一種組切石材金剛石排鋸的制作*

吳益雄，陳欣宏，黃 云

（1.廣州晶體科技有限公司，廣州 510520；2.中科院廣州電子技術(shù)有限公司，廣州 510070）

0 引言

現(xiàn)階段國內(nèi)組合切割石材荒料的工具有砂鋸（一代）、圓盤鋸（二代）、排鋸（三代）。砂鋸在加工石材過程中需加入切削磨料，這使得鋸切過程產(chǎn)生的廢渣排放量多，對環(huán)境造成極大污染。此外，砂鋸的鋼基體自身磨損速度較快，平均一條鋼基體只能切割30 m2的板材。圓盤鋸作為中國獨立自主開發(fā)的裝備，在一段時期內(nèi)，形成規(guī)模使用的工具，屬于粗放型的加工，對小塊或異形石材荒料有便捷、高效的特點，但因其巨大的鋸縫損耗、電能損耗、低品質(zhì)的出板材率，制約著其進(jìn)一步的拓展。隨著礦山全鋸切開采天然石材荒料技術(shù)的普及，人造石材荒料加工工藝成熟，金剛石排鋸成為切割石材板材的先進(jìn)工具。

新一代金剛石排鋸與傳統(tǒng)砂鋸和圓盤鋸對比，切割效率提高了3～5倍，板材平整度由1～2 mm提升至0.3 mm以內(nèi)，鋸縫損耗由原來6～9 mm縮小至2.5～3.5 mm，每平方米石材切板綜合成本減少了2/3，鋼基體能重復(fù)使用3～5次，平均一條鋼基體能切割200 m2的板材，冷卻水循環(huán)使用，產(chǎn)生的泥漿過濾沉淀烘干后，變成人造石材的原材料，做到環(huán)?？苫厥?。此外，新一代金剛石排鋸能有效提高石材切割效率、石材平整度，減少鋸縫損耗，給石材加工行業(yè)減少綜合加工成本。目前，國內(nèi)生產(chǎn)金剛石排鋸的幾家企業(yè)主要集中在珠三角地區(qū)和閩南地區(qū)，占據(jù)著國內(nèi)金剛石排鋸的少部分市場份額，但都不具備控制金剛石排鋸性能的技術(shù)優(yōu)勢，不能形成獨立的自主知識產(chǎn)權(quán)體系，沒有形成規(guī)模的量化生產(chǎn)，生產(chǎn)出的金剛石排鋸無法與國外同類產(chǎn)品抗衡。

金剛石刀頭的制作工藝是金剛石排鋸研究的關(guān)鍵，影響金剛石鋸切工具性能的主要因素包括配方設(shè)計、刀頭形狀及結(jié)構(gòu)、金剛石的粒度及濃度、工藝過程、鋸片基體、刀頭與基體焊接工藝及現(xiàn)場使用等。國內(nèi)也有眾多學(xué)者進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[1－3]探討了金屬基結(jié)合劑中添加少量稀土對不同類別金剛石節(jié)塊力學(xué)性能的影響機(jī)制，表明稀土元素對不同類別金剛石節(jié)塊抗彎強度的影響較為顯著，加入少量稀土可提高胎體對金剛石的把持力；文獻(xiàn)[4－7]研究了不同金屬鍍層對金屬基金剛石鋸片切削性能、冶金鍵合及基體耐磨性等的改善作用；文獻(xiàn)[8]通過調(diào)節(jié)Fe、Ni添加比例設(shè)計結(jié)合劑配方組合，對比分析各配方的無壓燒結(jié)致密度、抗彎強度、斷口顯微形貌，研究了Ni含量對無壓燒結(jié)金剛石刀頭層間結(jié)合的影響；文獻(xiàn)[9]探討了金剛石原材料（粒度、濃度和品級）、胎體成分以及燒結(jié)工藝對金剛石鋸片性能的影響規(guī)律，為金剛石刀頭設(shè)計提供了一定的參考指引。目前對制作工藝的研究改善多集中在金屬基配方調(diào)制和刀頭的表面處理上，對金剛石排鋸的刀頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組切排布方式等工藝環(huán)節(jié)的研究還不充分。

本文擬在刀頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、排鋸的組切排布方式上以及金屬基結(jié)合劑添加稀土的配方調(diào)制等幾個方面進(jìn)行研究，通過設(shè)計一種夾層式排鋸刀頭切削部結(jié)構(gòu)[10]來調(diào)制刀頭的鋒利度，提高刀頭的導(dǎo)向性。采用一種含稀土改性金屬基來提升金剛石粉粒與基體的焊接強度，提高刀頭的耐磨性，并采用組切非等距排布方式來抑制排鋸在鋸切中的諧振現(xiàn)象，減少切削損耗，研制出一種適用于組切的高效、損耗低、穩(wěn)定性高的金剛石排距。

1 組切石材金剛石排鋸制作工藝

組切石材金剛石排鋸制作工藝流程如圖1所示。制作工藝主要依據(jù)調(diào)配出的預(yù)合金化的金屬粉末配方，采用金屬粉和金剛石造粒成球形技術(shù)及金剛石－金屬鍵合技術(shù)，使金剛石和金屬胎體達(dá)到最佳冶金結(jié)合狀態(tài)，提高金剛石刀頭的鋒利度和耐磨度；利用自動冷壓成形技術(shù)和真空熱壓燒結(jié)成形技術(shù)，采用三明治和五明治的工藝，使每一顆刀頭的重量和厚度偏差都控制在1.5%以內(nèi)，以保證刀頭一致的鋒利度和耐磨度，同步損耗，防止夾板、拖刀、走偏及彎板；依據(jù)實驗獲得金剛石排鋸刀頭最佳燒結(jié)工藝和致密度，選取高強度的焊接材料，并采用金剛石排鋸成套釬焊技術(shù)進(jìn)行釬焊；設(shè)計出適合的金剛石刀頭物理結(jié)構(gòu)，保證與基體有足夠的焊接強度。研究設(shè)計金剛石刀頭不同排布方式來抑制諧振現(xiàn)象，減少切削損耗。在排鋸基體上焊接金剛石刀頭后，對排鋸進(jìn)行整平和應(yīng)力校正。

圖1 組切石材金剛石排鋸制作工藝流程Fig.1 Group cutting stone.diamond row sawing for process flow diagram

2 組切石材金剛石排鋸關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 夾層式排鋸刀頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

夾層刀頭結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。刀頭結(jié)構(gòu)包括兩層工作層，兩側(cè)為工作層，相鄰兩工作層之間為過渡層。其中工作層中金剛石粉的粒度小于過渡層中金剛石粉的粒度，且工作層中金剛石粉的濃度大于過渡層中金剛石粉的濃度；工作層合金胎體的硬度大于過渡層合金胎體的硬度。制作過程中，精確控制工作層和過渡層的成分和形狀可調(diào)制刀頭的鋒利度，提高刀頭的導(dǎo)向性，從而改善切割質(zhì)量及延長刀頭的使用壽命。

圖2 夾層式金剛石刀頭截面結(jié)構(gòu)Fig.2 Sectional Structure of Sandwich Type Diamond Cutter head

2.2 金剛石排鋸刀頭材料工藝配方試制

本文研制了一種摻稀土的改性金屬基金剛石功能結(jié)合劑的制作配方，稀土元素對不同類別金剛石節(jié)塊抗彎強度的影響比較顯著，在功能金屬粉中加入少量稀土，有利于細(xì)化胎體晶粒，凈化金剛石與胎體界面，改善結(jié)合劑與金剛石的界面結(jié)合狀態(tài)，提高胎體對金剛石的把持力。

2.2.1 工作層工藝配方

工作層中選配金剛石粉的粒徑為300～425μm，濃度范圍為35%～70%；工作層中的功能金屬粉配制由鈷粉、鎳粉、鉻粉、鎢粉、碳化鎢粉、鐵銅合金粉、稀土混合而成，成分占比如表1所示。

表1 工作層功能金屬粉成分Tab.1 Composition table of functional metal powder for working layer

鈷粉和鎳粉的粒徑小于10μm；鉻粉的粒徑為30～50μm；鎢粉、碳化鎢粉的粒徑為80～100μm；鐵銅合金粉的粒徑為20～40μm；稀土的粒徑為20～45μm。功能金屬粉中各成分的重量比例為鈷粉60%～70%、鎳粉2%～8%、鉻粉1%～3%、鎢粉2%～8%、碳化鎢粉2%～6%、鐵銅合金粉20%～30%、稀土0.2%～1.2%。鈷粉是主要成分，其燒結(jié)強度高，韌性和耐磨性好；鎳粉的作用是增加耐磨性；鉻粉的作用是增加胎體對金剛石粉的把持力；鎢粉增加胎體的硬度和耐磨性，與鈷粉和鎳粉有一定合金化作用；碳化鎢粉是以單質(zhì)存在于合金中，增加胎體的硬度和耐磨性；鐵銅合金粉的作用是高溫彌散性好，促使胎體合金均勻。以上工作層燒結(jié)成形后的胎體硬度為HRB105～115。

2.2.2 過渡層工藝配方

過渡層中選配金剛石粉的粒徑為500～600μm，濃度范圍為20%～50%；功能金屬粉由銅粉、錫粉、鋅粉、銅錫合金粉、鈷粉、鎳粉、鉻粉、鎢粉混合而成，如表2所示。

表2 過渡層功能金屬粉成分Tab.2 Composition table of transition layer functional metal powder

銅錫合金粉中銅與錫的含量比為85∶15，所述銅粉、錫粉、鋅粉、鉻粉、銅錫合金粉的粒徑為30～50μm，鈷粉和鎳粉的粒徑小于10μm，鎢粉的粒徑為80～100μm。所述過渡層中的功能金屬粉中各成分的重量比例為銅粉53%～63%、錫粉1%～6%、鋅粉1%～5%、銅錫合金粉10%～20%、鈷粉16%～30%、鎳粉3%～6%、鉻粉1%～3%、鎢粉4%～8%、稀土0.2%～1.2%。在過渡層的功能金屬粉中，銅粉的作用是增加胎體的韌性和延展性；錫粉的作用是燒結(jié)時產(chǎn)生液相，軟化胎體，降低胎體的燒結(jié)溫度；鋅粉的作用是與銅粉、錫粉形成合金，固結(jié)液相，增加合金的脆性，提高胎體的鋒利度；銅錫合金粉的作用是軟化胎體，改善胎體的燒結(jié)性能，提高胎體的致密度。以上過渡層燒結(jié)成形后胎體的硬度為HRB87～99。

2.3 金剛石排距刀頭的排布工藝設(shè)計

金剛石排鋸的生產(chǎn)過程需要解決刀頭材料混合、壓制成型、燒結(jié)成型、刀頭與鋼基體焊接等系列生產(chǎn)問題，排鋸的排布工藝也有著比較重要的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，非等距排布方式相對傳統(tǒng)等距排布方式，可有效抑制排鋸諧振現(xiàn)象，減少切削損耗。

通過試驗，設(shè)計了一種非等距排鋸排布方式，如圖3所示。

圖3 金剛石排鋸非等距排布工藝設(shè)計Fig.3 Non－equidistant arrangement process design of diamond row saw

在排布工藝過程中，將刀頭在中間處排布密集，兩側(cè)按一定間隔逐步增大間距排布，排鋸在鋸切過程中的穩(wěn)定性和刀頭耐磨性有一定程度的提升。

3 結(jié)束語

金剛石排距夾層式刀頭制作工藝中，通過精確控制工作層和過渡層的成分和形狀，刀頭的導(dǎo)向性得到很好地調(diào)制，提升了刀頭的鋒利度；金屬基結(jié)合劑中添加少量稀土元素，細(xì)化了胎體晶粒，金剛石與胎體界面得到凈化，提高了胎體對金剛石的把持力，金剛石粉粒與基體的黏結(jié)度增強，使刀頭耐磨度得到改善；制作的刀頭硬度值達(dá)到HRB105~115，下刀速度達(dá)到27 cm/h，刀頭耐磨度和鋒利度均達(dá)到進(jìn)口同類刀頭標(biāo)準(zhǔn)；相對傳統(tǒng)的排鋸等距排布方式，中間處排布密集，兩側(cè)按一定間隔逐步增大間距的非等距排布方式，鋸切過程中的諧振現(xiàn)象得到有效抑制，減少了切削損耗，對比國外同類排鋸，在相同條件下，石材鋸切損耗降低了5%~10%。本次實驗設(shè)計制作的組切金剛石排距，性能指標(biāo)達(dá)到了國外同類產(chǎn)品水平。