摘要　設計并制作了3組新型磨料有序排布燒結金剛石鋸片和1組無序鋸片，進行了635^#花崗巖對比切割試驗。對有序排布鋸片的胎體磨損進行了分析，研究了金剛石濃度、鋸片外徑等因素對有序排布鋸片鋒利度與壽命的影響。研究發現：有序排布鋸片邊實層與中料層之間有個最佳金剛石濃度差，使得有序排布鋸片具有最優的鋒利度與壽命；有序鋸片鋒利度好于無序鋸片，有序鋸片切割性能較無序鋸片穩定，有序排布鋸片還可以減少金剛石濃度、節約金剛石用量、降低10%以上的金剛石材料成本。

關鍵字   有序排布；金剛石鋸片；邊料層與中料層；鋒利度與壽命 

　　傳統的金剛石鋸片，金剛石磨料隨機分布，會出現工作面上磨料負荷與磨削過程失衡、磨料利用率低、鋒利度與壽命相互制約、切割性能不穩定等問題。為解決這些問題，相關單位研制有序排布金剛石鋸片。韓國Shinhan金剛石工業公司、中南大學、四川惠利與臺灣中華砂輪公司做了大量的研究工作，取得了豐碩的成果^[1~2]。南京航空航天大學1998年開始金剛石磨料有序排布的研究，目前，已成功研制出系列金剛石磨料有序排布機和磨料有序排布工具。主要針對新型磨料有序排布整體燒結金剛石鋸片進行加工性能試驗研究，以驗證有序排布鋸片的優越性。

1         試驗設計

1.1       胎體配方設計

　　胎體常用結合劑種類有銅基、鈷基、鐵基、鎳基、鎢基或碳化鎢基等。鈷基結合劑因具有對金剛石的把持力好、耐磨性好、韌性好、自銳性好等優點曾被廣泛應用，但鈷基價格昂貴。鐵基結合劑具有較高的力學性能，且對金剛石有較好的濕潤性，但是鐵基結合劑對金剛石有較大的刻蝕，且所制成的金剛石工具不易出刃^[3]。銅基結合劑具有鋒利性好、韌性好、燒結溫度低、成型性能好等特點，但是銅基結合劑對金剛石潤濕性差，對金剛石的把持力低，強度硬度低[4]。綜合考慮切割對象和鋸片制作工藝以及成本等因素，我們選用銅基結合劑作為有序鋸片胎體，為了增強胎體對金剛石的把持力和提高胎體強度硬度，胎體中不添加了鐵、鎳、鈷等其他金屬元素。

1.2       鋸片制作

　　與傳統整體燒結金剛石鋸片相比，新型有序排布整體燒結金剛石鋸片在制作流程上增加了金剛石磨料有序排布工藝。本試驗采用了自行研制的磨料有序排布機對金剛石進行有序排布，有序鋸片刀頭采用了三層結構，其中能排布金剛石磨料的兩外側層胎體稱為邊料層，不能排布金剛石的磨料的中間層胎體稱為中料層。

2　試驗過程和結果

　　確定好配方后，按照上述工藝流程制作了3組有序排布鋸片和1組無序排布鋸片并進行對比試切635^#花崗巖試驗，所制作的磨料有序排布鋸片如圖1所示。

圖1　兩種不同間距的有序排布鋸片

　　3組有序排布鋸片均使用同一配方，前2組有序排布鋸片規格為Φ125mm×1.9mm×10mm×22.23mm×9T，基體厚度為1.4mm，第3組有序排布鋸片規格為Φ105mm×1.7mm×10mm×22.23mm×8T，基體厚度為1.2mm。有序排布鋸片邊料層排布的金剛石牌號為HWD80，粒度為40/45，中料層的金剛石牌號為ZND2160，粒度為35/40，邊料層金剛石排布間距與中料層金剛石濃度相異，具體情況列于表1。無序鋸片中三明治鋸片邊料層、中料層金剛石牌號與粒度與有序鋸片一樣，非三明治鋸片金剛石牌號為HWD80，粒度為40/45。

表1　鋸片性能參數設計表

　　本試驗選取某地產的635#花崗巖作為切割對象，635#花崗巖硬度較高、脆性大、研磨性強，635#花崗巖尺寸規格為640mm（長度）×17mm（厚度）。切割試驗使用的切割機參數為額定電壓380V，轉速2840r/min，功率為2.2kW。在切割過程中，調節鋸片進刀速度使其保持在某一恒定值，同時切割機操作面板上的電流表顯示鋸片消耗的電流大小（鋸片空轉電流為1.8A），電流越小說明鋸片越鋒利。切割相同次數后，用游標卡尺測量鋸片的外徑消耗，刀頭磨損率＝半徑消耗/總切割長度，刀頭磨損率越小，說明鋸片壽命越好。鋸片的切割性能如表2。表2中電流為鋸片切割20刀之后消耗的平均電流。

表2　鋸片切割性能表

3　試驗分析與討論

3.1       有序排布金剛石鋸片的刀頭磨損分析

　　傳統的刀頭為中凹形式結構的鋸片，其工作原理是：在鋸片工作過程中，刀頭的中間層胎體磨損快于外層胎體，因而其橫截面容易形成中凹形式。但由于金剛石磨料在刀頭胎體中是無序分布的，導致鋸片各個刀頭所形成的中凹槽中出露的金剛石磨料會形成眾多微小凸起的切削刃，減弱了中凹形結構刀頭的作用，因此傳統的刀頭為中凹形式結構的鋸片在切割時角有較大的的偏擺，切割質量較差。而在本試驗所研制的有序排布金剛石鋸片中，只有刀頭邊料層表面上的金剛石是有序排布的，中料層的金剛石還是隨機分布，并且由于邊料層厚度大于單顆金剛石的粒徑，中料層與邊料層金剛石之間會有一層不含金剛石的純胎體層，如圖2所示。在有序排布鋸片工作過程中，邊料層中純胎體層的磨損必將快于中料層和邊料層中含有金剛石胎體層，而常規鋸片的刀頭在磨損后其端截面容易形成中凸形式結構，刀頭兩側比中間更容易磨損，因此有序鋸片邊料層中含有金剛石的胎體層比中料層更易損，所以有序鋸片在工作過程中其刀頭的橫截面形狀容易呈三刃對稱扇形結構，如圖3所示，且各個刀頭的三刃對稱扇形結構相一致。在有序鋸片切割巖石過程中，三刃對稱扇形結構能減小刀頭與巖石的接觸面積，提高鋒利度，并且能保證刀頭全部用完，而且大大減小有序鋸片的偏擺度，克服中凹形刀頭切割時仍有較大偏擺、切割質量較差的缺點^[5]。此外，在三刃對稱扇形結構中有兩個對稱的溝槽，溝槽的寬度和深度大小對有序排布鋸片的鋒利性和壽命有著重要的影響。

3.2       中料層金剛石濃度對切割性能的影響

　　在邊料層金剛石間距、粒度和中料層金剛石粒度等因素不變的條件下，改變中料層金剛石濃度研究其對鋸片切割性能的影響。有序排布鋸片的切割性能變化如圖4、圖5所示。

　　由圖4、圖5可知當有序鋸片中料層金剛石濃度大約為6%或12%時，對應的有序排布鋸片具有最優的綜合加工性能。

　　行業規定當金剛石體積分數為25%時，即金剛石含量為4.4ct/cm³時的金剛石濃度為100%，而1ct粒度為40/45的金剛石里大概有2015顆金剛石。邊料層金剛石濃度可通過下面公式計算得出：

　　                                　　（1）

　　式中：n——邊料層金剛石重量，經統計間距為0.8mm的Φ125mm鋸片為2.2ct，間距為1.5mm的Φ125mm鋸片為0.8ct；V——邊料層體積，經計算Φ125mm鋸片為3.0cm³。

　　由（1）式計算可得間距為0.8mm的Φ125mm鋸片邊料層金剛石濃度為16.7%，間距為1.5mm的Φ125mm鋸片邊料層金剛石濃度為7%。因此間距為0.8mm的有序鋸片（邊料層金剛石濃度為16.7%），當其中料層金剛石濃度大約為12%時，或者間距為1.5mm的有序鋸片（邊料層金剛石濃度為7%），當其中料層金剛石濃度大約為6%時，有序排布鋸片具有最優的綜合加工性能。

　　圖6、圖7、圖8分別為6號、8號、9號有序鋸片的刀頭磨損情況。

　　比較圖6、圖7、圖8中有序鋸片的刀頭磨損情況可知，中料層金剛石濃度的不同會對溝槽的寬度和深度造成影響。由從圖6與圖7中可以看出，當中料層金剛石濃度太小時，刀頭上中刃的寬度較小，兩溝槽的寬度和深度過大，這是因為中料層金剛石濃度太小，中料層工作面上出露的有效金剛石磨粒數就越少，刀頭磨損后形成的中刃寬度很小，溝槽寬度和深度過大，刀頭碎巖效果差，而有效金剛石磨粒數越少，金剛石容易破碎而過早失效，中料層胎體磨損過快，因此鋸片鋒利度差，壽命短。

　　而由從圖7與圖8中可以看出，當中料層金剛石濃度過大時，刀頭磨損后形成的中刃寬度很大，兩溝槽的寬度和深度很小，這是因為中料層金剛石濃度過大，中料層工作面上出露的有效金剛石磨粒數越多，金剛石很難發生微破碎和出刃，中料層胎體磨損比邊料層慢，刀頭磨損形成的中刃寬度過大，兩溝槽的寬度和深度很小，刀頭傾向圓弧化，因此鋸片的鋒利度差，壽命也不高。可見，有序排布鋸片中料層與邊料層之間有個最佳金剛石濃度差，它使得刀頭在磨損后形成了溝槽深度和寬度配置合理的三刃對稱扇形結構，實現中料層和邊料層的同步磨損，從而使得有序排布鋸片具有最優的綜合加工性能。

3.3       鋸片外徑對切割性能的影響

　　由圖4、圖5可知，在邊料層金剛石間距、粒度和中料層金剛石粒度、濃度等因素不變的條件下，改變鋸片的外徑也會對鋸片切割性能造成影響。根據文獻^[8]介紹，在一般情況下，隨著鋸片外徑增加，鋸片的線速度增大，同時金剛石受到的沖擊力增大使得金剛石發生微破碎，從而提高鋸片的鋒利度，另外，隨著外徑增加，鋸片外徑磨損越小。從圖4、圖5可以看出有序排布鋸片也符合這種情況。圖9為13號有序鋸片的刀頭磨損情況。

圖9　13號有序鋸片的刀頭磨損情況

 　　從圖9中可以看出，13號有序飾的刀頭在磨損后其工作面上出現了兩條中刃和三條溝槽，而9號有序鋸片的刀頭在磨損后，其工作面上出現的中刃寬度過大，刀頭傾向圓弧化，由此可見13號有序鋸片刀頭比9號更易磨損，而這兩種鋸片只有外徑不一樣，其他參數都一樣。出現上述現象的原因是由于鋸片外徑小，切割相同長度的花崗巖時，鋸片旋轉的次數越多，胎體受到巖粉沖蝕的次數就越多，因而胎體易磨損，壽命變短。增大邊料層和中料層金剛石濃度，可以增強胎體耐磨性。間距為1.5mm的Φ105mm有序鋸片在中料層金剛石濃度大約為8%時，具有最優的綜合加工性能（壽命短），而間距為1.5mm的Φ125mm有序鋸片在中料層金剛石濃度大約為6%時，具有最優的綜合加工性能。可見，當邊料層金剛石間距相同時，適當增大中料層金剛石濃度，可以提高小外徑有序排布鋸片的鋒利度與壽命。

3.4       有序鋸片與無序鋸片的對比分析

　　本試驗制作的無序鋸片分為傳統加壓燒結鋸片和三明治加壓燒結鋸片，其切割性能變化如圖10、圖11所示。

　　從圖10、圖11可以看出，并非所有的有序鋸片鋒利度與壽命都好于無序鋸片。當其中料層金剛石濃度為12%時，有序排布鋸片鋒利度比相應三明治無序鋸片高出18%，比金剛石濃度為14%的非三明治無序鋸片高出12%，而壽命相差較小。因此性能優異的有序鋸片鋒利度好于無序鋸片，而壽命相差較小。本試驗中很多無序鋸片在切完20刀之后繼續切割時，會出現電流過大、鋸片切割打滑甚至切不動問題，而有序鋸片幾乎不會出現這種問題，可見有序鋸片切割性能較無序鋸片穩定。

　　鋸片所消耗金剛石的量，可通過下面公式計算得出：

　　N=4.4VC　　　　　　　　　　　（2）

　　式中：Ｃ——金剛石濃度；Ｖ——鋸片體積，三明治鋸片邊料層體積為3.0cm³，中料層體積為2.9cm³，非三明治鋸片體積為5.9cm³。

　　通過（2）式計算得中料層質量濃度為12%的有序排布鋸片或三明治無序鋸片所耗金剛石的量為3.7ct，金剛石濃度為14%和17%的非三明治無序鋸片，所耗金剛石的量分別為3.7ct和4.4ct。由于有序排布鋸片中料層金剛石牌號為ZND2160，而非三明治無序鋸片金剛石牌號為HWD80，所以有序排布鋸片可以降低10%以上的金剛石材料成本。如果在有序排布鋸片刀頭工作層中按著優化地貌進行有序排布金剛石磨料，不僅可以大幅度提高鋸片的鋒利度與壽命，還可以減少金剛石濃度、節約金剛石用量。

4              結論

（1）       有序排布鋸片料層與邊料層之間有個最佳金剛石濃度差，使得刀頭在磨損后形成了溝槽深度和寬度配置合理的三刃對稱扇形結構，實現中料層和邊料層的同步磨損，從而使得有序排布鋸片具有最優的綜合加工性能。

（2）       有序排布鋸片的外徑減小，導致鋸片胎體更易磨損，鋸片鋒利度變差，壽命變短。當邊料層金剛石磨料間相同時，適當增大中料層金剛石濃度，可以提高小外徑有序排布鋸片的鋒利度與壽命。

（3）       有序排布鋸片和無序鋸片比較，其鋒利度好，切割性能穩定，還可以減少金剛石濃度、節約金剛石用量，可降低10%以上的金剛石材料成本。

參考文獻：

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[5]　徐西鵬.金剛石圓鋸片節塊幾何形狀對磨損機理的影響[Ｊ].磨料磨具與磨削，1995，85（1）：17－19.

作者簡介

段端志，1988年生，男，江西吉安人，南京航空航天大學碩士研究生，主要從事高效精密加工技術研究。