切割面積的變化曲線。曲線基本表現(xiàn)為金剛石繩鋸切割石材的量越大其彎曲角度就越大。隨著切割量的增加金剛石鋒利度會下降，受金剛石鋒利度下降的影響，小直徑金剛石線鋸彎曲角會越來越大甚至?xí)稊嗬K鋸。一開始由于龍門式繩鋸機(jī)繩子的跨度大，繩子受力的杠桿長度大其表現(xiàn)出比較大的彎曲角，后面的曲線由于側(cè)進(jìn)料式繩鋸機(jī)的繩鋸金剛石破損或者被拋光，鋒利度下降繩子磨損相對較快，其金剛石串珠繩的彎曲角度比龍門式繩鋸機(jī)的大。

圖5 彎曲角度與花崗巖面積的曲線Fig.5 The Curve of bending of angles and granite areasA.側(cè)進(jìn)料式繩鋸機(jī) B.龍門式繩鋸機(jī)

圖6 彎曲角度與大理石面積的曲線Fig.6 The curve of bending angles and marble areasA.側(cè)進(jìn)料式繩鋸機(jī) B.龍門式繩鋸機(jī)

圖5A為側(cè)進(jìn)料式金剛石繩鋸機(jī)測試曲線，其彎曲較快主要是因?yàn)槠涫褂玫氖?.5m小直徑金剛石串珠繩，而圖5B所示的是龍門式金剛石串珠繩使用的6.8m串珠繩，而且切割的花崗巖使小直徑金剛石串珠相對損耗較快，所以切割過程中其彎曲角偏大的變化率大。圖6所示為小直徑金剛石線鋸切割大理石的測試，相比于圖5所示切割花崗巖，小直徑金剛石串珠繩達(dá)到最大允許彎曲角前切割大理石的面積是切割花崗巖面積的三倍。

3.3 金剛石被拋光失效

金剛石失效有多種方式，其中最為常見的是金剛石破碎[z]和金剛石被拋光，金剛石被拋光的測試過程中為防止由于澆水不當(dāng)而干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用了澆水較容易的龍門式繩鋸機(jī)進(jìn)行測試。金剛石晶體結(jié)構(gòu)中的主要晶面有(100)、(110)和(111)，(111)面為金剛石解理面。對金剛石拋光加工的理論主要是通過研究八面體金剛石(111)、(001)和(011)面的拋光而提出的[14]。而本實(shí)驗(yàn)中是金剛石被拋光，被拋光的位置是金剛石(111)、(001)和(011)三個(gè)面組成的角。圖7為小直徑金剛石線鋸上的串珠的數(shù)碼電子顯微圖，圖7A為未使用過的串珠，圖7B、C、D、E、F為不同線速度的小直徑金剛石線鋸切割1m2花崗巖后其串珠表面的數(shù)碼電子顯微圖。圖7B的線速度為25m/s，金剛石的邊緣棱角出現(xiàn)了倒角，棱角和棱邊出現(xiàn)了少量的磨損，棱邊反光，說明其已經(jīng)開始被拋光。對比B 25m/s、C 30m/s、D 35m/s、E 40m/s、F 45m/s的不同速度，我們發(fā)現(xiàn)隨著線速度加快金剛石被拋光是越來越嚴(yán)重的，其中速度達(dá)到40m/s后金剛石被拋光特別明顯，說明Φ3.5mm金剛石繩鋸使用過程中不適合使用超過40m/s的線速度。

40 m/s的線速度使得金剛石更加容易被拋光，從而失去切割作用，40 m/s以上的線速度也會使得繩子發(fā)出共振的聲音，造成繩子從設(shè)備上脫落，切出的石材板面有繩痕。

4 結(jié)論

Φ3.5mm金剛石串珠繩可以在龍門式繩鋸機(jī)上使用也可以在側(cè)進(jìn)式繩鋸機(jī)上使用。其中在龍門式繩鋸機(jī)上使用其切割工藝更好控制，進(jìn)水量更少，更節(jié)約水資源。

Φ3.5mm小直徑金剛石繩鋸切割大理石的面積可以達(dá)到其切割花崗巖面積的三倍。

圖7 不同速度下使用的金剛石串珠表面Fig.7A.未使用 B.25m/s C.30m/s D.35m/s E.40m/s F.45m/s

Φ3.5mm小直徑金剛石串珠繩使用過程中會出現(xiàn)金剛石被拋光的現(xiàn)象，在線速度提高到40m/s時(shí)其被拋光是最嚴(yán)重的，有效切割的金剛石邊角被磨圓拋光。