影響組合式金剛石鋸片的性能因素分析

楊 棟，陳治強(qiáng)，趙小超，武璽旺

(河南黃河旋風(fēng)股份有限公司,河南 長葛 461500)

組合式金剛石鋸片較之傳統(tǒng)的單片鋸加工具有加工效率高，勞動強(qiáng)度低，可加工大幅面石材的特點而日益得到廣泛的應(yīng)用，因此如何提高組合式金剛石鋸片的性能具有較大的現(xiàn)實意義[1]。目前市場上已經(jīng)成功開發(fā)了鐵基和銅基金剛石工具，代替了原來價格昂貴的鈷基金剛石工具。性能優(yōu)越的金剛石工具不僅僅是配方設(shè)計的問題，還要有制造工藝，工具應(yīng)用及應(yīng)用對象等諸多因素。但最終目的都是如何提高金剛石工具的切割效率及切割壽命[2]。

1 金剛石的選擇

合理地選擇金剛石是提高切割效率和降低成本的關(guān)鍵因素。金剛石的選擇包括金剛石強(qiáng)度、粒度以及濃度的選擇。

1.1 金剛石強(qiáng)度的選擇

金剛石強(qiáng)度的選擇主要根據(jù)切割對象來選擇。切割對象較硬的石材則選擇金剛石強(qiáng)度較高的，反之則選擇強(qiáng)度較低的。過高的強(qiáng)度會使金剛石不易破碎，磨粒在使用時被拋光，鋒利度下降。金剛石強(qiáng)度過低時，在受到?jīng)_擊時易破碎，難以達(dá)到切割的目的。根據(jù)目前收集到的有關(guān)市場上組合式金剛石工具所用的金剛石品種為MBD，相當(dāng)于黃河旋風(fēng)的HWD和HHD。一般采用相當(dāng)于黃河旋風(fēng)HWD20～HWD60強(qiáng)度級別的金剛石。

1.2 金剛石粒度的選擇

單一粗粒度的金剛石對提高金剛石工具鋒利度很明顯，但是工具的壽命相應(yīng)較低[3]。因此采用粗細(xì)粒度搭配使用可以使金剛石工具的綜合性能得到改善。根據(jù)目前市場組合式金剛石工具對金剛石廣泛應(yīng)用的經(jīng)驗，一般采用的粒度配比見表1。

表1 金剛石粒度配比Table 1 Mass ratio of diamond particles

1.3 金剛石濃度的選擇

在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)金剛石的濃度由低到高變化時，金剛石工具的鋒利度和切割效率逐漸下降，而使用壽命則逐漸增加；但濃度過高時，工具的綜合性能變差，工具變鈍[2]。采用合理的金剛石濃度可以提高金剛石工具的切割效率。對于三層或更多層金剛石工作層可采用中間層濃度稍低的方式，這樣在切割過程中刀頭會形成中間凹槽，有利于防止鋸片偏擺以及切割碎屑的排放，從而提高工具的切割效率和改善石材質(zhì)量[4,5]。根據(jù)目前市場組合式金剛石工具使用金剛石的經(jīng)驗，一般采用30%～36%的體積濃度。

2 節(jié)塊形狀及結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 節(jié)塊的外形結(jié)構(gòu)

目前市場上出現(xiàn)的金剛石刀頭外形結(jié)構(gòu)各不相同，見圖1。有長方形(圖1a)、楔形(圖1b)、“K”型或“M”型(圖1c)和鋸齒形刀頭(圖1d)等。

圖1 金剛石刀頭形狀結(jié)構(gòu)Fig.1 The outline of segment

長方形刀頭應(yīng)用比較廣泛，因為其模具簡單，裝模方便，但在切割過程中容易產(chǎn)生圓角或被磨成楔形而在切割后期磨損基體。楔形刀頭是將刀頭做成上寬下窄的形狀，為的是解決切割過程中的夾鋸問題，但在切割過程中石材的尺寸會發(fā)生變化，因此，這種形狀的刀頭對石材加工精度有不利的影響，不適合精度稍高的加工?！癒”型或“M”型刀頭目前在組合式金剛石工具中大量使用，能提高工具的開刃速度和組合鋸的工作效率。為提高排渣能力所開發(fā)的鋸齒形刀頭避免了刀頭的二次磨損，增強(qiáng)了刀頭的冷卻效果，提高了金剛石的利用率，但是這種刀頭的模具加工制造復(fù)雜且裝料、卸模困難，影響生產(chǎn)效率。

為了適應(yīng)不同的加工對象所開發(fā)的各種形狀的刀頭各有利弊。對于組合鋸，目前市場上以楔形和“K”型相結(jié)合的為主。比如福建萬龍金剛石工具有限公司以及江西眾利金剛石工具有限公司等生產(chǎn)的刀頭。

2.2 節(jié)塊的尺寸

刀頭的尺寸包括刀頭的長寬高，針對不同的加工對象調(diào)整這三個尺寸，可以有效提高工作效率，延長刀頭的壽命。

減小刀頭的長度，對于一定直徑的鋸片實際上增加了兩個刀頭之間的距離，增加了鋸片的撞擊力，同時也減少了參與工作的金剛石顆粒的數(shù)量，在一定程度上可以提高鋸片的鋒利度。但是如果一味減小刀頭的長度，增加結(jié)塊的距離，就會使得沖擊力過大，切機(jī)主電機(jī)電流增加，切削效率受到影響，降低切機(jī)壽命。目前市場以22～24mm的長度為主。

減小刀頭的寬度，可以有效地降低刀頭的工作載荷，提高鋸切效率，但刀頭寬度的減小受到基體厚度的限制，過小的刀頭寬度容易發(fā)生夾鋸現(xiàn)象。造成基體磨損。市場大部分采用的6～10mm的寬度。

增加刀頭的高度，鋸片的壽命增加，但是刀頭所受到的沖擊力增加，對刀頭的強(qiáng)度及刀頭與基體的焊接強(qiáng)度有了更高的要求，否則會出現(xiàn)崩邊和掉齒的情況。市場大部分采用10～15mm的高度。

2.3 夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為了提高工具的鋒利度，目前組合鋸大都采用夾層結(jié)構(gòu)，即刀頭中包括含金剛石層的工作層和不含金剛石層的夾層，二者交替排列。夾層結(jié)構(gòu)主要是在切削過程中不含金剛石層先于含有金剛石的工作層磨損，在刀頭上出現(xiàn)細(xì)小的溝槽，形成工作層的露出。一方面溝槽的出現(xiàn)有利于排屑及冷卻液的進(jìn)入，另一方面起多刃同時切削的作用，這會減小鋸片的震動[6]。

目前組合鋸的夾層層數(shù)一般為二到三層。夾層的厚度也影響刀頭的鋒利度，夾層越厚刀頭越鋒利。對于較軟石材，夾層過厚，所對應(yīng)的石材上所形成的巖脊過寬，相鄰兩個變形帶的交互影響小，巖脊內(nèi)部無法產(chǎn)生達(dá)到剪切破壞的應(yīng)力，不能順利破碎。同時夾層過大會使刀頭上形成過深的溝槽，在工作后期，工作層還有一定高度時，而夾層已被磨光碰到基體，刀頭就會無法使用。夾層過窄，工作層上的金剛石超出所需量，不利于金剛石的有效利用，同時所形成的溝槽較小，體現(xiàn)不了夾層優(yōu)勢。目前市場以0.8～1.2mm的夾層為主。

3 胎體配方設(shè)計

金剛石工具中胎體的配方各不相同，但其目的是提高金屬與金剛石的結(jié)合力，使胎體的磨損與金剛石的出刃效率相匹配。目前市場上組合鋸的配方大都以鐵基為主，以下對影響胎體的一些元素進(jìn)行試驗對比，試驗以黃河旋風(fēng)預(yù)合金粉JF-01作為基礎(chǔ)合金粉進(jìn)行組合鋸八大八小的實驗。刀頭采用三夾層(非工作層)，夾層為0.8mm厚的鐵片，刀頭規(guī)格為(23×8/8.5×12.5/13.5mm。)

3.1 胎體配方設(shè)計

胎體配方設(shè)計見表2。

表2 胎體配方元素組成及比例(wt.%)Table 2 The composition of matrix (wt.%)

3.2 金剛石的選用

采用黃河旋風(fēng)生產(chǎn)的金剛石，其具體參數(shù)見表3。采用35%的金剛石體積濃度。

表3 金剛石配比Table 3 The mass ratio of diamond

3.3 燒結(jié)工藝

選用SM-80kW 型全自動熱壓燒結(jié)機(jī)進(jìn)行燒結(jié)。1#配方燒結(jié)工藝曲線如圖2。

其它配方與1#配方的燒結(jié)工藝曲線走勢相同，但是溫度有所差異。

3.4 配方試驗討論

試驗的切割對象為山東的五蓮紅，切割數(shù)據(jù)見圖3。

圖2 燒結(jié)工藝曲線Fig.2 Curves of sintering process

圖3 不同工藝條件下產(chǎn)品的壽命與鋒利度Fig.3 The life and sharpness of products by different processes

由圖3可知：

(1)通過1#、2#和3#配方的對比，低熔點金屬的加入，增加了胎體對金剛石的把持力，提高了工具的鋒利度，但是工具的壽命有所下降。

(2)通過2#和4#的對比，磷鐵的加入胎體會呈現(xiàn)硬脆性，會在一定程度上提高胎體的鋒利度，但是工具壽命下降得比較明顯。

(3)通過2#、5#和7#的對比，預(yù)合金粉比例的增加以及8515的加入，可以強(qiáng)化胎體對金剛石的把持力，調(diào)整胎體與金剛石之間的同步磨損，提高工具的綜合使用性能。

(4)通過2#和6#的對比，超細(xì)鐵粉的加入使得胎體組織趨于均勻、細(xì)膩，增強(qiáng)胎體對金剛石的把持力，提高胎體的壽命和鋒利度。

綜合以上切割數(shù)據(jù)來看，5#配方的綜合性能最好。

4 結(jié)論

通過以上試驗與分析可知，影響組合式金剛石工具性能的因素比較多，但是影響其性能的關(guān)鍵因素是配方的設(shè)計、燒結(jié)工藝的制定以及刀頭形狀和尺寸的大小。

(1)金剛石的選擇取決于切割對象，隨著切割對象硬度的提高，金剛石的強(qiáng)度也應(yīng)提高。鋒利度取決于金剛石粒度的搭配。

(2)刀頭的形狀對工具的鋒利度影響比較明顯，市場以“K”型或“M”型和楔形相結(jié)合的為主，其尺寸以(22～24)×(6～10)×(10～15)mm為主。

(3)胎體配方的設(shè)計對工具的性能起關(guān)鍵性因素。比如低熔點金屬、磷鐵、青銅粉8515以及合金粉等元素適當(dāng)?shù)募尤肽芴岣咪h利度；超細(xì)鐵等元素適當(dāng)?shù)募尤肽茉黾犹ンw與金剛石的把持力，提高工具的壽命。