一種基于激光切縫消音金剛石鋸片的設(shè)計制作

陳欣宏 吳益雄 黃云

摘要：為研制出達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的消音金剛石鋸片來取代傳統(tǒng)金剛石鋸片，依據(jù)激光切縫消音原理，通過在基體上設(shè)計一種改進(jìn)型的 U 型傾斜消音縫，消音縫的形狀為U 形、倒U 形按序交錯疊加其一條U 形臂而成，傾斜消音縫的縫隙寬度為0.3 mm，采用了大族激光的高性能光纖激光器進(jìn)行切縫加工，縫隙中填充消音材料，制備工藝中采用加入超細(xì)預(yù)合金化的金屬粉末的金剛石-金屬鍵合技術(shù)，來保證鋸片的鋒利度和耐磨度，制作出了一種消音金剛石鋸片。對兩種石材的切割噪聲進(jìn)行測試，所制作的金剛石鋸片切割噪聲均低于80 dB，達(dá)到了環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：金剛石鋸片;激光切縫;消音

中圖分類號：TG485????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0204-03

Design and Fabrication of a Noise Reducing Diamond Blade Based on Laser-slotted

Chen Xinhong1，Wu Yixiong1，Huang Yun2

（1.Guangzhou Crystal Technology Co.，Ltd.，Guangzhou，510520，China;2.Guangzhou Institute of Electronic Technology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510070，China ）

Abstract：Based on the principle of laser slit silencing，an improved u-shaped inclined silencing slot was designed on the substrate to replacethe traditional silencing slot in order to develop the environmental protection standard of Diamond blade.The shape of the noise reducing slot isU-shaped and inverted U-shaped，which are made by overlapping one U-shaped arm in sequence.The width of the inclined noise reducing slotis 0.3 mm.The? large? family? high -performance? fiber? laser? is? used? to? cut? the? slot，in? the? preparation? process，the? diamond -metal? bondingtechnology with ultra-fine pre -alloyed metal powder was? used to? ensure? the? sharpness? and? abrasion resistance? of the? saw blades.A? kind? ofdiamond blade was made.The cutting noise test of the two kinds of stone products showed that the cutting noise of the diamond blade producedwas lower than 80 dB，which reached the standard of environmental protection.

Key words：diamond row saws;laser-slotted;noise reducing

0 引言

噪聲污染、空氣污染、水污染是當(dāng)代三大污染源，噪聲已成為危及人們生活和身體健康的一種公害。金剛石鋸片具有優(yōu)越的切削性能、磨損性能及高效的加工性能，被廣泛地運(yùn)用于石材加工、建筑、裝潢等行業(yè)。但金剛石鋸片在鋸切過程中高速旋轉(zhuǎn)鋸切會產(chǎn)生噪聲，其切割石材的噪聲通常在115dB以上，切割木材的嘯叫噪聲更大，對人體健康有較大的危害。隨著國家對環(huán)境保護(hù)的重視，達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的消音金剛石鋸片取代傳統(tǒng)金剛石鋸片成為必然，消音金剛石鋸片是未來研究和發(fā)展的方向。

國內(nèi)外學(xué)者對金剛石鋸片的降噪機(jī)理和方法進(jìn)行了大量的研究，任江華等“用CAD軟件設(shè)計了不同細(xì)縫形狀的鋸片基體，用有限元軟件ANSYS分析了鋸片基體的模態(tài)，結(jié)合噪聲測試試驗分析了激光切縫金剛石圓鋸片的降噪機(jī)理;陳雨果通過理想化鋸切工況受力模型，研究了鋸片不同鋸切工況下所受切削力的時頻特性，提出消振級和聲輻射效率衰減級這兩個對比量來代替絕對量，用來評價消音結(jié)構(gòu)的消音特性，并通過此法，研究了開孔、開縫鋸片的消音特性，發(fā)現(xiàn)外邊緣的直線型切縫是導(dǎo)致鋸片6kHz附近高頻噪聲的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，M型、S型縫在4kHz以上有高頻噪聲消音作用。根據(jù)不同的消音原理，提出了多種消音措施，如降噪屏、切縫消音、阻尼夾層消音、分層式刀頭設(shè)計等。李長龍等3著重闡述了阻尼合金夾層的消音機(jī)理試驗證明，所研制的阻尼合金消音鋸片對降噪具有比較明顯的效果;D C Stevenson等采用了在金剛石鋸片的兩側(cè)用阻尼板固定或夾具夾緊的方法，同時在鋸片旋轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行噴水處理，來降低噪聲;H K Tonshoff等5研究了三明治型的消音金剛石鋸片，夾層采用粘彈性材料，通過夾層與基體間空氣層中空氣的流動和摩擦來減少噪聲的輻射;楊秀魯?shù)?利用ANSYS Wobench 軟件從模態(tài)、諧響應(yīng)和聲場進(jìn)行動態(tài)特性分析，發(fā)現(xiàn)在900～980 Hz頻率范圍內(nèi)，孔縫混合結(jié)構(gòu)可有效地降低圓鋸片基體的振動和噪聲。于家偉[7]引入模態(tài)映射方法計算金剛石圓鋸片振動位移響應(yīng)，并將其映射到邊界元網(wǎng)格作為邊界條件，通過邊界元方法求解金剛石圓鋸片聲輻射特性，探究降噪孔結(jié)構(gòu)對金剛石圓鋸片振動和聲場的影響及其降噪機(jī)理，為降噪孔結(jié)構(gòu)的減振降噪機(jī)理研究提供了一定的依據(jù)。

近年來，隨著激光切割技術(shù)的發(fā)展，激光切縫消音的研究越來越受到重視。新型激光器的光束可以聚焦得更小，切縫更加精細(xì)，切縫熱影響區(qū)對鋸片機(jī)械性能影響小，并能更為方便地控制切縫形狀和寬度，達(dá)到良好的消音效果。韓海峰等[8]針對三明治金剛石鋸片基體材料的特點，采用Rofin? DC025板條CO2激光切割系統(tǒng)，深入研究小350 mm 鋸片基體切割工藝，分析了激光功率、切割速度、輔助氣體等因素對切口質(zhì)量的影響，獲得了一套優(yōu)化的切割工藝參數(shù)。許天宇等[9]為了探究光纖激光切割碳鋼板工藝特性，開展了光纖激光切割20 mm 厚Q235b 鋼板工藝實驗，系統(tǒng)研究了部分工藝參數(shù)（切割速度、離焦量、輔助氣壓）對切縫質(zhì)量的影響。

目前國內(nèi)雖然在消音金剛石鋸片的研究方面有了很大進(jìn)展，但現(xiàn)有的消音金剛石鋸片產(chǎn)品還基本無法達(dá)到80 dB 以下，在設(shè)計和工藝制作流程方面還存在不足。吉春暉等[10]對國內(nèi)外最新的研究工作及成果進(jìn)行了綜述，并對目前研究中存在的問題以及今后的研究方向開展討論。

為研制出環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的消音金剛石鋸片，解決設(shè)計和工藝制作流程上問題。本次實驗研究擬依據(jù)激光切縫消音原理，通過在基體上設(shè)計一種改進(jìn)型的U 型傾斜消音縫[11]，消音縫的形狀為U 形、倒U 形按序交錯疊加其一條U 形臂而成。傾斜消音縫的縫隙寬度為0.1～1 mm 可調(diào)，實驗找出最佳縫寬，達(dá)到預(yù)期的消音效果;采用新型的光纖激光器切割，并在縫隙中添加消音填充劑進(jìn)行消音;同時利用調(diào)配的超細(xì)預(yù)合金化的金屬粉末，采取金剛石-金屬鍵合技術(shù)，來提高鋸片的鋒利度和使用壽命。

1 消音金剛石鋸片制作工藝

消音金剛石鋸片制作工藝流程如圖1所示。依據(jù)調(diào)配出的預(yù)合金化的金屬粉末配方，采用金剛石-金屬鍵合技術(shù)，為了獲得更理想的效果，在結(jié)合劑配方中加入1000目以細(xì)的超細(xì)合金粉，使鋸片刀頭在燒結(jié)過程中，利用結(jié)合劑中形成的固熔相和合金熔體，促使合金屬元素與金剛石表面的C 原子形成化學(xué)鍵，從而使金剛石-金屬成為完全鍵合，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，采用深圳大族激光公司的高功率光纖激光切割系統(tǒng)對金剛石鋸片進(jìn)行切縫控制，激光切縫過程中，由于鋸片不是完全平整，導(dǎo)致切割時聚焦光斑的變化，使切縫大小不一，為消除切縫的不均勻，必須在切割時保持焦點位置不變;利用一種高度傳感器檢測，設(shè)定激光頭至鋸片的距離，通過傳感器進(jìn)行實時跟蹤，維持激光頭至鋸片的距離不變，保證切縫的均勻，然后加入消音填充劑，完成消音金剛石鋸片制作的主要工藝流程。

2 消音金剛石鋸片結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 消音金剛石鋸片刀頭

為保持切割工作過程中鋸片所受到的阻力均勻一致，達(dá)到排渣、散熱、不輕易鈍化的目的，金剛石鋸片刀頭設(shè)計為一種連續(xù)式的波紋結(jié)構(gòu)，在其圓形基體外圓周邊緣上的刀頭相對的兩側(cè)面分布從外到里的凹槽，凹槽的橫截面呈方形，并在基體外圓周采用圓孔均布結(jié)構(gòu)。刀頭結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。為保持刀頭的厚度，提高刀頭的強(qiáng)度，刀頭兩側(cè)面的凹槽呈互相交錯排列狀。齒波紋狀的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計，在切割無機(jī)非金屬材料時，非常有利于排渣、散熱、減震和降噪，其切割噪聲只有傳統(tǒng)鋸片的1/2。另外，金剛石刀頭是整體冷壓成形、熱壓燒結(jié)，形成高強(qiáng)度的連續(xù)式環(huán)形整體。切割工作時，不會瞬間斷齒飛出，只會先產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展，切割阻力增大，切割聲音異常，有足夠的時間引起警惕，在金剛石刀頭斷裂前停止切割工作，更換新的鋸片，避免安全事故的發(fā)生。

2.2? 消音金剛石鋸片基體結(jié)構(gòu)

消音金剛石鋸片基體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示，在鋸片外沿切割細(xì)縫，細(xì)縫改變鋸片邊沿空氣渦流，降低了空氣動力的噪聲，在鋸片基體上切割出類U 形或者為倒U 形特定形狀的消音縫，消音縫的形狀為U 形、倒U 形按序交錯疊加其一條U 形臂而成，如圖4所示，縫隙寬度為0.1～1 mm 可調(diào)，實驗測試縫寬0.3 mm 時降噪效果最佳。為避免鋸片高速旋轉(zhuǎn)切割時傾斜消音縫的起始端或終止端裂開，導(dǎo)致鋸片的強(qiáng)度下降，鋸片的質(zhì)量變差，設(shè)計傾斜消音縫的起始端或終止端向U? 形內(nèi)彎曲，或者起始端或終止端設(shè)有直徑大于縫隙寬度的孔，保證鋸片的加工質(zhì)量。

3 切縫金剛石鋸片噪聲測試

選取花崗巖和鋼筋混凝土兩種石材作為鋸切材料，噪聲測試計采用型號為AWA6533A 的Ⅱ型聲級計，測量時，傳感器放置在切割機(jī)前方，離鋸片中心1 m，距地面高1m 處，測量機(jī)器未開動的環(huán)境噪聲，裝上鋸片后，又在通水和不通水兩種情況下，測試鋸片的空轉(zhuǎn)噪聲，最后對兩種石材分別在空轉(zhuǎn)和切削兩種情況下進(jìn)行測量。環(huán)境噪聲為39 dB。測量結(jié)果如表1所示。使用加工制作的消音金剛石鋸片對花崗巖和鋼筋混凝土兩種石材進(jìn)行了分別測試，測試顯示，花崗巖和鋼筋混凝土切割噪聲均低于80 dB。

4 結(jié)束語

高性能激光器可提高基體切割消音縫的質(zhì)量，因其切割精度變高，使切縫光滑、熱影響區(qū)變小;鋸片刀頭設(shè)計為一種連續(xù)式的波紋狀結(jié)構(gòu)（即在基體外圓周邊緣上的刀頭兩側(cè)面切割連續(xù)橫截面呈方形的凹槽），并在基體外圓周切割圓孔均布結(jié)構(gòu)，可起到排渣、散熱、減震和降噪的效果，其切割噪聲只有傳統(tǒng)鋸片的1/2;基體消音縫主要作用是割斷基體周邊到中心的振動線，由于切縫的存在，噪聲的聲能變成動能，動能被填縫的消音材料阻隔和吸收，動能變成熱能，基體的噪聲被吸收和轉(zhuǎn)化，使噪聲減弱，在鋸片基體上設(shè)計形狀為U 形、倒U 形按序交錯疊加其一條U 形臂而成的傾斜消音縫，對噪聲的抑制轉(zhuǎn)化效果明顯;基于此工藝制作出的消音金剛石鋸片進(jìn)行切割石材噪聲測試，切割噪聲低于80 dB，達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

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[ 11]陳欣宏，吳益雄，魏洪濤.激光切縫消音金剛石鋸片：CN201931548U [ P ].2011-08-17.

第一作者簡介：陳欣宏（1968-），廣東汕頭人，大學(xué)本科，工程師，研究領(lǐng)域為金剛石工具、超硬材料。

（編輯：刁少華）