金剛石粒度對(duì)金剛石鋸片性能的影響 - 圖文-

1、 第18卷第1期超硬材料工程V ol.182006年2月SU P ERHAR D M A T ER IA L EN G IN EERIN GFeb.2006金剛石粒度對(duì)金剛石鋸片性能的影響談耀麟(桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西桂林541004摘要:根據(jù)鋸切過(guò)程中鋸片的金剛石粒度與切屑厚度之關(guān)系論述金剛石粒度對(duì)鋸片性能的影響,主要包括鋸切率、使用壽命、功率消耗。在關(guān)于金剛石粒度的表示方式中,指出單純以目數(shù)表示金剛石粒度的局限性和以每克拉顆粒數(shù)(PP C表示金剛石粒度的重要性。關(guān)鍵詞:金剛石;粒度;鋸片性能;P PC中圖分類號(hào):T Q 164文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1673-1433(200601-0

2、010-04The influence of diamond grit size on the performance of diamond saw bladeTAN Yao-lin(Guilin Research I nstitute of Geology f or M iner al Resour ces ,Guilin ,Guang x i 541004,China Abstract :T he influence of diam ond g rit size on the perform ance of diamond saw blade,mainly including cut ra

3、te,service life,pow er consumption,w as discussed o n the basis o f relatio nship between diam ond grit size o f saw blade and chip thickness in saw ing.On the expressio n for diamond g rit size it w as indicated that lim itations in defining diamond g rit size by mesh alone and im po rtance of defi

4、ning diam ond grit size by particles per car at (PPC .Keywords :diam ond ;grit size ;saw blade performance ;PPC金剛石鋸片是應(yīng)用最廣泛的金剛石工具。為了獲得金剛石鋸片的最大效益,無(wú)論是制造廠家還是用戶都十分關(guān)注金剛石鋸片的工作狀況,特別是它的鋸切率、使用壽命和功率消耗。金剛石鋸片的工作狀況與工作條件和金剛石的磨損過(guò)程有著密切關(guān)系。金剛石的耐磨性受其顆粒結(jié)構(gòu)的影響。顆粒結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為粒度、形狀、表面特征和內(nèi)部夾雜物的差異。顆粒結(jié)構(gòu)取決于合成工藝的不同。在金剛石鋸片中,對(duì)金剛石的評(píng)鑒主要包括四

5、個(gè)方面,即粒度、強(qiáng)度、結(jié)晶度和磨損機(jī)理的標(biāo)示值。本文只著重論述金剛石粒度對(duì)金剛石鋸片性能之影響。1金剛石粒度與切屑之關(guān)系在對(duì)金剛石鋸片性能的研究中,往往以無(wú)應(yīng)變切屑厚度來(lái)分析金剛石不同粒度與濃度的影響。一般認(rèn)為無(wú)應(yīng)變切屑平均厚度是測(cè)定作用在金剛石顆粒上的力如何隨著鋸切參數(shù)的改變而改變的有效方法。切屑厚度之所以稱為無(wú)應(yīng)變是因?yàn)橛?jì)算時(shí)只考慮一顆金剛石刻劃工件所產(chǎn)生的切屑的理論厚度。知道了金剛石粒受力的改變,就可以預(yù)測(cè)磨損率、功率消耗以及磨損進(jìn)展的相應(yīng)變化。舉例來(lái)說(shuō),若增加金剛石濃度,金剛石粒受力的平均值將減小,因此更多的金剛石粒會(huì)被磨出平面而失去切削作用。上世紀(jì)80年代初,Tonshoff H.K

6、.等人1在石材鋸切的研究中提出了下列公式用以計(jì)算切屑的平均厚度。H avg =V t V s r N adD(110收稿日期:2005-12-20作者簡(jiǎn)介:談耀麟(1936-,男,高級(jí)工程師,長(zhǎng)期從事超硬材料方面的科研和情報(bào)工作。式中:V t工作臺(tái)速度;V s鋸片圓周速度; 鋸片刀頭總長(zhǎng)度對(duì)鋸片周長(zhǎng)之比;N a單位面積有效工作的金剛石顆數(shù);r切屑寬度對(duì)厚度之比;d鋸切深度;D鋸片直徑。從上式可以看出,在一定鋸切條件下,無(wú)應(yīng)變切屑平均厚度(H avg取決于有效工作的金剛石顆粒數(shù)(N a。但此值難于確定,因?yàn)樗S鋸切條件而變。單位面積上有效工作的金剛石顆數(shù)與鋸片表面上看到的金剛石顆粒不盡相同。根據(jù)

7、Wright D.N.等人2對(duì)金剛石孕鑲鉆頭鉆進(jìn)花崗巖的研究,認(rèn)為只有24%的可看到的金剛石顆粒是有效工作的。式中r值與鋸切條件有關(guān),主要取決于工件的質(zhì)地。在給定的工作條件下,為了預(yù)測(cè)鋸片的工作狀況,有必要控制鋸片中金剛石顆粒的兩個(gè)特征函數(shù)。其一是控制每克拉金剛石顆數(shù)(PPC使鋸片表面上靜態(tài)金剛石顆數(shù)始終一致。鋸片表面上靜態(tài)金剛石顆數(shù)N s與PPC之關(guān)系可用下式表示3。N s=4.4×C100PPC值× /2(2式中:C金剛石濃度; 平均顆粒尺寸。其二是控制金剛石粒對(duì)鋸切力的反應(yīng),亦即改變鋸切參數(shù)來(lái)控制金剛石粒的磨損進(jìn)程。從式(2可看出,有三種途徑可改變鋸片表面上靜態(tài)金剛石

8、顆數(shù),即改變金剛石濃度、粒度范圍或PPC。Koshy P.等人4以概率性模型分析研究金剛石砂輪中金剛石分布狀況得出單位體積和單位面積上金剛石顆數(shù)隨PPC、粒度范圍和濃度而改變的關(guān)系(表1,可供參考。用公式(1和(2可分析PPC與無(wú)應(yīng)變切屑平均厚度之間的關(guān)系,亦即金剛石粒度與切屑之關(guān)系,并加以量化,如圖13所示。從圖1可看出,同樣金剛石濃度的金剛石鋸片在相同的工作條件下,若所含金剛石粒度越小則切屑量越少。公式(1、(2各參數(shù)的關(guān)系可用曲線圖表示。如圖23所示為切屑厚度或鋸切率分別與鋸切深度、鋸片周速、工作臺(tái)速度和金剛石濃度之關(guān)系曲線。從圖2可看出,增加鋸切深度或工作臺(tái)速度時(shí),切屑厚度和鋸切率均增

9、加;而提高鋸片周速或增加金剛石濃度時(shí),則切屑厚度變小而鋸切率保持不變。應(yīng)指出的是,金剛石濃度實(shí)際上反映了有效工作的金剛石顆數(shù)。金剛石和其它脆性材料所表現(xiàn)的共性一樣,顆粒尺寸越小其強(qiáng)度越高。但是金剛石粒度越小,它在胎體上可達(dá)到的最大出刃也減小了。顯然,較大粒度的金剛石的出刃比之較小粒度的金剛石的出刃大,因而較大粒度的金剛石產(chǎn)生無(wú)應(yīng)變切屑平均厚度較大,亦即可獲得較大的鋸切率。表1單位砂輪中金剛石顆粒數(shù)與PPC、粒度和濃度的關(guān)系T able1R elationship of diamo nd gr ainnumber s w ith PCC,g r anularity a nd concent ra

10、tion 目數(shù)PPC值平均顆粒尺寸(m濃度(%152025303540 20/3026074817222928634340045812.917.121.425.629.934.2 25/3540064826435244052861670417.122.828.534.239.945.6 30/406605484365817268711016116223.931.839.847.755.763.7 35/451075466710946118314191656189233.144.155.166.177.188.1 40/50185038912211628203524422849325647.56

11、3.379.194.9110.7126.6 45/60300033119802640330039604620528065.587.4109.2131152.9174.7 50/70480028331684224528063367392844889.6119.5149.4179.2209.12391PPC的允許偏差為5%,轉(zhuǎn)換為1.7%的平均顆粒尺寸允許偏差。2平均顆粒直徑是根據(jù)球形近似值。此近似值考慮了胎體中金剛石的無(wú)序取向。3濃度一欄上行數(shù)字為單位體積所含金剛石顆粒數(shù)(顆數(shù)/cm3;下行數(shù)字為單位面積所含金剛石顆粒數(shù)(顆數(shù)/cm2 。圖1金剛石粒度與無(wú)應(yīng)變切屑平均厚度的量化關(guān)系Fig.1Re

12、latio nship betw een diamond gr anular ityand non str ain aver ag e sw ar f widt h注:圖1中與各粒度對(duì)應(yīng)的數(shù)字為SDA+系列金剛石每克拉的顆粒數(shù)(PPC。11圖2切屑厚度、鋸切率跟鋸切工藝參數(shù)的關(guān)系F ig.2R elat ionship bet ween sw arf w idth,cutting r ate and cutting techno lo g ical par ameter s 2金剛石粒度對(duì)金剛石鋸片性能的影響金剛石粒度對(duì)金剛石鋸片性能的影響主要表現(xiàn)在鋸切率、使用壽命和功率消耗。2.1關(guān)于鋸切率

13、Eng els A.3用含不同粒度金剛石的鋸片進(jìn)行鋸切花崗石的實(shí)驗(yàn)研究得出圖3所示的曲線,實(shí)驗(yàn)條件見表2。從圖3可看出,金剛石鋸片所含金剛石粒度較小,其鋸切率較低。這是由于較小粒度的金剛石出刃較小,切屑量相應(yīng)減少。2.2關(guān)于使用壽命從圖3還可看出,金剛石粒度較小可提高鋸片使用壽命。因?yàn)樵诮饎偸瘽舛认嗤臈l件下,在單位面積上有更多的金剛石參與工作,刀頭更為耐用,而且每顆金剛石上所受到的負(fù)荷降低了。當(dāng)然,這是在鋸切條件不變的情況下相對(duì)而言。不過(guò),金剛石粒度小,出刃也就小,會(huì)影響鋸切率。2.3關(guān)于切率消耗一般來(lái)說(shuō), 在鋸切參數(shù)相同的條件下,金剛石粒度較小,鋸片消耗的功率較大。這是由于有更多數(shù)量的金剛

14、石粒與工件接觸磨擦并參與切削作用,而且鋸片工作面與工件之間的間隙較小,排屑阻力也會(huì)消耗一定的功率。此外,金剛石粒度較小,則單位面積上金剛石的顆數(shù)增加,每顆金剛石所受的力降低,不能有效壓入工件,往往容易導(dǎo)致金剛石刃磨耗,也會(huì)增加功率消耗。圖3鋸切花崗巖時(shí)金剛石粒度對(duì)鋸片性能的影響Fig.3Influence of diamo nd g ranularity o nsaw bla de perfo rma nce w hen cutting g ranite12 表2Eng els A 的實(shí)驗(yàn)條件T able 2Ex periment conditio n o f Engels A鋸片直徑(mm4

15、00刀頭尺寸(mm40×3.2×9金剛石類型SDA 85+金剛石粒度(目35/4545/60 金剛石濃度(%25胎體粘結(jié)劑鈷、銅、錫合金鋸片周速(m /s 30鋸切深度(mm5石材Cornish 灰花崗石在實(shí)際工作中金剛石粒度對(duì)鋸片性能的影響要復(fù)雜得多。因?yàn)橛行┮蛩厥请y于控制的,如金剛石在胎體中分布的均勻性、胎體硬度的適應(yīng)性等,而且每顆金剛石的強(qiáng)度和顆粒結(jié)構(gòu)不完全相同,從而導(dǎo)致每顆金剛石的磨損漸進(jìn)特性也不相同。3關(guān)于金剛石粒度的表示方式在金剛石工具制造行業(yè)中,金剛石的粒度一向是以目數(shù)表示的。所謂目數(shù)即篩網(wǎng)每英寸長(zhǎng)度上的網(wǎng)目數(shù)。因此,以目數(shù)表示的粒度不是一個(gè)絕對(duì)的同一(統(tǒng)一值

16、,而是一個(gè)量值范圍。此量值范圍存在允許偏差。例如FEPA 的網(wǎng)目數(shù)允許5%的顆粒大于確定的量值范圍,5%的顆粒小于量值范圍。實(shí)際上以目數(shù)表示的粒度中,較細(xì)顆粒與較粗顆粒之比是不確定的,也就是說(shuō)在某一目數(shù)的粒度中,每克拉的顆粒數(shù)(PPC是不同的,因而平均顆粒尺寸也是不同的,金剛石每克顆粒數(shù)(PPC 或平均顆粒尺寸的差異可導(dǎo)致金剛石工具工作性能的不同。圖43是在同一目數(shù)范圍內(nèi),PPC 相差10%時(shí)金剛石鋸片鋸切性能的差異。鋸切參數(shù)見表3。圖4說(shuō)明只有通過(guò)控制金剛石工具中金剛石的PPC 值才能獲得始終如一的工作性能。為了金剛石工具制造廠家能正確選用金剛石,元素6公司對(duì)其鋸片級(jí)金剛石SDA +系列產(chǎn)品

17、都給出了PPC 值,每一標(biāo)準(zhǔn)目數(shù)的PPC 值都規(guī)定了嚴(yán)格的允許偏差。PPC 值反映了相應(yīng)目數(shù)范圍內(nèi)顆粒的實(shí)際大小,保證了金剛石產(chǎn)品粒度的一致性。所以說(shuō)單純以目數(shù)表示金剛石產(chǎn)品的粒度有其局限性。但對(duì)于顆粒較小的金剛石來(lái)說(shuō),要給出它相應(yīng)目數(shù)的PPC 值是相當(dāng)困難的。因?yàn)橄鄬?duì)于常用金剛石產(chǎn)品的目數(shù)而言,相應(yīng)的PPC 值即每克的顆粒數(shù)可高達(dá)數(shù)百至數(shù)千,不是單靠人工計(jì)數(shù)所能解決的問題。圖4相同目數(shù)P PC 不同(差10%時(shí)鋸片性能差異F ig .4Saw blade per for mance differ ence w hen the diamo nd mesh is same but PPC is

18、differ ent表3圖4的鋸切參數(shù)T able 3Cutt ing par ameters in F ig.4金剛石鋸片直徑(m m600金剛石類型SDB1100金剛石粒度(目40/50金剛石濃度(%20粘結(jié)劑鈷鋸片周速(m /s 27鋸切深度(mm5石材Balmoral 紅花崗石參考文獻(xiàn):1Tons haff H.K.,W arnecks G.,Res earch on stone s aw ing ,Ultralard M aterials Applications T echnology M .Vol .I .E d .P .A .Damiel ,1982:3649.2Wrigh t D.N.,Wilson S.M.,Br ow n W.F.and Ovens U .,Segm ent w ear on diamon d impregnated minin g bits J .In dustri