王柯,楊曉占,馮序

(重慶理工大學(xué)光電信息學(xué)院,重慶400054)

國內(nèi)金剛石圓鋸片近期發(fā)展現(xiàn)狀與展望①

王柯,楊曉占,馮序

(重慶理工大學(xué)光電信息學(xué)院,重慶400054)

金剛石圓鋸片廣泛應(yīng)用在加工大理石、陶瓷、花崗巖等脆硬性材料中,是石材加工的重要工具,也是金剛石類工具中消耗量最大的加工工具。文章對金剛石圓鋸片近期的發(fā)展做了總結(jié),對金剛石圓鋸片未來的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域進(jìn)行了展望。

金剛石圓鋸片;綜述;現(xiàn)狀;展望

由于金剛石圓鋸片具有良好的切削和加工性能,隨著當(dāng)今社會發(fā)展,金剛石圓鋸片的應(yīng)用愈加廣泛,需求量也日趨增大。1885年,法國人Jaeguin發(fā)明并制成世界上第一片手工鑲嵌式金剛石鋸片[1],1930年隨著現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)的發(fā)展和人造金剛石的合成成功[2],金剛石圓鋸片制造業(yè)得到迅速發(fā)展,在工程方面的應(yīng)用也日趨廣泛。隨著當(dāng)今社會人們物質(zhì)文化生活水平的不斷提高,對工業(yè)建筑、建筑裝飾、交通運(yùn)輸發(fā)展的迫切需求,石材及混凝土在建筑行業(yè)的使用占有越來越重要的地位,由此帶動金剛石圓鋸片制品產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。

1.金剛石圓鋸片近期發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 關(guān)鍵技術(shù)取得突破和發(fā)展

近些年來,隨著新型預(yù)合金粉、柔性加工、激光焊接等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)較大突破,在石材、建筑、地質(zhì)、石油、礦山、電力、交通、國防等領(lǐng)域,金剛石圓鋸片都取得了更多重要的應(yīng)用。目前國內(nèi)的金剛石圓鋸片產(chǎn)品已經(jīng)部分代替進(jìn)口同類產(chǎn)品,基本由黑旋風(fēng)、玉田、海恩等幾家生產(chǎn)企業(yè)承擔(dān),這幾家企業(yè)生產(chǎn)的鋸片占整個(gè)石材市場容量的85%以上,在國際市場上也具備了一定的競爭優(yōu)勢。隨著合成技術(shù)的進(jìn)步,更多性能優(yōu)異的金剛石圓鋸片將被人們研究和應(yīng)用,促進(jìn)其進(jìn)步與升級。

1.2 產(chǎn)品品種的多樣化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化

金剛石圓鋸片有各種種類,用途廣泛。依據(jù)其應(yīng)用分為:石材切割用圓鋸片、木材切割用圓鋸片、瀝青及混凝土切割用圓鋸片、耐火材料切割用圓鋸片及新興起的藝術(shù)圖案雕刻用圓鋸片等;其直徑的大小從小手工切割片(Φ105mm)到大的圓盤鋸片(Φ2500mm),分別應(yīng)用在不同規(guī)格材料切割上。從生產(chǎn)工藝來區(qū)分:激光焊接金剛石圓鋸片、電鍍類圓鋸片、粉末燒結(jié)類鋸片等。如今,在石材加工、陶瓷切割、家庭裝修等方面,金剛石圓鋸片形成了豐富多樣的產(chǎn)品系列,在每一個(gè)產(chǎn)品系列中,又能根據(jù)切割對象的不同形成一個(gè)全新完整的產(chǎn)品體系,并且都形成了規(guī)模化、專業(yè)化的生產(chǎn)。

1.3 我國金剛石圓鋸片研究狀況

據(jù)市場調(diào)研分析,目前在使用金剛石圓鋸片的各個(gè)工程領(lǐng)域,仍然以普通基體金剛石圓鋸片應(yīng)用最為廣泛,由此也可以發(fā)現(xiàn)普通基體金剛石圓鋸片能滿足大部分的切割需要,但圓鋸片仍然存在著許多問題,影響著鋸片成本的降低和切割質(zhì)量的提高。

針對目前圓鋸片存在的諸多問題,何艷艷等[3]研究了刀頭胎體成分、鈷含量、金剛石、不同碳化鎢粉料以及燒結(jié)工藝對鋸片鋒利性和壽命等方面的影響,研制出了一種既鋒利又耐切的混凝土專用圓鋸片。史冬梅等[4]通過分析金剛石圓鋸片的節(jié)塊工作面上的金剛石的分布狀態(tài)和鋸片工作時(shí)的運(yùn)動特點(diǎn),求出了鋸片節(jié)塊工作面上出刃金剛石之間的距離和金剛石的運(yùn)動軌跡,據(jù)此推導(dǎo)出單顆金剛石切削厚度的計(jì)算公式,并討論了切削厚度與鋸切參數(shù)和節(jié)塊結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。胡映寧、王成勇等[5]綜合介紹了國內(nèi)外優(yōu)化金剛石圓鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)的有關(guān)成果,分析了各種防側(cè)面磨損防應(yīng)力變形、改善冷卻性能的鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、生產(chǎn)價(jià)值及存在問題。

在競爭日益激烈的今天,特色化、多樣化的金剛石圓鋸片產(chǎn)品無疑會具有更強(qiáng)的生命力和吸引力,更具市場號召。行業(yè)相關(guān)企業(yè)須經(jīng)營好自己的特色,同時(shí)緊跟市場發(fā)展與要求,才能在市場中站住腳。

2 金剛石圓鋸片發(fā)展展望

2.1 提高切割質(zhì)量和鋸片使用壽命

為了節(jié)約石材,減小對環(huán)境的污染,金剛石圓鋸片正向薄型方向發(fā)展。在工作過程中,由于圓鋸片承受離心力、鋸切力、鋸切熱等外載荷作用,鋸片徑厚比一般都在200以上,屬于典型的超薄零件,易產(chǎn)生軸向變形屈曲,同時(shí)水槽底部應(yīng)力較大,易產(chǎn)生鋸片裂紋和斷裂,導(dǎo)致鋸片結(jié)塊早期破損、鋸片壽命降低。

因此,提高鋸片切割質(zhì)量、延長鋸片使用壽命已成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)之一。張紹和等[6]研究發(fā)現(xiàn),添加合適粒度和濃度的輔磨料,不僅可以提高鋸片壽命,還能提高其鋒利性,金剛石鋸片的使用壽命最多可提高150%以上,切割效率提高約40%。何志堅(jiān)等[7]根據(jù)機(jī)械構(gòu)件的疲勞破壞定理,通過改變普通圓鋸片鋸齒的結(jié)構(gòu)參數(shù),使圓鋸片鋸齒在相同切削力作用下水槽根部應(yīng)力集中部分的應(yīng)力減小,提高了鋸片的使用壽命。

金剛石圓鋸片的應(yīng)用水平直接決定著一個(gè)國家的石材加工水平,大力開發(fā)各類高質(zhì)量、高效率的金剛石圓鋸片,提高切割工藝的發(fā)展,已經(jīng)成為世界各國的共識。目前的中國正處在一個(gè)制造大國向強(qiáng)國邁進(jìn)的關(guān)鍵時(shí)期,在今后我國機(jī)械工業(yè)的高速發(fā)展中,鋸片切割是一個(gè)關(guān)鍵因素。

2.2 防止共振和降低噪聲

金剛石圓鋸片在鋸切過程中會產(chǎn)生共振和噪聲。鋸齒受到周期性激勵(lì)會使鋸片發(fā)生橫向振動,加劇節(jié)塊磨損,導(dǎo)致使用壽命縮短。鋸片在鋸切時(shí)通常會產(chǎn)生刺耳的噪聲,其噪聲峰值聲壓級可超過120dBA,即使是小尺寸金剛石圓盤手鋸,輻射出的噪聲也非常刺耳,對操作者的身體健康有一定的危害。

國內(nèi)研究者對圓鋸片的振動特性和動態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)深入的研究,并提出了圓鋸片失穩(wěn)機(jī)制。圓鋸片達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速失穩(wěn)狀態(tài)時(shí),即使橫向作用力數(shù)值非常小也會導(dǎo)致圓鋸片較大幅度的橫向擺動,可能引發(fā)一系列更為嚴(yán)重的后果。在金剛石工作時(shí),空氣動力學(xué)噪聲在某些場合下占有重要比重(齒尖噪聲、渦流噪聲、排氣噪聲等)。當(dāng)圓鋸片處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)且空氣渦流的分離頻率接近于鋸片的某階固有頻率時(shí),就會產(chǎn)生共振噪聲。

采用外加輔助支撐控制器的方法提高鋸片的橫向剛度,不僅可以降低共振和噪聲,還可以提高鋸切穩(wěn)定性。從而使得圓鋸片工作效率有了明顯的改善,并且也大大減小了對操作者身心健康的威脅。此外,再結(jié)合均勻分布/有序排列技術(shù)、粉末超細(xì)化低氧化等技術(shù),金剛石圓鋸片的振動和噪聲問題還會得到一定程度的改善,組織合金化會更充分,鋸齒尺寸會更加細(xì)小。

2.3 基體創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著石材用量的不斷增大和人類環(huán)保意識的逐步增強(qiáng),金剛石圓鋸片鋸切技術(shù)正朝著提高鋸切效率、降低生產(chǎn)成本、節(jié)約石材資源、減少環(huán)境污染等方向發(fā)展,其中一個(gè)重要的技術(shù)趨勢就是基體創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

張淑貴等采用有限元分析軟件ANSYS,優(yōu)化設(shè)計(jì)出一種適于高速鋸切的超薄金剛石圓鋸片結(jié)構(gòu)[8]。王志等基于鋸片創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理、鋸機(jī)結(jié)構(gòu)與功能的分析,將圓鋸片分解為切割功能模塊、支撐功能模塊和驅(qū)動功能模塊,提出了新型組合式金剛石圓鋸片基體的設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化后的組合式圓鋸片基體質(zhì)量減輕3.048kg,固有頻率提高3.235Hz,圓鋸片直徑和厚度均有所降低,動態(tài)性能更加穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)更加合理[9]。趙民等在金剛石鋸片的動態(tài)特性研究當(dāng)中發(fā)現(xiàn),通過改變鋸片的幾何參數(shù)可以提高鋸片剛度,如此可延長鋸片的使用壽命,改善鋸切質(zhì)量[10]。

相對于國際而言,國內(nèi)圓鋸片基體的綜合質(zhì)量與之依然存在一定差距。大量使用鋸片加工石材的技術(shù)依然是手工水平,智能化應(yīng)用不夠普及。展望未來,我們必須提高自己產(chǎn)品的性能與壽命,依靠金剛石等超硬材料的進(jìn)步,提高柔性加工、激光焊接等技術(shù),全面提高我國金剛石圓鋸片的總體制造水平和應(yīng)用水平。

3 結(jié)論

面對金剛石圓鋸片的飛速發(fā)展,我們需要頭腦冷靜,認(rèn)真思考。我們要認(rèn)識到,金剛石圓鋸片的發(fā)展必須是全方位、高水平、可持續(xù)的發(fā)展,而不僅僅只保持一個(gè)利益的增長。我們必須立足于當(dāng)下,著眼于未來,這一點(diǎn)對中國金剛石圓鋸片制品產(chǎn)業(yè)是非常重要的。

金剛石圓鋸片的發(fā)展與超硬材料緊密相關(guān),我們在不斷發(fā)展高性能的金剛石圓鋸片的同時(shí)也要加強(qiáng)超硬材料的研制,將二者有機(jī)結(jié)合,才能促進(jìn)鋸片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。單晶金剛石、立方氮化硼、各種聚晶等都可應(yīng)用于金剛石圓鋸片,拓展其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍并形成復(fù)合鋸片,可開拓出新型金剛石圓鋸片的良性局面。

本文盡管對金剛石圓鋸片的發(fā)展進(jìn)行了相應(yīng)的期待和展望,但難免有所遺漏。技術(shù)正在飛速發(fā)展進(jìn)步,不斷進(jìn)步的金剛石圓鋸片制品產(chǎn)業(yè)無疑會更好地促進(jìn)中國石材加工業(yè)的發(fā)展,推動中國機(jī)械工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速增長。

[1] 肖鴻.中國硅酸鹽學(xué)會房建材料分會裝飾石材專業(yè)委員會第五次學(xué)術(shù)會議論文集[C].中國廣州,198.10.

[2] F.H.Hughes.Industrial Diamond Review,FP.Bundy etal.Nature,1995(176):213.

[3] 何艷艷,唐霞輝,朱國富,周毅.混凝土專用激光焊鋸片的研制[J].金剛石與磨料磨具工程,2002(3):35-37.

[4] 史冬梅,楊凱華,潘秉鎖.金剛石鋸片節(jié)塊表面金剛石分布與單顆金剛石切削厚度的計(jì)算[J].工具技術(shù),2002(5):7-10.

[5] 胡映寧,王成勇,魏昕,房延利.金剛石圓鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)的特性分析(一)——防側(cè)面磨損、防應(yīng)力變形、改善冷卻性能的鋸片結(jié)構(gòu)[J].工具技術(shù),2001(7):21-25.

[6] 張紹和,馬歡.金剛石輔磨料對混凝土鋸片使用壽命和切割效率的影響[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程,2010(4):382-387.

[7] 何志堅(jiān).金剛石圓鋸片鋸齒疲勞壽命分析及優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究[D].廣西大學(xué),2008.

[8] 張淑貴,李遠(yuǎn),黃輝,徐西鵬.高速鋸切用超薄金剛石圓鋸片的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工具技術(shù),2009(2):44-47.

[9] 王志,張進(jìn)生,王學(xué)禮.組合式金剛石圓鋸片創(chuàng)新及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].金剛石與磨料磨具工程,2005(4):29-32.

[10] 趙民,郎希影,周青.金剛石圓鋸片的動態(tài)特性研究[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(4): 761-765.

Recent Development Status and Prospect of Diamond Circular Saw Blade in China

WANG Ke,YANG Xiao-zhan,FENG Xu
(1.Department of Optoelectronic Information,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

Diamond circular saw blade is widely used for cutting brittle hard materials such as marble,ceramics and granite and is an important tool for stone processing.It is also the most often used processing tool among the diamond tools.In this article,the recent development of diamond circular saw blade has been summarized and the key development fields for it in the future have been predicted.

diamond circular saw blade;summarize;current status;prospect

TQ164

A

1673-1433(2014)05-0030-03

2014-12-20

王柯(1990-),四川自貢人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)椴牧系闹苽渑c表征;楊曉占(1981-),河南洛陽人,主要研究方向?yàn)椴牧系慕Y(jié)構(gòu)與性能。

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ130821),重慶市自然科學(xué)基金計(jì)劃(cstc2012jj A10150)。