1前言随着石材加工厂家对生产效率的追求,以及人们对石材加工质量的要求越来越高,锯片的锋利 度因而越来越受到重视<1>。已有不少学者做过了相关研究,并得出了许多有价值的研究成果< 2>。但是,由于金刚石锯片在我国的应用和研究起步较晚,金刚石锯片的设计很多只停留在试验 摸索的水平上,从理论上进行的研究、分析和总结不很多。本文通过对三种切割大理石锯片锋利程 度的比较试验,结合前人的研究成果,对试验结果产生的原因进行了理论上的分析,提出了锯片节 块金刚石浓度与粒度选择所需遵循的基本原则。2试验方法锯片切割效率比较试验在自动切割机中 进行。工件固定放置在水平工作台上,锯片以一定转速旋转,并在电动机带动下以常规切速均匀前 进切割工件,锯片消耗的功率可通过电流显示计算出来。在走刀速度相同的情况下,锯片越锋利, 消耗功率越小,因而通过比较功率大小可比较出锯片的锋利性。试验中以某地产的黄色大理石作为 切割对象,设计了胎体成分相同的三种配方的锯片。三种配方中所用的金刚石参数列于表1。表1 三种锯片的配方设计参数锯片类别胎体成分金刚石参数品级粒度/μm浓度/%锯片1#铜基MBD8355/300、300/250、250/21224锯片2#铜基MBD8355/300、300/250、250/212 20锯片3#铜基MBD8300/250、250/212 20三种锯片的规格完全相同,都为350mm锯片,节块尺寸为40mm×3·5mm×6mm ,节块个数为24个。被切割的黄色大理石主要成分为碎屑灰岩,由0·01mm左右大小的方解 石颗粒构成,另含1%左右的灰质泥岩。3试验结果试验中三种锯片均切割厚度为15mm的同一 种材质的黄色大理石,切割长度均为70m。试验时,锯片的走刀速度为2500mm/min, 锯片转速为1460r/min。切割10m长后,才开始观察和记录锯片切割功率值,每切割1 0m记录一次,共记录6次,取其平均值(见表2)。表2三种锯片试验结果锯片1#锯片2#锯片3#锯切电流/A13·0 12·0 12·2锯片消耗/mm 0·10 0·15 0·13从试验结果可知:三种锯片锋利度从大到小排列为:锯片2#>锯片3#>锯片1#。结合 金刚石参数设计可知,金刚石粒度及粒度组成不变的情况下,降低金刚石浓度,可提高锯片锋利性 ;金刚石浓度不变时,增大金刚石粒度,提高了锯片的锋利性。4分析与讨论4·1锯片切削机理 锯片的主要工作元件是金刚石,金刚石具有锋利的尖刃,被节块合金胎体包镶和支撑,在锯片高速 旋转及横向给进力的共同作用下刻取并破碎岩石,从而实现切削。图1为单颗金刚石切削原理图。 图1单颗金刚石切削原理图首先是进入工作状态,有两种情况:一种是锯片刚开始切割时,如图1 (a)所示,金刚石在横向给进力和切向力的共同作用下直接压入岩石表面,使岩石表面产生微破 碎,金刚石逐渐刻入岩石中。另一种是如图1(b)所示,金刚石由空转状态进入工作状态的瞬间 对岩石产生冲击破碎,从而进入切削状态。此时岩石对金刚石冲击力的大小,主要与同一切削线上 相邻两颗金刚石的间距Ld有关<3>。Ld越大,金刚石水平位移越大,需要断取的岩石厚度越 大,因而金刚石需要承受更大的冲击力去破碎岩石。图1(c)是金刚石进入工作状态后切削岩石 的过程。类似耕犁作用,金刚石在高速旋转所产生的切向力矩作用下,克服岩石的抗剪强度,实现 对岩石的切削。在实际切割过程中,金刚石刻取岩石与耕犁岩石是同时进行的,即图1(c)中重 复了图1(a)中所示的过程。4·2实际工作金刚石颗粒数计算刀头工作面上单位面积(1cm 2)金刚石总颗粒数Ns的计算公式为<4>:Ns=150ckπd2(1)式中:c为金刚石 体积浓度(400%制);k为金刚石脱落系数,一般取k=1/3;d为金刚石粒径,mm。但 实际参与工作的金刚石颗粒数要少得多。当金刚石的脱落系数为1/3时,实际工作金刚石的比例 系数ψ的计算公式为<5>:ψ=(1-3H0d)(1-2H0d)(2)式中:H0为金刚石 的工作间隙,一般取金刚石的平均出刃值,mm;d为金刚石的直径,mm。一般情况下,金刚石 平均出刃值可取1/5d,代入公式(2)中可得ψ=24%,即金刚石锯片实际工作颗粒数只占 理论计算所得总粒数的24%。图2为锯片切割原理示意图。图中θ为工作弧区对应角度,R为锯 片半径,ap为进刀量。图2锯片工作原理示意图以试验条件为例,一副锯片共有24个节块,则 工作弧区内节块个数n为:n=θ360°×24(3)cosθ=R-apR(4)θ=arc cosR-apR=arccos175-15175≈23.9°(5)得:n=23.9°3 60°×24=1·59每个刀头工作面面积约为S0=4cm×0·35cm=1·4cm2, 所以工作弧区内节块工作面总面积为:S=nS0=1·59×1·4=2·23cm2。(6) 由此可得,锯片切割过程中,实际参与工作的金刚石总粒数N总的计算公式为:N总=ψNsS= 24%×150c3πd2×2.23=8.52cd2(7)由公式(7)可知,锯片切割岩石 过程中,参与切削的金刚石总粒数与节块金刚石浓度成正比,与金刚石粒径的平方成反比。4·3 锯片锋利性与金刚石浓度的关系锯片越锋利,表现为在相同锯切速度下,切割机功耗小。锯片切割 时所消耗的功率P按下式计算:P=P1-P0=380×(I1-I0)(8)式中:P1为切 割机工作时功率,kW;P0为切割机空转时功率,kW;I1为切割机锯切时的电流值,A;I 0为切割机空转时的电流值,A。由材料力学知识可知<6>,锯片切削时所产生的力矩M为:M =9550×Pn(9)式中:M为锯片切削时的力矩,N·m;n为锯片转速,r/min。锯 片作用在岩石工作面上的切向力T为:T=MR=9550PnR(10)式中:T为锯片作用在 岩石表面的切向力,N;R为锯片半径,m。假设锯片工作时,每颗参与切削的金刚石的切向作用 力相等,因而每颗金刚石切削时所消耗的功率p也相等,则锯片消耗总功率P为:P=N总p(1 1)假设每颗金刚石对岩石的切向力为ft,则ft也满足公式(10):ft=9550pnR =9550PnN总R(12)由此可知,锯片切割过程中,在功率P相同的情况下,单颗金刚石 切削力的大小与实际工作颗粒数N总成反比,即金刚石颗粒数越少,单颗金刚石的切向作用力越大 。锯片1#和锯片2#对比,两者金刚石粒径相同,锯片1#金刚石浓度大于锯片2#,由公式( 7)可知,1#锯片实际工作颗粒数多于2#锯片。因而,由公式(12)可知,1#锯片单颗金 刚石切向力ft小于2#锯片单颗金刚石的切向作用力。同理,由于两者横向给进力相同,因此2 #锯片分担到每颗金刚石的给进力fν比1#锯片大。因而,2#锯片单颗金刚石切向力ft与水 平给进力fν的合力大于1#锯片。依据磨粒磨损理论<7>,磨粒在岩石上的压痕宽度a可由下 面的公式表述:a2∝Pi/H(13)式中:Pi为磨粒上的压入力;H为岩石的硬度。而磨粒 的压入深度h与压痕宽度成正比,因而:h2∝Pi/H(14)由于试验切割对象相同,即大理 石硬度H为定值,所以h2∝Pi。由此可知,金刚石的压入力越大,其刻入深度越深。因而2# 锯片较1#锯片旋转一周单颗金刚石刻入深度更深,切割相同长度大理石每颗金刚石所需旋转的周 数更少,在相同转速情况下,切割所需时间更短,因而锯切效率更高。由以上分析可知,在保持金 刚石粒径不变的情况下,减少金刚石浓度,可提高锯片锋利度,但并非浓度越小越好。前面已经阐 述,当金刚石由空转状态进入工作状态时,金刚石冲击破碎岩石,在这一瞬间,金刚石所要承受的 反作用力大小与所剪断的岩石厚度有关,而这部分岩石的水平厚度即为锯片旋转时相邻两颗金刚石 对应弧度的时间内,锯片的水平位移量,如图3所示。用箭头表示相邻两颗金刚石1和金刚石2, L1表示胎体基面,L2表示金刚石2刚接触岩石时胎体基面L1移动到的新位置,由于相邻两颗 金刚石间距很小,因此胎体基面可以近似用直线来表示,而且L1应与下面的弧线相切。要使锯片 正常工作,金刚石之间必须满足一个最大间距
,以保证胎体不参与切削岩石,否则锯片锋 利性大大降低,甚至岩石会抵住胎体而使锯片无法进刀。图3中所示,是假定金刚石由空转状态到 接触岩石的同时,岩石刚好抵触到胎体,这时相邻两颗金刚石之间的间距即为最大间距。 由图3可知,=fd;cd=ab=bc·cotθ。由图2可知θ即为锯片工作弧区所 对应的角度,ac=bc/sin,θbc即为金刚石的出刃高度H0。图3最大间距计 算简图L1运动到L2所用的时间为:t=acv=bcvsinθ=H0vsinθ(v为锯片 的走刀速度,mm/min);cf=n·2πR·t=2πRnH0vsinθ(n为锯片转速 ,r/min),则:=fd=cf+cd=H0cotθ+2πRnH0vsinθ= (vcosθ+2πRn)k′dvsinθ(15)式中:k′为金刚石平均出刃系数;d为金 刚石粒径。在试验中,锯片走刀速度v=2500mm/min,锯片转速n=1460r/mi n,锯片半径R=175mm,,假设金刚石出刃系数k′=1/5,代入公式(15)可得在该 试验条件下,此种锯片相邻两颗金刚石之间必须满足的最大间距为317d。从以上分析 可以看出,为提高锯片锋利度,可减少节块中金刚石的浓度,但金刚石浓度不能无限止的减少,必 须保证节块中相邻两颗金刚石之间的间距在最大间距范围内。即使相邻两颗金刚石的间距 在范围内,由于间距越大,需要冲击破碎的岩石厚度越大,对金刚石的冲击反作用力也就越大,金刚石越容易破碎,金刚石破碎率不断增加,金刚石间距也逐渐加大,最终导致锯片钝化,无法进刀。4·4锯片锋利度与金刚石粒度的关系根据前面的推导可得出,在浓度保持
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