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金刚石圆锯片基体及锯齿结构的特性分析
作者:胡映宁
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——防侧面磨损、防应力变形、改善冷却性能的锯片结构

摘要:金刚石圆锯片是金刚石类工具中消耗量最大的刀具,优化金刚石圆锯片基体及锯齿结构是改善锯切效果的重要途径。综合介绍了国内外优化金刚石圆锯片基体及锯齿结构的有关成果,分析了各种防侧面磨损、防应力变形、改善冷却性能的锯片基体及锯齿结构的特点、生产价值及存在问题。

1 引言

金刚石圆锯片是金刚石类工具中消耗量最大的刀具,约占金刚石刀具材料消耗总量的95% 以上。近年来,我国在优化金刚石圆锯片节块配方方面进行了大量研究,使金刚石圆锯片的锯切性能显著提高,刀头成本大大降低,提高了国产锯片在国内外市场的竞争力。

随着金刚石圆锯片的应用范围日趋广泛,加工对象日益复杂,目前对锯片除有一般的耐磨性、锋利性等性能要求外,还对其适应被加工材料(如各种大理石、花岗岩、钢筋混凝土、沥青路面等)、加工条件(如干切、湿切、锯切超薄板、高精度板等)以及环保要求(如噪音、排污等)的能力提出了更高要求,这些都对金刚石圆锯片的设计与制造提出了新的挑战,仅仅通过优化节块配方来提高锯片性能已远远不够,还必须在改善锯片结构方面取得更多进展和突破。

近年来,国内外开发和使用的各种新型锯片基体及锯齿结构(如锯片基体开气流孔槽或镶阻尼材料、形成锯齿中凹磨损的三明治夹层齿、多重细齿、径向延伸齿、硬质合金护齿等)对改善锯切摩擦及冷却条件、提高锯片锋利性及切割平稳性、防止锯齿打滑、防止侧面磨损、适应软硬混合材料的加工、避免掉齿、节省刀具材料、充分利用锯齿材料、降低锯切噪音等起到了重要作用,由此证明改善锯片基体及锯齿结构是提高锯切效果的重要途径之一。但是,目前对各种基体及锯齿结构对锯片受力、刚性、变形、应力分布、摩擦、噪音等的影响还缺乏深入系统的理论分析,因而提出改善基体和锯齿结构技术方案的理论依据尚不充分。本文综合介绍了国内外改善锯片基体及锯齿结构的研究及应用成果,分析了各种锯齿结构的特点、生产价值及存在问题,并提出了研究锯片基体及锯齿结构涉及的理论问题及技术前景。

2 锯片基体及锯齿结构的特性分析

2.1 防侧面磨损的基体及锯齿结构

在锯切过程中,锯片高速运转,锯片基体与岩屑流产生摩擦磨损。由于节块的径向磨损与侧向磨损不一致,当节块工作层将消耗完时,锯片基体与岩屑的摩擦加大,造成“夹锯”,这将引起锯片基体的磨损和变形,降低基体可重复使用的次数。为此,可采取以下保护基体的措施。

1) 采用电焊方法在锯片基体上按圆周方向均匀分布及径向方向交错分布方式焊接硬质颗粒(见图1)。该方法可减少岩屑流对基体侧面的磨损,但将增加基体的制造成本及基体变形校正的难度。

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图1 基体布焊硬质颗粒防止侧面磨损

2) 采用低温熔射法在锯片基体侧面喷涂一层以WC-Co 为主要成分的熔射层(见图2)。该方法既可防止侧面磨损,又可提高锯片刚性。如用外径Ø323mm金刚石圆锯片锯切混凝土路面(锯片转速2400r /min,切深60mm,进给速度3m/min),喷涂熔射层后锯片使用寿命可由2899m 提高到4500m。选用最佳的熔射层喷涂工艺、层厚、喷涂面积等是应用该技术的关键。

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图2 基体侧面喷涂熔射层防止侧面磨损

3) 修复沥青、混凝土路面时有时需要切出深而宽的槽缝,所用金刚石锯片可采用精制的铁基插块与金刚石节块烧结为一体,然后插焊到锯片基体上(见图3)。该技术的优势是节块宽度可根据切缝要求而定,尤其在锯切锯齿形或非均匀宽度槽缝时更显灵活性,可大大减少锯切时节块与基体摩擦产生的热量及向基体传导的热量,避免基体受热变形,过早失效。采用特殊的节块结合剂配方可实现干切。该方法的缺点是增加了节块成形及与锯盘连接的制造成本。

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图3 采用精制铁基插块保护基体

4) 采用侧面向基体内延伸节块以防止侧面磨损(见图4)。节块向基体内延伸部分材料采用高耐磨性超细磨料,利用超细磨料良好的研削性可获得优质切断面,在防止侧面磨损的同时,可增加节块与基体的连接面积,提高二者结合强度。此外,减小基体厚度可减少切屑粉尘排出量。该方法的缺点是节块和基体形状特殊,会增加制造成本,且需采用预冷压成型方式。

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图4 节块向基体内延伸防止侧面磨损

5) 节块采用交错分布水槽(见图5),水槽深度为节块厚度的2/3,径向深度达到焊接层。锯切加工时接触面为连续分割图形。该技术有利于冷却润滑,可提高排屑能力,减少节块对基体的摩擦和扭曲变形。

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图5 节块采用交错分布水槽以减少锯片变形

2.2 改善应力状态、摩擦冷却条件的基体和锯齿结构

通过分析锯片的应力状态和摩擦冷却条件,合理改进基体及锯齿结构,可有效改善基体的受力变形和锯齿的摩擦冷却条件,延缓基体失效期限,提高锯片的耐磨性和锋利性,节省刀具材料,降低加工成本。

1) H. D. Jerro采用有限元法对普通节块的单齿锯切、一齿锯切下一齿刚进入锯切、二齿同时锯切三种状态进行了应力分析。当锯片直径为Ø200mm、切深2mm、锯片厚度1.8mm、槽宽7mm、水槽底孔到锯片外圆周距离Sh=8.5mm 时,设计了如图6 所示具有较佳综合加工效果的水槽结构。水槽结构参数为:γ=10°,r=3.5mm,ψ=5°,Ø=5°。该文揭示了应用有限元法分析锯片受力状态的可行性,但受力分析的广度和深度还有待进一步提高。

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图6 水槽结构示意图

2) 为改善锯切过程中锯片的热应力状态,可在基体上按均匀间隔增加径向延伸槽(见图7),以满足基体的热胀冷缩需要,减少基体因热应力引起的变形。

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图7 在基体径向增加热胀冷缩槽

3) 为改善锯齿齿顶和齿侧的摩擦条件和受力状况,可在齿顶面形成有中凹磨损的“回”形齿、“H”形齿、“凹”形齿(见图8)及类似的两端形状各异的节块(见图9)、“非匀质夹层”齿(见图10)以及目前应用广泛的三明治齿等。

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图8 齿顶面形成中凹磨损的“回”形、“H”形及“凹”形齿

由于减少了齿顶与加工材料的接触面积,改善了齿侧压力状态,可使摩擦及发热现象明显减少,刀头锋利性增加。同时由于节块中凹部分所对应的岩石往往薄而脆,岩石在周围冲击能量的作用下易自然破碎,从而可节省节块工作层材料。

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图9 齿顶面形成中凹磨损的两端形状各异的节块

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图10 非匀质夹层齿示意图

可减小齿侧摩擦接触面积的齿型还有“L”型齿、阶梯型齿、侧面开槽齿等(见图11)。美国NED公司、日本大阪金刚石公司、德国WihelmLeiritz公司等已将这些齿形运用于Ø1000~5000 mm的大直径锯片上。对于小直径锯片,则可采用图12所示的螺旋齿型,该类齿型有利于冷却介质的导入,节块切入切出长度的渐变可减缓其所受冲击力。该方法成功应用的技术关键是合理选用螺旋角、齿形以及冷压成型工艺的控制。

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图11 可减小齿侧面摩擦的齿形结构

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1.锯齿 2.基体 3.锯齿平槽部分 4.冷却容屑槽 5.齿侧 6.锯齿凸起部分
图12 小直径锯片采用的螺旋齿

4) 为增加冷却槽的密度,而又不至于因钢基体水槽过多而造成锯片刚性不足,可采用多重细齿节块(见图13)。该节块外缘层齿槽比内层齿槽略低,当外层齿磨耗完后,内层齿又可如新齿一样进行切削。由于齿长度缩短及分层,可达到改善摩擦冷却条件、避免锯齿打滑、增加锯片锋利性和切割平稳性、充分利用刀具材料的效果,该效果与国内学者研究的“节块长度越小,则锯片切削时的功率总消耗量越小”的结论一致。但此类节块需采用冷压成型制作,会增加模具制作成本和焊接难度。

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图13 采用多重细齿节块的锯片

3 结语

本文对国内外各种防侧面磨损、防应力变形、改善冷却性能的锯片结构基体及锯齿结构的特点、生产价值、存在问题等进行了综合介绍。在后续文章中,还将对干切削、抗冲击、低噪音锯片的结构特点、生产价值及存在问题进行分析和讨论,并将提出在研究锯片基体及锯齿结构时所涉及的技术问题及相应的理论方法。

本文作者:广东工业大学机电工程学院 胡映宁 王成勇 魏昕 房延利(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (4/30/2007)
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