余曉明

(廣西桂林特邦新材料有限公司,桂林 541004)

金剛石繩鋸切割大型鋼質(zhì)構(gòu)件的研究

余曉明

(廣西桂林特邦新材料有限公司,桂林 541004)

多年來,金剛石繩鋸一直用于切削天然石材和建筑材料。而近年來金剛石繩鋸也被用于切削鋼材,最初用金剛石繩鋸切削的鋼件是鋼管,如海底輸油管、輸氣管。金剛石繩鋸切割大型鋼質(zhì)構(gòu)件是新的領域,運用在諸如核電站或海上鉆井平臺的拆除、海底沉船分體切割打撈、大型鋼件的切割等。與傳統(tǒng)方法相比,繩鋸切割具有明顯的優(yōu)點,它不僅可以切割大而厚的工件,而且還可以切割復雜幾何形狀的工件。文章介紹了金剛石繩鋸切割大型鋼質(zhì)構(gòu)件的過程,燒結(jié)金剛石繩鋸切割狀態(tài)下的自動開刃方法及防止金剛石繩鋸偏磨機構(gòu)的應用。

金剛石繩鋸;切割;鋼質(zhì)構(gòu)件

1 引言

目前對于大型的金屬構(gòu)件的切割,主要是采用火焰切割的方式,該方式利用氣體火焰(稱預熱火焰)將鋼材表層加熱到燃點,并形成活化狀態(tài),然后送進高純度、高流速的切割氧,使鋼中的鐵在氧氛圍中燃燒生成氧化鐵熔渣的同時放出大量的熱,借助這些燃燒熱和熔渣不斷加熱鋼材的下層和切口前緣使之也達到燃點,直至工件的底部。與此同時,切割氧流的動量把熔渣吹除,從而形成切口將鋼材割開。該方式存在以下問題:a、割縫厚,工件損耗較大;b、切割面不平整及留有大量殘渣,后續(xù)加工處理較困難;c、工作環(huán)境溫度高,勞動強度大,尤其是對質(zhì)量要求高的工件,需要在預熱狀態(tài)下進行切割(常溫下切割容易產(chǎn)生裂紋);d、切割面積具有局限性,采用火焰法切割半徑一般不超過1m;e、不能切割高鉻鋼、鉻鎳不銹鋼、鋁及鋁合金等材料(切割這些材料時產(chǎn)生高熔點的氧化物將以固態(tài)覆蓋于切口,阻礙后面材料的氧化,使切割過程難以進行)。

金剛石繩鋸切割是一種柔性的加工方式,它的切割方式不受加工件的厚度影響,可以輕松、隨意調(diào)整切割方向;采用金剛石繩鋸進行大型金屬體的切割,其切割縫只有11～12mm,大大降低了金屬材料的損耗,其切割面平整、光滑,后續(xù)加工量也大大降低;金剛石繩鋸切割也是一種操作十分簡單、有利于采用自動化加工的新型加工方式。

金剛石繩鋸從面世至今,已有40多年的發(fā)展歷史,從最初的電鍍技術,發(fā)展到以燒結(jié)技術為主流的制造技術;從只能切割軟質(zhì)石材到廣泛應用于花崗巖礦山的荒料開采及廣泛應用的鋼筋混凝土切割。在制造技術推陳出新的同時,應用范圍也越來越廣,目前國內(nèi)外金剛石繩鋸在大型金屬構(gòu)件上的切割應用尚沒有報道,但金剛石繩鋸在胎體設計、金剛石性能、制備、切割操作、切割設備上都已經(jīng)有較為成熟的基礎,因此根據(jù)大型金屬體的特點,利用已有的資源、經(jīng)驗,金剛石繩鋸在大型金屬體上的切割應用是具有可行性的。

2 實驗部分

2.1 切割對象及切割工具

本次實驗切割對象是直徑0.7m的合金冒口(35Cr Mo),該冒口內(nèi)部組織均勻沒有氣孔或其他雜質(zhì),但冒口表面覆蓋一層約2mm厚的氧化硬皮。

實驗用的切割工具是燒結(jié)方式的直徑11.2mm孕鑲金剛石繩鋸,繩鋸每米裝40粒串珠,繩鋸總長15m。

2.2 試驗設備

我們開發(fā)了用于大型鋼件切割的試驗設備,該系統(tǒng)由驅(qū)動單元(繩鋸機)、控制系統(tǒng)、導向輪、切割工具、繩鋸自動開刃機、繩鋸扭轉(zhuǎn)機及工件固定平臺組成。繩鋸機是市場可售設備,繩鋸自動開刃機、繩鋸扭轉(zhuǎn)機及工件固定平臺根據(jù)試驗條件需要自行設計。切割大型合金冒口的工藝設備組成如圖1所示。

圖1 試驗設備組成Fig.1 Construction of test equipment

燒結(jié)串珠切割鋼件時金剛石的容屑空間很快就充滿鋼屑,由于鋼屑的覆蓋會造成金剛石串珠的結(jié)合劑不能磨耗,導致金剛石不能裸露出來,繩鋸就失去了切割作用。為了能及時把覆蓋在金剛石上的鋼屑去除,我們在切割時候增加自動開刃裝置,在切割的同時用開刃材料把串珠上面的鋼屑去除。開刃機可以把開刃材料縱向提升和橫向移動,通過自動控制系統(tǒng)可以讓開刃材料一直壓著金剛石繩鋸,當繩鋸在開刃材料上面滑動時可以把粘在串珠上的鐵屑去除。

金剛石繩鋸切割鋼件時由于串珠胎體磨損較快和單粒串珠受力大的原因,經(jīng)常發(fā)生串珠部分磨損至基體而其他部分還有很厚工作層的嚴重偏磨現(xiàn)象,即使是在繩鋸對接時增加了繩鋸扭轉(zhuǎn)圈數(shù)后還是避免不了偏磨發(fā)生。為了避免繩鋸嚴重偏磨發(fā)生,我們在繩鋸切入處設計安裝了繩鋸強制扭轉(zhuǎn)機,通過旋轉(zhuǎn)支架的三個小導輪來夾緊繩鋸,支架旋轉(zhuǎn)時帶動三個小導輪繞繩鋸軸線旋轉(zhuǎn),同時繩鋸跟著旋轉(zhuǎn),從而提高繩鋸軸線旋轉(zhuǎn)的能力。

2.3 試驗流程

金剛石繩鋸是在水平面上包裹工件切割的,在切割過程中每粒串珠均處于相同的負荷環(huán)中,每一粒不連續(xù)串珠的切割受力條件可以認為一致。隨著切割過程的進行,切割輪廓不斷變化,切割條件也跟著變化。切割大型合金冒口過程狀態(tài)如圖2所示。

圖2 試驗設備組成及切割基本過程Fig.2 Test equipment construction and the basic process of cutting

切割步驟如下:

(1)按照切割高度調(diào)整所有導輪在同一水平面上;

(2)按照繩鋸切割方向把繩鋸穿過扭轉(zhuǎn)機,按逆時針方向預扭繩鋸(扭2圈/米);用專業(yè)接頭把繩鋸兩端接起,組成閉環(huán);

(3)把繩鋸套在所有的導輪上,移動繩鋸機張緊繩鋸,檢查套在冒口上的繩鋸位置是否合適;

(4)調(diào)整開刃機,選擇“縱向開刃”模式,按計劃設定開刃機速度;

(5)開啟冷卻水泵,調(diào)整冷卻水管位置,保證切割位置充分冷卻;

(6)繩鋸機切換到手動模式,按照繩鋸切割方向啟動主電機,10秒后停機,檢查冒口上繩鋸是否切在設定高度上;

(7)重新啟動主電機,轉(zhuǎn)速與電流同步提高到一定數(shù)值,同時啟動開刃機、扭轉(zhuǎn)機構(gòu),切割電流和轉(zhuǎn)速達到要求后繩鋸機切換到自動控制方式,讓切割電流和轉(zhuǎn)速保持不變;

(8)記錄串珠外徑大小變化(是否有錐度,偏磨),金剛石出刃等情況;

(9)切割后期切割轉(zhuǎn)速和電流調(diào)整至前期的60%,直至切斷整個冒口。

3 結(jié)果和討論

3.1 切割效率與工作壓力有很大關系

對于切割過程,最根本的是串珠要有足夠的工作壓力,串珠壓力大材料去除率就高。工作壓力是通過繩鋸機切割電流控制的,通過實驗知道37k W繩鋸機切割電流控制在50A～60A比較合適,更高的切割電流繩鋸機就會報警自動停機。電流過小金剛石串珠受力小只有金剛石刃尖參與切割,會導致金剛石刃尖磨平后不能繼續(xù)切割。電流大金剛石破碎及脫落加快,有利于新的切屑刃參與切割,切割效率提高。

圖3 切割電流與切割效率關系Fig.3 The relationship between cutting electric current and cutting efficiency

3.2 自動開刃速度對切割效率的影響

燒結(jié)串珠由于正常生產(chǎn)時金剛石開刃露出高度不是很高,切割鋼件時金剛石的容屑空間很快就會充滿鋼屑,由于鋼屑的覆蓋而造成金剛石串珠的結(jié)合劑不能磨耗,導致金剛石不能裸露出來,繩鋸就失去切割作用。鋼件切割時使用自動開刃裝置,在切割的同時用開刃材料把串珠上面的鋼屑去除,可以有效地提高切割效率。開刃速度大小影響鐵屑去除率和胎體磨損率,對切割效率有很大影響。

圖4 開刃速度與切割效率關系Fig.4 The relationship between sharpening speed and cutting efficiency

3.3 繩鋸扭轉(zhuǎn)機轉(zhuǎn)速的選擇

繩鋸內(nèi)的鋼絲繩在張緊狀態(tài)有繞軸線自轉(zhuǎn)的能力,使得繩鋸切割時候會沿前進方向看的順時針方向轉(zhuǎn)動,繩鋸自轉(zhuǎn)的速度與繩鋸切割速度和繩鋸預扭程度有關。切割鋼件狀態(tài)下繩鋸上正在切割的串珠受到的壓力較大,阻住了繩鋸自身的轉(zhuǎn)動。繩鋸扭轉(zhuǎn)機可以對繩鋸提供額外的扭轉(zhuǎn)力,幫助繩鋸軸線轉(zhuǎn)動。扭轉(zhuǎn)機的轉(zhuǎn)速必須與正常狀態(tài)下繩鋸自轉(zhuǎn)速度相符,轉(zhuǎn)速過低對繩鋸提供的扭轉(zhuǎn)力有限。因此扭轉(zhuǎn)機轉(zhuǎn)速與繩鋸切割速度需要滿足一定關系,通過反復測試使用,我們掌握了扭轉(zhuǎn)機轉(zhuǎn)速與繩鋸線速度對應關系。

3.4 繩鋸金剛石濃度和粒度很關鍵

濃度選擇原則是:高濃度適合于小接觸面積,低濃度適合于大接觸面積。同樣切割條件下低濃度金剛石受力大,金剛石容易脫落,繩鋸壽命低。但也并不是金剛石濃度越高越好。濃度必須與切割對象,設備參數(shù)相匹配才能達到理想切割效果。

圖5 扭轉(zhuǎn)機轉(zhuǎn)速與繩鋸線速度關系Fig.5 The relationship between the rotate speed of the twisting machine and the linear velocity of wire saw

金剛石粒度選擇要偏向粗粒度的,細粒度金剛石露出高度很低,胎體表面容屑空間很小,切割金屬時鐵屑很快就會把容屑空間堵滿。通過實驗發(fā)現(xiàn)35目以粗的金剛石更適合用于切割鋼件。

4 結(jié)論

用繩鋸切割大型鋼質(zhì)構(gòu)件是可行的?？疾旖饎偸K鋸切割金屬材料能力的主要因素是繩鋸磨損、加工時的作用力、工具設計(包括金剛石濃度和粒度配比)等。下一步研究的主要方向是提高金剛石繩鋸的切割效率和使用壽命,讓金剛石繩鋸能切割更大型的鋼質(zhì)構(gòu)件。

[1] 徐潤澤.粉末冶金結(jié)構(gòu)材料學[M].長沙:中南工業(yè)出版社, 1998:231.

[2] 葛世榮,朱華.摩檫學的分形[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005: 163.

[3] 葉世學.鐵銅基濕式燒結(jié)摩擦材料[J].粉末冶金技術,1995:282 -284.

[4] 黃培云.粉末冶金原理(第二版)[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 1997:279.

[5] 韓鳳麟.粉末冶金基礎教程[M].廣州:華南理工大學出版社, 2006:134.

Study of Diamond Wire Saw Cutting of Large Steel Component

YU Xiao-ming
(Guilin Tebon Superhard Material Co.,Ltd,Guilin,Guangxi,china 541004)

For many years,diamond wire saw has been used for cutting natural stone and building materials.In recent years,diamond wire saw has also been used for cutting steel.The first steel component cut by diamond wire saw is steel pipe,such as the submarine oil petroleum pipe,gas pipe,etc.Diamond wire saw cutting of large steel component is a new field,it is used for fields such as the removal of nuclear power station or offshore drilling platform,fission cutting salvage of shipwrecks,cutting of large steel component,etc.Compared with the traditional methods,wire saw cutting has its obvious advantages,it can cut not only large and thick workpiece,but also workpiece of complex geometry shape.In this article,the process of diamond wire saw cutting of large steel component,the automatic sharpening method for sintered diamond wire saw during cutting and the application of the device which prevents the eccentric wear of diamond wire saw have been introduced.

diamond wire saw;cutting;steel component

TQ164

A

1673-1433(2015)06-0018-04

2015-10-10

余曉明(1985-),男,助理工程師。E-mail:yxm053412@163.com。

余曉明.金剛石繩鋸切割大型鋼質(zhì)構(gòu)件的研究[J].超硬材料工程,2015,27(6):18-21.