国内金刚石圆锯片近期发展现状与展望①

王柯,杨晓占,冯序

(重庆理工大学光电信息学院,重庆400054)

国内金刚石圆锯片近期发展现状与展望①

王柯,杨晓占,冯序

(重庆理工大学光电信息学院,重庆400054)

金刚石圆锯片广泛应用在加工大理石、陶瓷、花岗岩等脆硬性材料中,是石材加工的重要工具,也是金刚石类工具中消耗量最大的加工工具。文章对金刚石圆锯片近期的发展做了总结,对金刚石圆锯片未来的重点发展领域进行了展望。

金刚石圆锯片;综述;现状;展望

由于金刚石圆锯片具有良好的切削和加工性能,随着当今社会发展,金刚石圆锯片的应用愈加广泛,需求量也日趋增大。1885年,法国人Jaeguin发明并制成世界上第一片手工镶嵌式金刚石锯片[1],1930年随着现代粉末冶金技术的发展和人造金刚石的合成成功[2],金刚石圆锯片制造业得到迅速发展,在工程方面的应用也日趋广泛。随着当今社会人们物质文化生活水平的不断提高,对工业建筑、建筑装饰、交通运输发展的迫切需求,石材及混凝土在建筑行业的使用占有越来越重要的地位,由此带动金刚石圆锯片制品产业的不断发展。

1.金刚石圆锯片近期发展现状

1.1 关键技术取得突破和发展

近些年来,随着新型预合金粉、柔性加工、激光焊接等关键技术实现较大突破,在石材、建筑、地质、石油、矿山、电力、交通、国防等领域,金刚石圆锯片都取得了更多重要的应用。目前国内的金刚石圆锯片产品已经部分代替进口同类产品,基本由黑旋风、玉田、海恩等几家生产企业承担,这几家企业生产的锯片占整个石材市场容量的85%以上,在国际市场上也具备了一定的竞争优势。随着合成技术的进步,更多性能优异的金刚石圆锯片将被人们研究和应用,促进其进步与升级。

1.2 产品品种的多样化、系列化、标准化

金刚石圆锯片有各种种类,用途广泛。依据其应用分为:石材切割用圆锯片、木材切割用圆锯片、沥青及混凝土切割用圆锯片、耐火材料切割用圆锯片及新兴起的艺术图案雕刻用圆锯片等;其直径的大小从小手工切割片(Φ105mm)到大的圆盘锯片(Φ2500mm),分别应用在不同规格材料切割上。从生产工艺来区分:激光焊接金刚石圆锯片、电镀类圆锯片、粉末烧结类锯片等。如今,在石材加工、陶瓷切割、家庭装修等方面,金刚石圆锯片形成了丰富多样的产品系列,在每一个产品系列中,又能根据切割对象的不同形成一个全新完整的产品体系,并且都形成了规模化、专业化的生产。

1.3 我国金刚石圆锯片研究状况

据市场调研分析,目前在使用金刚石圆锯片的各个工程领域,仍然以普通基体金刚石圆锯片应用最为广泛,由此也可以发现普通基体金刚石圆锯片能满足大部分的切割需要,但圆锯片仍然存在着许多问题,影响着锯片成本的降低和切割质量的提高。

针对目前圆锯片存在的诸多问题,何艳艳等[3]研究了刀头胎体成分、钴含量、金刚石、不同碳化钨粉料以及烧结工艺对锯片锋利性和寿命等方面的影响,研制出了一种既锋利又耐切的混凝土专用圆锯片。史冬梅等[4]通过分析金刚石圆锯片的节块工作面上的金刚石的分布状态和锯片工作时的运动特点,求出了锯片节块工作面上出刃金刚石之间的距离和金刚石的运动轨迹,据此推导出单颗金刚石切削厚度的计算公式,并讨论了切削厚度与锯切参数和节块结构之间的关系。胡映宁、王成勇等[5]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。

在竞争日益激烈的今天,特色化、多样化的金刚石圆锯片产品无疑会具有更强的生命力和吸引力,更具市场号召。行业相关企业须经营好自己的特色,同时紧跟市场发展与要求,才能在市场中站住脚。

2 金刚石圆锯片发展展望

2.1 提高切割质量和锯片使用寿命

为了节约石材,减小对环境的污染,金刚石圆锯片正向薄型方向发展。在工作过程中,由于圆锯片承受离心力、锯切力、锯切热等外载荷作用,锯片径厚比一般都在200以上,属于典型的超薄零件,易产生轴向变形屈曲,同时水槽底部应力较大,易产生锯片裂纹和断裂,导致锯片结块早期破损、锯片寿命降低。

因此,提高锯片切割质量、延长锯片使用寿命已成为当下研究的热点之一。张绍和等[6]研究发现,添加合适粒度和浓度的辅磨料,不仅可以提高锯片寿命,还能提高其锋利性,金刚石锯片的使用寿命最多可提高150%以上,切割效率提高约40%。何志坚等[7]根据机械构件的疲劳破坏定理,通过改变普通圆锯片锯齿的结构参数,使圆锯片锯齿在相同切削力作用下水槽根部应力集中部分的应力减小,提高了锯片的使用寿命。

金刚石圆锯片的应用水平直接决定着一个国家的石材加工水平,大力开发各类高质量、高效率的金刚石圆锯片,提高切割工艺的发展,已经成为世界各国的共识。目前的中国正处在一个制造大国向强国迈进的关键时期,在今后我国机械工业的高速发展中,锯片切割是一个关键因素。

2.2 防止共振和降低噪声

金刚石圆锯片在锯切过程中会产生共振和噪声。锯齿受到周期性激励会使锯片发生横向振动,加剧节块磨损,导致使用寿命缩短。锯片在锯切时通常会产生刺耳的噪声,其噪声峰值声压级可超过120dBA,即使是小尺寸金刚石圆盘手锯,辐射出的噪声也非常刺耳,对操作者的身体健康有一定的危害。

国内研究者对圆锯片的振动特性和动态稳定性进行了详细深入的研究,并提出了圆锯片失稳机制。圆锯片达到临界转速失稳状态时,即使横向作用力数值非常小也会导致圆锯片较大幅度的横向摆动,可能引发一系列更为严重的后果。在金刚石工作时,空气动力学噪声在某些场合下占有重要比重(齿尖噪声、涡流噪声、排气噪声等)。当圆锯片处于高速旋转状态且空气涡流的分离频率接近于锯片的某阶固有频率时,就会产生共振噪声。

采用外加辅助支撑控制器的方法提高锯片的横向刚度,不仅可以降低共振和噪声,还可以提高锯切稳定性。从而使得圆锯片工作效率有了明显的改善,并且也大大减小了对操作者身心健康的威胁。此外,再结合均匀分布/有序排列技术、粉末超细化低氧化等技术,金刚石圆锯片的振动和噪声问题还会得到一定程度的改善,组织合金化会更充分,锯齿尺寸会更加细小。

2.3 基体创新和结构优化

随着石材用量的不断增大和人类环保意识的逐步增强,金刚石圆锯片锯切技术正朝着提高锯切效率、降低生产成本、节约石材资源、减少环境污染等方向发展,其中一个重要的技术趋势就是基体创新和结构优化。

张淑贵等采用有限元分析软件ANSYS,优化设计出一种适于高速锯切的超薄金刚石圆锯片结构[8]。王志等基于锯片创新设计原理、锯机结构与功能的分析,将圆锯片分解为切割功能模块、支撑功能模块和驱动功能模块,提出了新型组合式金刚石圆锯片基体的设计方案。优化后的组合式圆锯片基体质量减轻3.048kg,固有频率提高3.235Hz,圆锯片直径和厚度均有所降低,动态性能更加稳定,结构更加合理[9]。赵民等在金刚石锯片的动态特性研究当中发现,通过改变锯片的几何参数可以提高锯片刚度,如此可延长锯片的使用寿命,改善锯切质量[10]。

相对于国际而言,国内圆锯片基体的综合质量与之依然存在一定差距。大量使用锯片加工石材的技术依然是手工水平,智能化应用不够普及。展望未来,我们必须提高自己产品的性能与寿命,依靠金刚石等超硬材料的进步,提高柔性加工、激光焊接等技术,全面提高我国金刚石圆锯片的总体制造水平和应用水平。

3 结论

面对金刚石圆锯片的飞速发展,我们需要头脑冷静,认真思考。我们要认识到,金刚石圆锯片的发展必须是全方位、高水平、可持续的发展,而不仅仅只保持一个利益的增长。我们必须立足于当下,着眼于未来,这一点对中国金刚石圆锯片制品产业是非常重要的。

金刚石圆锯片的发展与超硬材料紧密相关,我们在不断发展高性能的金刚石圆锯片的同时也要加强超硬材料的研制,将二者有机结合,才能促进锯片产业的发展。单晶金刚石、立方氮化硼、各种聚晶等都可应用于金刚石圆锯片,拓展其应用领域和范围并形成复合锯片,可开拓出新型金刚石圆锯片的良性局面。

本文尽管对金刚石圆锯片的发展进行了相应的期待和展望,但难免有所遗漏。技术正在飞速发展进步,不断进步的金刚石圆锯片制品产业无疑会更好地促进中国石材加工业的发展,推动中国机械工业经济的快速增长。

[1] 肖鸿.中国硅酸盐学会房建材料分会装饰石材专业委员会第五次学术会议论文集[C].中国广州,198.10.

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

[3] 何艳艳,唐霞辉,朱国富,周毅.混凝土专用激光焊锯片的研制[J].金刚石与磨料磨具工程,2002(3):35-37.

[4] 史冬梅,杨凯华,潘秉锁.金刚石锯片节块表面金刚石分布与单颗金刚石切削厚度的计算[J].工具技术,2002(5):7-10.

[5] 胡映宁,王成勇,魏昕,房延利.金刚石圆锯片基体及锯齿结构的特性分析(一)——防侧面磨损、防应力变形、改善冷却性能的锯片结构[J].工具技术,2001(7):21-25.

[6] 张绍和,马欢.金刚石辅磨料对混凝土锯片使用寿命和切割效率的影响[J].粉末冶金材料科学与工程,2010(4):382-387.

[7] 何志坚.金刚石圆锯片锯齿疲劳寿命分析及优化实验研究[D].广西大学,2008.

[8] 张淑贵,李远,黄辉,徐西鹏.高速锯切用超薄金刚石圆锯片的优化设计[J].工具技术,2009(2):44-47.

[9] 王志,张进生,王学礼.组合式金刚石圆锯片创新及优化设计[J].金刚石与磨料磨具工程,2005(4):29-32.

[10] 赵民,郎希影,周青.金刚石圆锯片的动态特性研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),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-),四川自贡人,硕士研究生,主要研究方向为材料的制备与表征;杨晓占(1981-),河南洛阳人,主要研究方向为材料的结构与性能。

重庆市教委科学技术研究项目(KJ130821),重庆市自然科学基金计划(cstc2012jj A10150)。