金剛石燒結(jié)鋸片降噪消音研究

劉 錕，劉一波，3，鄒新光，羅曉麗,2，崔博超

(1.北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司，北京 102200；2.安泰科技股份有限公司，北京 100081；3.中國(guó)鋼研科技集團(tuán)，北京 100081)

0 引言

金剛石鋸片在鋸切混凝土、石材、陶瓷玻璃等較硬材料時(shí)有著廣泛的用途，但是鋸切噪聲對(duì)切割者的健康產(chǎn)生了相當(dāng)大的危害，對(duì)周圍環(huán)境有很大的污染。為了提高鋸切效率，切機(jī)功率越來越大，隨之而來的噪聲也越來越大。研究工作證明，人們長(zhǎng)期在90 dB以上的噪聲中工作，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)耳損傷，嚴(yán)重甚至?xí)?dǎo)致噪聲性耳聾。ISO R1999中有詳細(xì)規(guī)定：8 h工作制中連續(xù)受到的噪聲不得超過90 dB，4 h工作日的允許噪聲為95 dB，最大噪聲不允許大于110 dB[1]。在切割混凝土或石材時(shí)，95 dB以下的噪聲在3 m外是可以忍受的，而100 db以上的噪聲在3 m外也是很難忍受的，事實(shí)上大部分的鋸切噪聲在85～110 dB范圍內(nèi)，因此只需降噪幾個(gè)分貝對(duì)工人的工作環(huán)境影響是很大的。

國(guó)外在20世紀(jì)60年代就開始研究圓鋸片的降噪，國(guó)內(nèi)在80年代開始研究木鋸、金屬鋸的降噪，對(duì)金剛石鋸片的降噪研究較少。

金剛石鋸片切割噪聲產(chǎn)生的源頭[2]：①空氣動(dòng)力學(xué)噪聲，由氣體振動(dòng)產(chǎn)生，主要由齒尖噪聲、渦流噪聲和排氣噪聲三部分組成；②振動(dòng)噪聲，由固體振動(dòng)產(chǎn)生，主要由諧振和強(qiáng)迫振動(dòng)兩部分組成；③沖擊輻射噪聲，是由于金剛石刀頭和被切割對(duì)象周期性的相互作用形成的；④摩擦噪聲，是由于金剛石刀頭和被切割對(duì)象的摩擦引發(fā)的粘劃振動(dòng)產(chǎn)生的；⑤鋸機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲，是由于切割設(shè)備尤其是防護(hù)罩的振動(dòng)產(chǎn)生的。

鋸片的切割噪聲受多種因素影響，各種加工參數(shù)會(huì)影響金剛石圓鋸片的切割噪聲大小，其中，切割材料硬度、進(jìn)給速度、切割深度以及設(shè)備轉(zhuǎn)速對(duì)噪聲大小的影響均為正相關(guān)，對(duì)噪聲影響大小的排序?yàn)榍懈畈牧嫌捕?進(jìn)給速度>切割深度>轉(zhuǎn)速[3]。通常切硬的花崗巖噪聲>切水泥噪聲，干切噪聲>濕切噪聲。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋸切噪音的幾種處理方法：打孔消音、切縫消音、“三明治”基體消音、雙基體消音、阻尼減振合金等。

1.1 打孔消音

最初通過打孔消音[4]，如1997年10月中國(guó)專利CN2264055。

1.2 切縫消音

用激光切割機(jī)在基體上切割0.1～2 mm的窄縫降噪[5]，如1976年9月公布的美國(guó)專利US3981216，公開一種低噪聲高速切割鋸片，即在單片基體上打孔切縫、并在溝縫里填充焊料或其他消音材料來降噪[6]。目前市場(chǎng)上常見的消音鋸片即為此類。

國(guó)外發(fā)明的常見耳形縫/鋼琴縫等，據(jù)此制作出的激光焊接鋸片，實(shí)際干切花崗巖測(cè)試僅降噪1～5 dB，并沒有達(dá)到降噪16 dB。

1.3 “三明治”基體消音

1989年9月美國(guó)專利US4867025[7]和2020年4月美國(guó)專利US10632552[8]等，都提供一種“三明治”圓鋸片，即兩個(gè)或多個(gè)金屬片中間夾一層銅片或其他消音層，通過多點(diǎn)點(diǎn)焊等方式固定在一起[9]。如今市場(chǎng)常見的激光焊接或高頻焊接的消音鋸片，均會(huì)采用上述“三明治”基體，降噪效果非常明顯，但消音層、打孔、點(diǎn)焊等使得基體成本比普通單片基體高1～3倍。如何提供一種成本低、噪聲小的消音鋸片，仍然需要大家進(jìn)一步研究。

1.4 雙基體消音

2019年4月中國(guó)專利CN109986699A提供了一種雙基體圓鋸片[10]，即兩個(gè)金屬片中間不夾銅片等消音層，不點(diǎn)焊，而是通過粉末壓型在一起。經(jīng)過試驗(yàn)，有一定消音效果[11]。

1.5 阻尼減振合金

阻尼合金主要有復(fù)合型、超塑性型、鐵磁性型、位錯(cuò)型、孿晶型、多孔型等。河南工業(yè)大學(xué)的張偉等[12]研究了用阻尼合金基體減小鋸片的振動(dòng)，試驗(yàn)證明，普通金剛石鋸片的噪聲為102.6 dB，而Fe-Cr-Si阻尼消音鋸片噪聲為84.1 dB。

2 金剛石鋸片降噪對(duì)比測(cè)試

2.1 鋸片

5個(gè)規(guī)格的金剛石圓鋸片的具體參數(shù)見表1。

表1 5種規(guī)格金剛石圓鋸片參數(shù)Table 1 Parameters of diamond circular saw blades of five specifications

2.2 切縫材料

各類切割材料的具體參數(shù)見表2。

表2 3種切割材料參數(shù)Table 2 Parameters of three cutting materials

2.3 設(shè)備

自動(dòng)熱注膠機(jī)。

125干切手持鋸型號(hào)：Dewalt Angle grinder，1.4 kW，10000 r/min。

230干切手持鋸型號(hào)：Makita Angle grinder，2 kW，6600 r/min。

350干切手持鋸型號(hào)：STIHL TS800，7.5 kW，4700 r/min。

350濕切推臺(tái)鋸，7.5 kw，5500 r/min。

噪聲測(cè)量?jī)x。

2.4 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)結(jié)果分析

本文主要在常規(guī)鋸片的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行6項(xiàng)降噪改進(jìn)，分別切割試驗(yàn)并記錄切割噪音分貝數(shù)值。6項(xiàng)改進(jìn)包括打孔、切0.5 mm窄縫、切0.5 mm窄縫并注膠、切1.5 mm寬縫、切1.5 mm寬縫并注膠、改用雙基體。切割設(shè)備：Ф115用125手持鋸，Ф180/Ф230用230手持鋸，Ф350干切用350手持鋸，Ф356濕切用350推臺(tái)鋸；噪聲測(cè)量?jī)x放在操作者右側(cè)3 m處。環(huán)境噪聲：70 dB。進(jìn)給速度30 mm/s，讀數(shù)位置：當(dāng)每刀切到材料寬度的1/2時(shí)，即150 mm讀取噪聲示值。由于“三明治”基體成本較高，而燒結(jié)鋸片售價(jià)不高，所以未進(jìn)行“三明治”基體試驗(yàn)。

2.4.1 7片Ф230鋸片切割噪音對(duì)比及數(shù)據(jù)結(jié)果分析

7片Ф230金剛石圓鋸片的外觀如圖1，均采用相同金剛石粉類配方，在同等條件下切割對(duì)比，分別記錄噪音示值見表3。

表3 Ф230常規(guī)鋸片與6項(xiàng)改進(jìn)后的降噪效果對(duì)比Table 3 Comparison of noise reduction effect between Ф230 conventional saw blade and 6 improvement items

從表3中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出：

(1)此外觀Ф230鋸片，由于花崗巖比混凝土硬度高，所以干切花崗巖的噪聲都比混凝土大。

(2)此外觀Ф230鋸片，無論打孔、切縫/注膠還是雙基體，干切花崗巖的降噪效果比混凝土好。

(3)此外觀Ф230鋸片，干切上述兩種材料時(shí)，圖示打孔可降3～4 dB，圖示切縫(此處統(tǒng)計(jì)包括寬/窄縫/注膠)可降5～7.5 dB，雙基體可降6.5～8 dB，即降噪效果：雙基體>切縫>打孔。

(4)此外觀Ф230鋸片，圖示寬縫比窄縫的降噪效果好。

(5)此外觀Ф230鋸片，在縫內(nèi)注膠比不注膠的降噪效果好。

2.4.2 7片Ф180鋸片切割噪音對(duì)比及數(shù)據(jù)結(jié)果分析

7片Ф180金剛石圓鋸片的外觀如圖2，均采用相同金剛石粉類配方，在同等條件下切割對(duì)比，分別記錄噪音示值見表4。

表4 Ф180常規(guī)鋸片與6項(xiàng)改進(jìn)后的降噪效果對(duì)比Table 4 Comparison of noise reduction effect between Ф180 conventional saw blade and 6 improvement items

從表4中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出：

(1)此外觀Ф180鋸片，由于花崗巖比混凝土硬度高，所以干切花崗巖的噪聲都比混凝土大。

(2)此外觀Ф180鋸片，無論打孔、切縫/注膠還是雙基體，干切花崗巖的降噪效果比混凝土好。

(3)此外觀Ф180鋸片，干切上述兩種材料時(shí)，圖示打孔可降1～2 dB，圖示切縫(此處統(tǒng)計(jì)包括寬/窄縫/注膠)可降3～7.5 dB，雙基體可降4～9 dB，即降噪效果：雙基體>切縫>打孔。

(4)此外觀Ф180鋸片，圖示寬縫比窄縫的降噪效果好。

(5)此外觀Ф180鋸片，在縫內(nèi)注膠比不注膠的降噪效果好。

2.4.3 7片Ф115鋸片切割噪音對(duì)比及數(shù)據(jù)結(jié)果分析

7片Ф115金剛石圓鋸片的外觀如圖3，均采用相同金剛石粉類配方，在同等條件下切割對(duì)比，分別記錄噪音示值見表5。

表5 Ф115常規(guī)鋸片與6項(xiàng)改進(jìn)后的降噪效果對(duì)比Table 5 Comparison of noise reduction effect between Ф115 conventional saw blade and 6 improvement items

從表5中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出：

(1)此外觀Ф115鋸片，由于花崗巖比混凝土硬度高，所以干切花崗巖的噪聲都比混凝土大。

(2)此外觀Ф115鋸片，無論打孔、切縫/注膠還是雙基體，干切花崗巖的降噪效果比混凝土好。

(3)此外觀Ф115鋸片，干切上述兩種材料時(shí)，圖示打孔可降1～1.5 dB，圖示切縫(此處統(tǒng)計(jì)包括寬/窄縫/注膠)可降1.5～3 dB，雙基體可降2.5～3.5 dB，即降噪效果：雙基體>切縫>打孔。

(4)此外觀Ф115鋸片，圖示寬縫比窄縫的降噪效果好。

(5)此外觀Ф115鋸片，在縫內(nèi)注膠比不注膠的降噪效果好。

2.4.4 7片Ф350鋸片切割噪音對(duì)比及數(shù)據(jù)結(jié)果分析

7片Ф350金剛石圓鋸片的外觀如圖4，均采用相同金剛石粉類配方，在同等條件下切割對(duì)比，分別記錄噪音示值見表6。

表6 Ф350常規(guī)鋸片與6項(xiàng)改進(jìn)后的降噪效果對(duì)比Table 6 Comparison of noise reduction effect between Ф350 conventional saw blade and 6 improvement items

從表6中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出：

(1)此外觀Ф350鋸片，由于花崗巖比混凝土硬度高，所以干切花崗巖的噪聲都比混凝土大。

(2)此外觀Ф350鋸片，無論切縫/注膠還是雙基體，干切花崗巖的降噪效果比混凝土好。

(3)此外觀Ф350鋸片，干切上述兩種材料時(shí)，圖示切縫(此處統(tǒng)計(jì)包括寬/窄縫/注膠)可降 0.5～2 dB，雙基體可降1.5～2 dB。

(4)此外觀Ф350鋸片，圖示寬縫比窄縫的降噪效果好。

(5)此外觀Ф350鋸片，在縫內(nèi)注膠比不注膠的降噪效果好。

(6)此分齒型Ф350鋸片，打孔后切割噪聲不降反升高1-2 dB，分析原因是由于此外觀打孔集中在4個(gè)區(qū)域內(nèi)，而空氣進(jìn)入4個(gè)大面積打孔區(qū)域則影響了鋸片的旋轉(zhuǎn)均勻性，從而增大了鋸片摩擦力，增加了切割噪聲。因此不是所有打孔和切縫都能降噪，此孔型有待改進(jìn)。

2.4.5 7片Ф356鋸片切割噪音對(duì)比及數(shù)據(jù)結(jié)果分析

7片Ф356金剛石圓鋸片的外觀如圖5，均采用相同金剛石粉類配方，在同等條件下切割對(duì)比，分別記錄噪音示值見表7。

從表7中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出：

(1)此外觀Ф356鋸片，濕切瓷磚時(shí)，圖示打孔可降1 dB，圖示切縫(此處統(tǒng)計(jì)包括寬/窄縫/注膠)可降2～4 dB，雙基體可降4 dB，即降噪效果：雙基體>切縫>打孔。

(2)此外觀Ф356鋸片，圖示寬縫比窄縫的降噪效果好。

(3)此外觀Ф356鋸片，機(jī)器自動(dòng)灌注減震橡膠，比人工灌注玻璃膠，降噪效果好。

(4)此外觀Ф356鋸片，人工灌注玻璃膠，如果灌注不均勻，不但不能降噪，噪聲還會(huì)上升。

3 結(jié)論

(1)制作Ф180、Ф230等5個(gè)規(guī)格共計(jì)35種打孔、切縫/注膠、雙基體燒結(jié)鋸片，試驗(yàn)結(jié)果表明，打孔可降噪-2～4 dB，只切縫不注膠可降噪0.5～7 dB，切縫/注膠可降噪1～7.5 dB，改用雙基體可降噪1.5～9 dB，即降噪效果：雙基體>切縫/注膠>打孔，其中Ф180和Ф230降噪效果明顯，Ф115和Ф350略差。

(2)一般在燒結(jié)鋸片上切縫后，機(jī)器自動(dòng)灌注減震橡膠，比人工灌注玻璃膠降噪效果好；人工灌注玻璃膠，如果灌注不均勻，不但不能降噪，噪聲還會(huì)上升。

(3)燒結(jié)鋸片不同的打孔、切縫、注膠方式、對(duì)降噪效果有影響，一般孔縫數(shù)量越多降噪效果越好。

(4)一般情況下，干切相對(duì)于濕切、切硬花崗巖相對(duì)于切軟混凝土、分齒鋸片相對(duì)于連續(xù)邊鋸片，切割噪音相對(duì)更大，同時(shí)降噪效果明顯。

(5)個(gè)別鋸片降噪效果不理想，待分析原因，進(jìn)一步改進(jìn)。