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金刚石圆锯片工具知识
日期:2009-12-9  

金刚石圆锯片概述
1  概述
 
金刚石圆锯片在石材加工方面具有加工效率高、加工质量好等优点,是石材加工业的主要工具。但由于天然金刚石价格昂贵,早期不能大规模的应用于生产。第一片金刚石圆锯片是由法国人Jaeguin在1885年发明的,它是一种手工镶嵌天然钻石的金刚石圆锯片。1930年以后,随着粉末冶金技术的发展,产生了焊接式金刚石圆锯片。1954年,人造金刚石诞生,它使得金刚石工具制造业得到迅速发展,金刚石圆锯片大规模应用于石材加工才成为可能。近年来,用于石材加工业的人造金刚石的数量直线上升,其耗用量约占全国人造金刚石总产量的90%左右。据国内外统计资料估计,目前世界上工业金刚石70%左右用于制造石材加工工具,其中占绝大多数的是金刚石圆锯片。据中国石材工业协会统计,目前全国各类石材企业拥有并使用锯片直径Φ1600~2200 mm的金刚石圆盘锯机数万台,金刚石圆盘锯机成为了石材制品加工行业的最主要、应用最广泛的设备,每年纯消耗的圆锯片基体达数十万张。随着石材制品应用量的增加,金刚石圆锯片的应用量越来越大。
 
1.1 金刚石圆锯片定义及分类
 
金刚石圆锯片是一种整体上呈圆盘状的刀具,它采用粉末冶金的方法将金刚石颗粒镶嵌在基体的周围。利用金刚石颗粒的压裂压碎以及大面积剪崩其他材料而达到切削的目的。总的说来,金刚石圆锯片的种类很多,分类也很复杂。通常有以下几种分类方式:
 
1)     按结构分类:宽水槽金刚石锯片、节块组合式金刚石锯片、窄水槽金刚石锯片、钥匙孔槽金刚石锯片、钻头锯片、碗形锯片等;
 
2)        按加工工艺分类:激光焊接金刚石锯片、烧结式金刚石锯片、高频焊接金刚石锯片等;
 
3)        按加工对象分类:大理石切割锯片、花岗石切割锯片、混凝土切割锯片等。
 
当然,上述分类方法不能把所有的金刚石圆锯片都包括进去,还有一些特殊用途的金刚石圆锯片。
 
1.2 金刚石圆锯片的应用场合
 
一般说来,金刚石圆锯片的工作环境比较恶劣,产品的主要用途是锯切石材,广泛应用于大理石、花岗石、陶瓷墙地砖及混凝土制品的切割,是石材、建材行业重要且广泛使用的加工工具。
 
金刚石圆锯片结构及组分
 
金刚石锯片种类繁多,形式多样,但在实际应用中,仍以金刚石圆锯片为主。金刚石圆锯片(也称节块式金刚石圆锯片)是目前我国石材工业使用最普遍的锯切工具。其通用规格从Φ105mm起始,最大达Φ2200mm(国外最大圆锯片的规格为Φ5000mm)。共有17种规格。其中Φ350-500mm规格主要用于半成品板材的剪裁加工,Φ600-900mm规格主要用于类似墓碑、墓柱等较厚石板(柱)的成型锯切加工,Φ1000mm以上的规格主要用于荒料的锯切成(板)材加工,目前尤以Φ1600mm锯片使用最为普遍。八十年代中期,石材切割锯片的品种比较单一,主要用于大理石的锯切。八十年代后期,随着石材工业的发展,锯切花岗石的锯片得到很大的发展,为了达到最佳的锯切效益,锯片研究者们致力于各种配方的研究。
 
2.1 金刚石圆锯片的结构及参数
 
传统的金刚石圆锯片多为整体式设计,其结构为一个盘形基体上镶焊金刚石结块而成。依靠法兰盘传递力矩切割荒料。金刚石圆锯片结构如下
 
 
 
                              金刚石圆锯片
 
其中:
 
D—金刚石圆锯片的外径
 
H—金刚石圆锯片的内径
 
L—结块的长度
 
X—结块的宽度
 
T—结块的厚度
 
E—基体的厚度
 
对与金刚石圆锯片的设计参数,国家已有标准。首先,确定锯片的外径,外径确定下来了,其他各个参数也就定下来了。金刚石圆锯片开槽有三种形式:宽水槽、窄水槽、钥匙孔槽。其结构如下图所示:
 
 
 
 
              宽水槽                                    窄水槽                      钥匙孔槽
 
2.2 金刚石圆锯片的刀头
 
金刚石圆锯片的本质是基体通过适当胎体材料将金刚石嵌镶固定。它是在基体上焊接一种由金刚石颗粒与胎体材料组成的复合烧结体,常称之为刀头。刀头的形式多种多样,通常做成长方体。胎体即结合剂,应具备两个基本功能:一是把持金刚石;二是能随着金刚石的磨耗而磨耗,使金刚石正常出刃。结合剂除了具备一定的硬度和耐磨性之外,还应具备一定的韧性。结合剂有四种基:铜基结合剂、钴基结合剂、铁基结合剂、碳化钨基结合剂。其中,以钴基结合剂使用效果最好,但由于价格昂贵,不能大规模应用。应用最为广泛的是铁基结合剂。结合剂中的添加成分有四种:粘结成分、骨架成分、强化成分、亲和成分。对于不同基的结合剂,其添加成分也不相同。在胎体成分中常选用高熔点的金属如钨、碳化钨等以调节胎体的硬度和耐磨性,同时选用低熔点并对碳有很好化学亲和性的金属如钴、镍、锰等铜基合金作为金刚石的粘结材料。[1]
 
2.3 金刚石圆锯片的基体
 
基体一般是由65Mn、T12等材料组成的带开槽的圆盘,经过淬火+中温回火热处理而成。其加工要求有尺寸精度和形位精度两种要求。尺寸精度要求包括:外径、内径、厚度、水口、齿台。形位精度包括:正圆度、同心度、平直度、平行度、径向跳动、端面偏摆。
 
金刚石圆锯片切割石材
 
以花岗石为例,影响金刚石圆锯片效率和寿命的锯切参数有锯片线速度、进刀速度和锯切深度。此外还有几个方面会影响到金刚石圆锯片的寿命和效率,包括金刚石的粒度、浓度、结合剂硬度等。
 
3.1 锯切参数[2]
 
3.1.1 锯片线速度
 
在实际工作中,金刚石圆锯片的线速度受到设备条件、锯片质量和被锯切石材性质的限制。从最佳锯片使用寿命与锯切效率来说,应根据不同石材的性质选择锯片的线速度。锯切花岗石时,锯片线速度可在25m~35m/s范围内选定。对于石英含量高而难于锯切的花岗石,锯片线速度取下限值为宜。在生产花岗石面砖时,使用的金刚石圆锯片直径较小,线速度可以达到35m/s。
 
3.2.2 锯切深度
 
锯切深度是涉及金刚石磨耗、有效锯切、锯片受力情况和被锯切石材性质的重要参数。一般来讲,当金刚石圆锯片的线速度较高时,应选取小的切削深度,从目前技术来说,锯切金刚石的深度可在1mm~10mm之间选择。通常用大直径锯片锯切花岗石荒料时,锯切深度可控制在1mm~2mm之间,与此同时应降低进刀速度。当金刚石圆锯片的线速度较大时,应选取大的切削深度。但当在机床性能和刀具强度许可范围内,应尽量取较大的切削深度进行切削,以提高切削效率。当对加工表面有要求时,则应采用小深度切削。
 
3.3.3进刀速度
 
进刀速度即被锯切石材的进给速度。它的大小影响锯切率和锯片受力以及锯切区的散热情况。它的取值应根据被锯切石材的性质来选定。一般来讲,锯切较软的石材,如大理石,可以加大锯切深度而降低进刀速度,更有利于提高锯切率。锯切细粒结构的、比较均质的花岗石,可适当提高进刀速度,若进刀速度过低,金刚石刃容易被磨平。但锯切粗粒结构而软硬不均的花岗石时,应降低进刀速度,否则会引起锯片振动导致金刚石碎裂而降低锯切率。锯切花岗石的进刀速度一般在9m~12m/min范围内选定。
 
3.2 金刚石圆锯片的其他影响因素[3]
 
3.2.1 金刚石粒度
 
常用的金刚石粒度在30/35~60/80范围内。岩时愈坚硬,宜选用较细的粒度。因为金刚石愈细愈锋利,有利于切入坚硬的岩石。另外,一般大直径的锯片要求锯切效率高,宜选用较粗的粒度,如30/40,40/50;小直径的锯片锯切效率低,要求岩石锯切截面光滑,宜选用较细的粒度,如50/60,60/80。
 
3.2.2 刀头浓度
 
浓度表示结块中金刚石所占体积的多少,并规定,当金刚石的体积占总体积的1/4、相当于重量比为0.88/cm3时的浓度为100。增大金刚石浓度可望延长锯片的寿命,因为增加浓度即减小了每粒金刚石所受的平均切削力。但增加浓度必然增加锯片的成本,因而存在一个最经济的浓度,且该浓度随锯切率增大而增大。一般情况下,金刚石颗粒在刀头中的分布是不均匀的,通常是做成波浪形,这样有利于提高金刚石圆锯片的寿命和使用精度。
 
3.2.3 刀头结合剂的硬度
 
 
 
一般来说,结合剂的硬度越高,其抗磨损能力越强。因而,当锯切研磨性大的岩石时,结合剂硬度宜越高;当锯切材质软的岩石时,结合剂硬度宜越低;当锯切研磨性大且硬的岩石时,结合剂硬度宜适中。
 
3.3 力效应、温度效应及磨破损
 
金刚石圆锯片在切割石材的过程中,会受到离心力、锯切力、锯切热等交变载荷的作用。由于力效应和温度效应而引起金刚石圆锯片的磨破损。
 
3.3.1 力效应[4]
 
在锯切过程中,,锯片要受到轴向力和切向力的作用。由于在圆周方向和径向存在力的作用,使得锯片在轴向呈波浪状,在径向呈碟状。这两种变形都会造成岩石切面不平直、石材浪费多、锯切时噪音大、振动加剧,造成金刚石结块早期破损、锯片寿命降低。受力模型如下图所示:
 
 
 
                  切削力学模型
 
3.3.2 温度效应[5]
 
传统理论认为:温度对锯切过程的影响主要表现在两方面一是导致结块中的金刚石石墨化;二是造成金刚石与胎体的热应力而导致金刚石颗粒过早脱落。新研究表明:切割过程中产生的热量主要传入结块。弧区温度不高,一般在40~120度之间。而磨粒磨削点温度却较高,一般在250~700度之间。 而冷却液只降低弧区的平均温度,对磨粒温度却影响较小。这样的温度不致使石墨炭化,却会使磨粒与工件之间摩擦性能发生变化,并使金刚石与添加剂之间发生热应力,而导致金刚石失效机理发生根本性变化。研究表明,温度效应是使锯片破损的最大影响因素。
 
3.3.3 磨破损[6]
 
由于力效应和温度效应,锯片经过一段时间的使用往往会产生磨破损。磨破损的形式主要有以下几种:磨料磨损、局部破碎、大面积破碎、脱落、结合剂沿锯切速度方向的机械擦伤。磨料磨损:金刚石颗粒与工件不断摩擦,棱边钝化成平面,失去切削性能,增大摩擦。锯切热会使金刚石颗粒表面出现石墨化薄层,硬度大大降低,加剧磨损;局部磨损:金刚石颗粒表面承受交变的热应力,同时还承受交变的切削应力,就会出现疲劳裂纹而局部破碎,显露出锐利的新棱边,是较为理想的磨损形态;大面积破碎:金刚石颗粒在切入切出时承受冲击载荷,比较突出的颗粒和晶体内部有缺陷的颗粒就会因加载而处于不利的位置和冲击作用而造成大面积破碎,这会使金刚石颗粒过早消耗掉;脱落:交变的切削力使金刚石颗粒在结合剂中不断的被晃动而产生松动。同时,锯切过程中的结合剂本身的磨损和锯切热使结合剂软化。这就使结合剂的把持力下降,当颗粒上的切削力大于把持力时,金刚石颗粒就会脱落。无论哪一种磨损都与金刚石颗粒所承受的载荷和温度密切相关。而这两者都取决于锯切工艺和冷却润滑条件。
金刚石圆锯片切割效果分析
 
 
 
判断金刚石圆锯片切割效果的好坏,主要依据三项指标:即锯切效率、使用寿命、加工质量。锯切效率是关于生产率的指标,是锯片锋利性的标志。对于不同的石材,国家已有标准的锯切效率。使用寿命是关于工作能力的指标,或是耐用度的指标。它是一副锯片总共能加工板材的数量。加工质量是锯片锯切出来的的板材的质量,主要是指表面平整度、平直度、两面平行度以及边棱完整性等。
 
影响金刚石圆锯片切割效果的因素有很多,从大的方面讲有制造因素和使用因素两方面。制造因素包括原材料因素和制造工艺因素。其中,原材料指金刚石、结合剂和基体。制造工艺因素指原材料的配方、烧结、焊接、整形等。使用因素指锯片的选择、锯切参数的选择以及锯片的安装、操作等。详述请看相关的参考资料,在这里就不赘述了。[1]
 
5        金刚石圆锯片的发展[7]
 
总的来讲,国内外金刚石圆锯片的发展都有以下一些主要特点:为生产高效优质锯片,开发锯片级专用金刚石;更加重视粉末、胎体与烧结工艺的研究;更加重视石材可锯性与锯切机理的研究;激光焊接锯片得到发展;发展超大尺寸的金刚石圆锯片。
 
 
 
目前,金刚石圆锯片的应用越来越广泛,今后金刚石圆锯片的发展方向就是提高切割效率、锯片寿命、降低生产成本,此外还要做到环保。为了达到上述目的,就要在材料、结构、尺寸上进行改进。
 
首先,从材料上讲,各个厂家更加重视基体、胎体配方的研究。力争在考虑经济性的基础上,做到提高锯片的寿命及效率。其典型代表是复合基金刚石圆锯片。复合基金刚石锯片采用低温电沉积合金胎体和金刚石镶嵌工艺,有效地解决了胎体机械性能差及对金刚石把持力弱的问题。利用该技术工艺制备的胎体机械性能相当于用冶金方法制备的胎体,具有优良的抗弯强度并可根据各种石材特点,调整配方组成,使其具有适宜的硬度与韧性,适合金刚石的镶嵌固定。[8]
 
其次,从结构上讲,通过改变金刚石圆锯片的结构达到降低噪音、提高加工精度的目的。目前,研制开发低噪声锯片,大致遵循两条途径:一是改变基体结构,在基体上用激光加工特定沟槽,在沟槽中填入阻尼材料;二是将基体分成3层组合而成,中间层采用阻尼材料。据文献[9]报道,世界上大型金刚石工具制造厂之一 ,芬兰的LevabtoOy公司生产的低噪声锯片近期已开始供应世界上最大的混凝土制件生产商AddtekGroupCo。LevabtoOy公司的低噪声锯片,采用德国的基体,在基体上有激光加工的环槽,环槽中填入阻尼材料。刀头设计成三明治形式。经检测,噪声强度可从100dB降至81~83dB。[10]
 
再次,在尺寸上,金刚石圆锯片直径越来越大,厚径比越来越小。目前,国外最大的金刚石圆锯片的直径已经达到了5m。通过对锯片进行整形、校正、应力处理,热处理等以达到最佳使用效果。
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