一种基于激光切缝消音金刚石锯片的设计制作

陈欣宏 吴益雄 黄云

摘要：为研制出达到环保标准的消音金刚石锯片来取代传统金刚石锯片，依据激光切缝消音原理，通过在基体上设计一种改进型的 U 型倾斜消音缝，消音缝的形状为U 形、倒U 形按序交错叠加其一条U 形臂而成，倾斜消音缝的缝隙宽度为0.3 mm，采用了大族激光的高性能光纤激光器进行切缝加工，缝隙中填充消音材料，制备工艺中采用加入超细预合金化的金属粉末的金刚石-金属键合技术，来保证锯片的锋利度和耐磨度，制作出了一种消音金刚石锯片。对两种石材的切割噪声进行测试，所制作的金刚石锯片切割噪声均低于80 dB，达到了环保的标准。

关键词：金刚石锯片;激光切缝;消音

中图分类号：TG485      文献标志码：A       文章编号：1009-9492（2021）12-0204-03

Design and Fabrication of a Noise Reducing Diamond Blade Based on Laser-slotted

Chen Xinhong1，Wu Yixiong1，Huang Yun2

（1.Guangzhou Crystal Technology Co.，Ltd.，Guangzhou，510520，China;2.Guangzhou Institute of Electronic Technology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510070，China ）

Abstract：Based on the principle of laser slit silencing，an improved u-shaped inclined silencing slot was designed on the substrate to replacethe traditional silencing slot in order to develop the environmental protection standard of Diamond blade.The shape of the noise reducing slot isU-shaped and inverted U-shaped，which are made by overlapping one U-shaped arm in sequence.The width of the inclined noise reducing slotis 0.3 mm.The  large  family  high -performance  fiber  laser  is  used  to  cut  the  slot，in  the  preparation  process，the  diamond -metal  bondingtechnology with ultra-fine pre -alloyed metal powder was  used to  ensure  the  sharpness  and  abrasion resistance  of the  saw blades.A  kind  ofdiamond blade was made.The cutting noise test of the two kinds of stone products showed that the cutting noise of the diamond blade producedwas lower than 80 dB，which reached the standard of environmental protection.

Key words：diamond row saws;laser-slotted;noise reducing

0 引言

噪聲污染、空气污染、水污染是当代三大污染源，噪声已成为危及人们生活和身体健康的一种公害。金刚石锯片具有优越的切削性能、磨损性能及高效的加工性能，被广泛地运用于石材加工、建筑、装潢等行业。但金刚石锯片在锯切过程中高速旋转锯切会产生噪声，其切割石材的噪声通常在115dB以上，切割木材的啸叫噪声更大，对人体健康有较大的危害。随着国家对环境保护的重视，达到环保标准的消音金刚石锯片取代传统金刚石锯片成为必然，消音金刚石锯片是未来研究和发展的方向。

国内外学者对金刚石锯片的降噪机理和方法进行了大量的研究，任江华等“用CAD软件设计了不同细缝形状的锯片基体，用有限元软件ANSYS分析了锯片基体的模态，结合噪声测试试验分析了激光切缝金刚石圆锯片的降噪机理;陈雨果通过理想化锯切工况受力模型，研究了锯片不同锯切工况下所受切削力的时频特性，提出消振级和声辐射效率衰减级这两个对比量来代替绝对量，用来评价消音结构的消音特性，并通过此法，研究了开孔、开缝锯片的消音特性，发现外边缘的直线型切缝是导致锯片6kHz附近高频噪声的不稳定结构，M型、S型缝在4kHz以上有高频噪声消音作用。根据不同的消音原理，提出了多种消音措施，如降噪屏、切缝消音、阻尼夹层消音、分层式刀头设计等。李长龙等3着重阐述了阻尼合金夹层的消音机理试验证明，所研制的阻尼合金消音锯片对降噪具有比较明显的效果;D C Stevenson等采用了在金刚石锯片的两侧用阻尼板固定或夹具夹紧的方法，同时在锯片旋转过程中进行喷水处理，来降低噪声;H K Tonshoff等5研究了三明治型的消音金刚石锯片，夹层采用粘弹性材料，通过夹层与基体间空气层中空气的流动和摩擦来减少噪声的辐射;杨秀鲁等6利用ANSYS Wobench 软件从模态、谐响应和声场进行动态特性分析，发现在900～980 Hz频率范围内，孔缝混合结构可有效地降低圆锯片基体的振动和噪声。于家伟[7]引入模态映射方法计算金刚石圆锯片振动位移响应，并将其映射到边界元网格作为边界条件，通过边界元方法求解金刚石圆锯片声辐射特性，探究降噪孔结构对金刚石圆锯片振动和声场的影响及其降噪机理，为降噪孔结构的减振降噪机理研究提供了一定的依据。

近年来，随着激光切割技术的发展，激光切缝消音的研究越来越受到重视。新型激光器的光束可以聚焦得更小，切缝更加精细，切缝热影响区对锯片机械性能影响小，并能更为方便地控制切缝形状和宽度，达到良好的消音效果。韩海峰等[8]针对三明治金刚石锯片基体材料的特点，采用Rofin  DC025板条CO2激光切割系统，深入研究小350 mm 锯片基体切割工艺，分析了激光功率、切割速度、辅助气体等因素对切口质量的影响，获得了一套优化的切割工艺参数。许天宇等[9]为了探究光纤激光切割碳钢板工艺特性，开展了光纤激光切割20 mm 厚Q235b 钢板工艺实验，系统研究了部分工艺参数（切割速度、离焦量、辅助气压）对切缝质量的影响。

目前国内虽然在消音金刚石锯片的研究方面有了很大进展，但现有的消音金刚石锯片产品还基本无法达到80 dB 以下，在设计和工艺制作流程方面还存在不足。吉春晖等[10]对国内外最新的研究工作及成果进行了综述，并对目前研究中存在的问题以及今后的研究方向开展讨论。

为研制出环保标准的消音金刚石锯片，解决设计和工艺制作流程上问题。本次实验研究拟依据激光切缝消音原理，通过在基体上设计一种改进型的U 型倾斜消音缝[11]，消音缝的形状为U 形、倒U 形按序交错叠加其一条U 形臂而成。倾斜消音缝的缝隙宽度为0.1～1 mm 可调，实验找出最佳缝宽，达到预期的消音效果;采用新型的光纤激光器切割，并在缝隙中添加消音填充剂进行消音;同时利用调配的超细预合金化的金属粉末，采取金刚石-金属键合技术，来提高锯片的锋利度和使用寿命。

1 消音金刚石锯片制作工艺

消音金刚石锯片制作工艺流程如图1所示。依据调配出的预合金化的金属粉末配方，采用金刚石-金属键合技术，为了获得更理想的效果，在结合剂配方中加入1000目以细的超细合金粉，使锯片刀头在烧结过程中，利用结合剂中形成的固熔相和合金熔体，促使合金属元素与金刚石表面的C 原子形成化学键，从而使金刚石-金属成为完全键合，使金刚石和金属胎体达到最佳冶金结合状态，提高金刚石刀头的锋利度和耐磨度;利用自动冷压成形技术和真空热压烧结成形，采用深圳大族激光公司的高功率光纤激光切割系统对金刚石锯片进行切缝控制，激光切缝过程中，由于锯片不是完全平整，导致切割时聚焦光斑的变化，使切缝大小不一，为消除切缝的不均匀，必须在切割时保持焦点位置不变;利用一种高度传感器检测，设定激光头至锯片的距离，通过传感器进行实时跟踪，维持激光头至锯片的距离不变，保证切缝的均匀，然后加入消音填充剂，完成消音金刚石锯片制作的主要工艺流程。

2 消音金刚石锯片结构设计

2.1 消音金刚石锯片刀头

为保持切割工作过程中锯片所受到的阻力均匀一致，达到排渣、散热、不轻易钝化的目的，金刚石锯片刀头设计为一种连续式的波纹结构，在其圆形基体外圆周边缘上的刀头相对的两侧面分布从外到里的凹槽，凹槽的横截面呈方形，并在基体外圆周采用圆孔均布结构。刀头结构设计如图2所示。为保持刀头的厚度，提高刀头的强度，刀头两侧面的凹槽呈互相交错排列状。齿波纹状的物理结构设计，在切割无机非金属材料时，非常有利于排渣、散热、减震和降噪，其切割噪声只有传统锯片的1/2。另外，金刚石刀头是整体冷压成形、热压烧结，形成高强度的连续式环形整体。切割工作时，不会瞬间断齿飞出，只会先产生裂纹，裂纹扩展，切割阻力增大，切割声音异常，有足够的时间引起警惕，在金刚石刀头断裂前停止切割工作，更换新的锯片，避免安全事故的发生。

2.2  消音金刚石锯片基体结构

消音金刚石锯片基体结构设计如图3所示，在锯片外沿切割细缝，细缝改变锯片边沿空气涡流，降低了空气动力的噪声，在锯片基体上切割出类U 形或者为倒U 形特定形状的消音缝，消音缝的形状为U 形、倒U 形按序交错叠加其一条U 形臂而成，如图4所示，缝隙宽度为0.1～1 mm 可调，实验测试缝宽0.3 mm 时降噪效果最佳。为避免锯片高速旋转切割时倾斜消音缝的起始端或终止端裂开，导致锯片的强度下降，锯片的质量变差，设计倾斜消音缝的起始端或终止端向U  形内弯曲，或者起始端或终止端设有直径大于缝隙宽度的孔，保证锯片的加工质量。

3 切缝金刚石锯片噪声测试

选取花岗岩和钢筋混凝土两种石材作为锯切材料，噪声测试计采用型号为AWA6533A 的Ⅱ型声级计，测量时，传感器放置在切割机前方，离锯片中心1 m，距地面高1m 处，测量机器未开动的环境噪声，装上锯片后，又在通水和不通水两种情况下，测试锯片的空转噪声，最后对两种石材分别在空转和切削两种情况下进行测量。环境噪声为39 dB。测量结果如表1所示。使用加工制作的消音金刚石锯片对花岗岩和钢筋混凝土两种石材进行了分别测试，测试显示，花岗岩和钢筋混凝土切割噪声均低于80 dB。

4 结束语

高性能激光器可提高基体切割消音缝的质量，因其切割精度变高，使切缝光滑、热影响区变小;锯片刀头设计为一种连续式的波纹状结构（即在基体外圆周边缘上的刀头两侧面切割连续横截面呈方形的凹槽），并在基体外圆周切割圆孔均布结构，可起到排渣、散热、减震和降噪的效果，其切割噪声只有传统锯片的1/2;基体消音缝主要作用是割断基体周边到中心的振动线，由于切缝的存在，噪声的声能变成动能，动能被填缝的消音材料阻隔和吸收，动能变成热能，基体的噪声被吸收和转化，使噪声减弱，在锯片基体上设计形状为U 形、倒U 形按序交错叠加其一条U 形臂而成的倾斜消音缝，对噪聲的抑制转化效果明显;基于此工艺制作出的消音金刚石锯片进行切割石材噪声测试，切割噪声低于80 dB，达到环保标准。

参考文献：

[1]任江华，唐霞辉，何艳，等.激光切缝金刚石圆锯片的降噪机理研究[J].金刚石与磨料磨具工程，2003（2）：33-35.

[2]陈雨果.钎焊金刚石锯片振动噪声的理论分析与实验研究[ D ].南京：南京航空航天大学，2016.

[3]李长龙，李国彬，郭全梅.阻尼合金夹层消音金刚石圆锯片的研究[J].金刚石与磨料磨具工程，2003（1）：36-38.

[4] D C Stevenson，W W Gray，K C Hoong.Questioning circular sawsby  reducing  blade  vibration [ J ]. Noise  C ontrol  EngineeringJournal，1989（1）：33-37.

[5] Tnshoff H  K，Scherger A.About  Damping  Mechanisms  for  DiskShaped  Tools [ J ].CIRP  Annals - Manufacturing  Technology，1981，30（1）：305-309.

[6]杨秀鲁，刘鲁宁，王永安，等.基于ANSYS  Workbench 软件的圆锯片基体减振降噪设计[J].济南大学报（自然科学版），2020，34（2）：163-168.

[7]于家伟.大直径金刚石圆锯片降噪孔参数优化研究[D].济南：山东大学，2017.

[8]韩海峰，唐霞辉，钟如涛，等.三明治金刚石锯片激光切割工艺研究[J ].激光杂志，2008（1）：66-67.

[9]许天宇，刘怀亮，马修泉，等.光纤激光切割碳钢工艺研究[ J ].机电工程技术，2020，49（3）：174-176.

[10]吉春辉，刘战强，刘鲁宁.圆锯片噪声及其降噪技术的研究进展[J ].工具技术，2010，44（8）：3-7.

[ 11]陈欣宏，吴益雄，魏洪涛.激光切缝消音金刚石锯片：CN201931548U [ P ].2011-08-17.

第一作者简介：陈欣宏（1968-），廣东汕头人，大学本科，工程师，研究领域为金刚石工具、超硬材料。

（编辑：刁少华）