楊 棟，陳治強(qiáng)，趙小超，武璽旺

(河南黃河旋風(fēng)股份有限公司,河南 長(zhǎng)葛 461500)

組合式金剛石鋸片較之傳統(tǒng)的單片鋸加工具有加工效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，可加工大幅面石材的特點(diǎn)而日益得到廣泛的應(yīng)用，因此如何提高組合式金剛石鋸片的性能具有較大的現(xiàn)實(shí)意義[1]。目前市場(chǎng)上已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了鐵基和銅基金剛石工具，代替了原來(lái)價(jià)格昂貴的鈷基金剛石工具。性能優(yōu)越的金剛石工具不僅僅是配方設(shè)計(jì)的問(wèn)題，還要有制造工藝，工具應(yīng)用及應(yīng)用對(duì)象等諸多因素。但最終目的都是如何提高金剛石工具的切割效率及切割壽命[2]。

1 金剛石的選擇

合理地選擇金剛石是提高切割效率和降低成本的關(guān)鍵因素。金剛石的選擇包括金剛石強(qiáng)度、粒度以及濃度的選擇。

1.1 金剛石強(qiáng)度的選擇

金剛石強(qiáng)度的選擇主要根據(jù)切割對(duì)象來(lái)選擇。切割對(duì)象較硬的石材則選擇金剛石強(qiáng)度較高的，反之則選擇強(qiáng)度較低的。過(guò)高的強(qiáng)度會(huì)使金剛石不易破碎，磨粒在使用時(shí)被拋光，鋒利度下降。金剛石強(qiáng)度過(guò)低時(shí)，在受到?jīng)_擊時(shí)易破碎，難以達(dá)到切割的目的。根據(jù)目前收集到的有關(guān)市場(chǎng)上組合式金剛石工具所用的金剛石品種為MBD，相當(dāng)于黃河旋風(fēng)的HWD和HHD。一般采用相當(dāng)于黃河旋風(fēng)HWD20～HWD60強(qiáng)度級(jí)別的金剛石。

1.2 金剛石粒度的選擇

單一粗粒度的金剛石對(duì)提高金剛石工具鋒利度很明顯，但是工具的壽命相應(yīng)較低[3]。因此采用粗細(xì)粒度搭配使用可以使金剛石工具的綜合性能得到改善。根據(jù)目前市場(chǎng)組合式金剛石工具對(duì)金剛石廣泛應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，一般采用的粒度配比見(jiàn)表1。

表1 金剛石粒度配比Table 1 Mass ratio of diamond particles

1.3 金剛石濃度的選擇

在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)金剛石的濃度由低到高變化時(shí)，金剛石工具的鋒利度和切割效率逐漸下降，而使用壽命則逐漸增加；但濃度過(guò)高時(shí)，工具的綜合性能變差，工具變鈍[2]。采用合理的金剛石濃度可以提高金剛石工具的切割效率。對(duì)于三層或更多層金剛石工作層可采用中間層濃度稍低的方式，這樣在切割過(guò)程中刀頭會(huì)形成中間凹槽，有利于防止鋸片偏擺以及切割碎屑的排放，從而提高工具的切割效率和改善石材質(zhì)量[4,5]。根據(jù)目前市場(chǎng)組合式金剛石工具使用金剛石的經(jīng)驗(yàn)，一般采用30%～36%的體積濃度。

2 節(jié)塊形狀及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)塊的外形結(jié)構(gòu)

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的金剛石刀頭外形結(jié)構(gòu)各不相同，見(jiàn)圖1。有長(zhǎng)方形(圖1a)、楔形(圖1b)、“K”型或“M”型(圖1c)和鋸齒形刀頭(圖1d)等。

圖1 金剛石刀頭形狀結(jié)構(gòu)Fig.1 The outline of segment

長(zhǎng)方形刀頭應(yīng)用比較廣泛，因?yàn)槠淠＞吆?jiǎn)單，裝模方便，但在切割過(guò)程中容易產(chǎn)生圓角或被磨成楔形而在切割后期磨損基體。楔形刀頭是將刀頭做成上寬下窄的形狀，為的是解決切割過(guò)程中的夾鋸問(wèn)題，但在切割過(guò)程中石材的尺寸會(huì)發(fā)生變化，因此，這種形狀的刀頭對(duì)石材加工精度有不利的影響，不適合精度稍高的加工?！癒”型或“M”型刀頭目前在組合式金剛石工具中大量使用，能提高工具的開(kāi)刃速度和組合鋸的工作效率。為提高排渣能力所開(kāi)發(fā)的鋸齒形刀頭避免了刀頭的二次磨損，增強(qiáng)了刀頭的冷卻效果，提高了金剛石的利用率，但是這種刀頭的模具加工制造復(fù)雜且裝料、卸模困難，影響生產(chǎn)效率。

為了適應(yīng)不同的加工對(duì)象所開(kāi)發(fā)的各種形狀的刀頭各有利弊。對(duì)于組合鋸，目前市場(chǎng)上以楔形和“K”型相結(jié)合的為主。比如福建萬(wàn)龍金剛石工具有限公司以及江西眾利金剛石工具有限公司等生產(chǎn)的刀頭。

2.2 節(jié)塊的尺寸

刀頭的尺寸包括刀頭的長(zhǎng)寬高，針對(duì)不同的加工對(duì)象調(diào)整這三個(gè)尺寸，可以有效提高工作效率，延長(zhǎng)刀頭的壽命。

減小刀頭的長(zhǎng)度，對(duì)于一定直徑的鋸片實(shí)際上增加了兩個(gè)刀頭之間的距離，增加了鋸片的撞擊力，同時(shí)也減少了參與工作的金剛石顆粒的數(shù)量，在一定程度上可以提高鋸片的鋒利度。但是如果一味減小刀頭的長(zhǎng)度，增加結(jié)塊的距離，就會(huì)使得沖擊力過(guò)大，切機(jī)主電機(jī)電流增加，切削效率受到影響，降低切機(jī)壽命。目前市場(chǎng)以22～24mm的長(zhǎng)度為主。

減小刀頭的寬度，可以有效地降低刀頭的工作載荷，提高鋸切效率，但刀頭寬度的減小受到基體厚度的限制，過(guò)小的刀頭寬度容易發(fā)生夾鋸現(xiàn)象。造成基體磨損。市場(chǎng)大部分采用的6～10mm的寬度。

增加刀頭的高度，鋸片的壽命增加，但是刀頭所受到的沖擊力增加，對(duì)刀頭的強(qiáng)度及刀頭與基體的焊接強(qiáng)度有了更高的要求，否則會(huì)出現(xiàn)崩邊和掉齒的情況。市場(chǎng)大部分采用10～15mm的高度。

2.3 夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了提高工具的鋒利度，目前組合鋸大都采用夾層結(jié)構(gòu)，即刀頭中包括含金剛石層的工作層和不含金剛石層的夾層，二者交替排列。夾層結(jié)構(gòu)主要是在切削過(guò)程中不含金剛石層先于含有金剛石的工作層磨損，在刀頭上出現(xiàn)細(xì)小的溝槽，形成工作層的露出。一方面溝槽的出現(xiàn)有利于排屑及冷卻液的進(jìn)入，另一方面起多刃同時(shí)切削的作用，這會(huì)減小鋸片的震動(dòng)[6]。

目前組合鋸的夾層層數(shù)一般為二到三層。夾層的厚度也影響刀頭的鋒利度，夾層越厚刀頭越鋒利。對(duì)于較軟石材，夾層過(guò)厚，所對(duì)應(yīng)的石材上所形成的巖脊過(guò)寬，相鄰兩個(gè)變形帶的交互影響小，巖脊內(nèi)部無(wú)法產(chǎn)生達(dá)到剪切破壞的應(yīng)力，不能順利破碎。同時(shí)夾層過(guò)大會(huì)使刀頭上形成過(guò)深的溝槽，在工作后期，工作層還有一定高度時(shí)，而夾層已被磨光碰到基體，刀頭就會(huì)無(wú)法使用。夾層過(guò)窄，工作層上的金剛石超出所需量，不利于金剛石的有效利用，同時(shí)所形成的溝槽較小，體現(xiàn)不了夾層優(yōu)勢(shì)。目前市場(chǎng)以0.8～1.2mm的夾層為主。

3 胎體配方設(shè)計(jì)

金剛石工具中胎體的配方各不相同，但其目的是提高金屬與金剛石的結(jié)合力，使胎體的磨損與金剛石的出刃效率相匹配。目前市場(chǎng)上組合鋸的配方大都以鐵基為主，以下對(duì)影響胎體的一些元素進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，試驗(yàn)以黃河旋風(fēng)預(yù)合金粉JF-01作為基礎(chǔ)合金粉進(jìn)行組合鋸八大八小的實(shí)驗(yàn)。刀頭采用三夾層(非工作層)，夾層為0.8mm厚的鐵片，刀頭規(guī)格為(23×8/8.5×12.5/13.5mm。)

3.1 胎體配方設(shè)計(jì)

胎體配方設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 胎體配方元素組成及比例(wt.%)Table 2 The composition of matrix (wt.%)

3.2 金剛石的選用

采用黃河旋風(fēng)生產(chǎn)的金剛石，其具體參數(shù)見(jiàn)表3。采用35%的金剛石體積濃度。

表3 金剛石配比Table 3 The mass ratio of diamond

3.3 燒結(jié)工藝

選用SM-80kW 型全自動(dòng)熱壓燒結(jié)機(jī)進(jìn)行燒結(jié)。1#配方燒結(jié)工藝曲線如圖2。

其它配方與1#配方的燒結(jié)工藝曲線走勢(shì)相同，但是溫度有所差異。

3.4 配方試驗(yàn)討論

試驗(yàn)的切割對(duì)象為山東的五蓮紅，切割數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

圖2 燒結(jié)工藝曲線Fig.2 Curves of sintering process

圖3 不同工藝條件下產(chǎn)品的壽命與鋒利度Fig.3 The life and sharpness of products by different processes

由圖3可知：

(1)通過(guò)1#、2#和3#配方的對(duì)比，低熔點(diǎn)金屬的加入，增加了胎體對(duì)金剛石的把持力，提高了工具的鋒利度，但是工具的壽命有所下降。

(2)通過(guò)2#和4#的對(duì)比，磷鐵的加入胎體會(huì)呈現(xiàn)硬脆性，會(huì)在一定程度上提高胎體的鋒利度，但是工具壽命下降得比較明顯。

(3)通過(guò)2#、5#和7#的對(duì)比，預(yù)合金粉比例的增加以及8515的加入，可以強(qiáng)化胎體對(duì)金剛石的把持力，調(diào)整胎體與金剛石之間的同步磨損，提高工具的綜合使用性能。

(4)通過(guò)2#和6#的對(duì)比，超細(xì)鐵粉的加入使得胎體組織趨于均勻、細(xì)膩，增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的把持力，提高胎體的壽命和鋒利度。

綜合以上切割數(shù)據(jù)來(lái)看，5#配方的綜合性能最好。

4 結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)與分析可知，影響組合式金剛石工具性能的因素比較多，但是影響其性能的關(guān)鍵因素是配方的設(shè)計(jì)、燒結(jié)工藝的制定以及刀頭形狀和尺寸的大小。

(1)金剛石的選擇取決于切割對(duì)象，隨著切割對(duì)象硬度的提高，金剛石的強(qiáng)度也應(yīng)提高。鋒利度取決于金剛石粒度的搭配。

(2)刀頭的形狀對(duì)工具的鋒利度影響比較明顯，市場(chǎng)以“K”型或“M”型和楔形相結(jié)合的為主，其尺寸以(22～24)×(6～10)×(10～15)mm為主。

(3)胎體配方的設(shè)計(jì)對(duì)工具的性能起關(guān)鍵性因素。比如低熔點(diǎn)金屬、磷鐵、青銅粉8515以及合金粉等元素適當(dāng)?shù)募尤肽芴岣咪h利度；超細(xì)鐵等元素適當(dāng)?shù)募尤肽茉黾犹ンw與金剛石的把持力，提高工具的壽命。