李運(yùn)海

(1.桂林特邦新材料有限公司,廣西 桂林 541004;2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司 廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西特種礦物材料技術(shù)創(chuàng)新中心,廣西 桂林 541004)

金剛石圓鋸片是目前加工各種硬脆材的主流工具,被廣泛應(yīng)用在石材、建筑材料和工程施工領(lǐng)域。鋸片由外圓的切割單元金剛石刀頭和中心的基體構(gòu)成,鋸片的直徑和厚度比一般都在150以上,屬于典型的薄壁工件。鋸片在工作過程中是沿軸高速旋轉(zhuǎn),在鋸切過程中受到切削力、離心力、熱應(yīng)力的交變載荷的作用[1-3]。在這些力的作用下,鋸片的各個(gè)部分容易產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力,相對很薄的基體容易產(chǎn)生軸向變形。而這些軸向變形會導(dǎo)致鋸片切割時(shí)抖動,切彎不走直線、切縫變寬、壽命降低、噪音變大等一系列問題,嚴(yán)重的甚至可能導(dǎo)致刀頭脫落造成安全事故。

為了解決這個(gè)問題,行業(yè)內(nèi)技術(shù)人員進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。目前認(rèn)為在現(xiàn)有的基體材料和工藝條件下對鋸片基體進(jìn)行預(yù)張力處理,能有效地提高鋸片的切割穩(wěn)定性,從而減少軸向變形帶來的一系列問題。想要在鋸片上預(yù)張力處理,就必須檢測出鋸片的張力分布狀況,才能針對性的處理。物理上鋸片的內(nèi)部應(yīng)力和張力的檢測和描述是很復(fù)雜的問題,但是我們其實(shí)需要的是鋸片整體的張力狀況,最好是能可視化,讓人能理解。目前定量檢測和描述鋸片張力的方法[4],較普遍有三種:一是人工按壓鋸片,在受力垂直方向上用刀口尺和塞尺檢測,鋸片中心下沉出現(xiàn)間隙的是“正張力”,鋸片兩邊下沉出現(xiàn)間隙的是“負(fù)張力”,塞尺檢測量是檢測位置的張力值;二是檢測鋸片的張力角度或者說中性角,在鋸片底部給鋸片施加一個(gè)力或位移,觀察垂直90°方向相應(yīng)位置的位移量和方向,同一方向表示“正張力”,相反方向表示“負(fù)張力”;三是在方法二的基礎(chǔ)上,在鋸片受力90°位置上增加一個(gè)位移感應(yīng)器,旋轉(zhuǎn)一圈采用電腦軟件自動檢測跳動和張力。上述三種方法,很明顯前兩種只能簡單判斷出張力是正還是負(fù)值,第三種才能有效可視化檢測出整個(gè)鋸片的張力狀態(tài)。

上述方式實(shí)現(xiàn)了檢測,接著就是校正鋸片的張力狀態(tài)。常見方法有錘擊法、輥壓法、噴丸法、加熱加壓法,其中碾壓法是最常用方法,最高效、最適用于工業(yè)生產(chǎn)的方法。但是應(yīng)該給鋸片施加多大的張力值,才能使鋸片的工作狀態(tài)最佳,什么樣的切割條件需要預(yù)加多大的張力,這些參數(shù)是需要結(jié)合現(xiàn)場使用條件,包括鋸切設(shè)備、轉(zhuǎn)速、鋸片直徑、安裝夾盤大小等因素確定。即我們通過鋸片的跳動,張力等靜態(tài)參數(shù),來保證鋸片高速旋轉(zhuǎn)切割這一動態(tài)條件下的性能。檢測到的張力值是隨檢測方法和參數(shù)變化的,所以用一種有效的,能與使用狀況等值的檢測方法和條件就非常重要。

1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究兩個(gè)方面:一是研究檢測夾盤直徑對鋸片張力的影響;二是檢測施加力對鋸片張力狀態(tài)的影響。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和材料

DIEX的CTMC1/12D電腦張力檢測機(jī);檢測夾盤一套,直徑Φ75 mm～Φ175 mm;規(guī)格Φ350 mm×25.4 mm×2.2 mm×24 mm的激光焊接金剛石鋸片。

CTMC1/12D張力檢測設(shè)備的檢測工作原理如圖1所示。

圖1 張力檢測設(shè)備工作原理

1.2 檢測條件

檢測示意圖如圖2所示,施力點(diǎn)位于水口底部下10 mm處,位移探測頭位于90°水口下3 mm處,探測頭距離基體3.6 mm。鋸片用夾盤固定在主軸上后,先旋轉(zhuǎn)一圈檢測鋸片跳動,之后施力點(diǎn)頂出,給鋸片施加力,在頂出狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)一圈檢測張力,并顯示張力和跳動曲線。

圖2 張力檢測示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 夾盤直徑與張力變化

使用80 N頂出力,在不同的夾盤直徑下檢測同一片Φ350 mm鋸片的張力,檢測條件如圖2所示,檢測結(jié)果如表1、圖3所示。

表1 不同直徑夾盤檢測張力狀況

圖3 夾盤直徑與張力跳動的變化

從表1和圖4的狀況看,隨著夾盤直徑的變大,檢測出的張力值在變小,從最大值到最小值,到張力范圍都在變小,直徑Φ350 mm的鋸片,使用直徑Φ150 mm的夾盤檢測張力最小值為0,最大值還有0.03,跳動0.03 mm;當(dāng)夾盤增大到Φ175 mm,最大和最小張力值、跳動值都全部為0。整個(gè)比較好理解,夾盤越大,頂出力形成的力臂越小,不能使鋸片產(chǎn)生彈性變形,所以檢測張力值為0。這種狀況表明,不同直徑的鋸片應(yīng)該建立一個(gè)對應(yīng)使用檢測夾盤的直徑,否則檢測出來的張力會有較大偏差。

圖4 不同夾盤直徑檢測張力狀況

在實(shí)際應(yīng)用中,反過來應(yīng)用這個(gè)結(jié)論也可以,就是在鋸片張力和跳動偏大,切割質(zhì)量不好時(shí),可以采取加大鋸片夾盤直徑的方式來改善。但是加大夾盤直徑會減少切割深度,這個(gè)需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮。

2.2 檢測頂出力與張力

用Φ100 mm直徑的夾盤,從頂出力40 N到160 N變化,檢測同一片鋸片的張力狀況如表2所示。

表2 不同頂出力下張力變化

從表2和圖5可以看出,在同一片同樣的檢測位置、同樣的夾盤下檢測,頂出力在80 N時(shí),張力最小值,張力最大值和張力范圍三個(gè)值都達(dá)到最大,再繼續(xù)增大頂出力,這幾個(gè)值稍微減小,但是變化不大?？偟内厔菔琼敵隽?0 N到80 N,張力值變大;頂出力80 N到100 N張力減少,100 N到160 N,張力保持穩(wěn)定。但總的來說,頂出力變化,張力值變化相對較小,最大僅0.05,但其中有一個(gè)頂出力,張力值會達(dá)到最大,其檢測張力圖如圖6所示。

圖5 頂出壓力與張力跳動的變化圖

圖6 不同頂出力檢測張力狀況

在實(shí)際切割時(shí),頂出力可以認(rèn)為是鋸片受到的軸向力,軸向力在某個(gè)值時(shí)會導(dǎo)致鋸片抖動值最大,小于或大于這個(gè)值,鋸片抖動又會減少,與鋸片切割的經(jīng)驗(yàn)相符合,特別是用手持切割機(jī)切割時(shí)體會更明顯。對此同行也有所研究,王真等[5]通過對比不同張力下的同規(guī)格鋸片的切割試驗(yàn)數(shù)據(jù),用5000 r/min手動切割機(jī),測試了張力值在0.20～0.35,0.34～0.45和0.45～0.55三個(gè)張力范圍內(nèi)鋸片的切割狀況,結(jié)果在張力0.34～0.45內(nèi)的鋸片切割最平穩(wěn)。

2.3 張力與實(shí)際應(yīng)用的討論

鋸片的張力和跳動是影響鋸片切割質(zhì)量的重要因素,實(shí)際的應(yīng)用中也會發(fā)現(xiàn)有很多狀況:

(1)有不同廠家之間交流鋸片張力值相似,但是切割效果不同的狀況,其原因之一是張力檢測的條件和標(biāo)準(zhǔn)不同,導(dǎo)致張力實(shí)際是不同的。而且鋸片的張力描述不僅僅是一個(gè)數(shù)值,而且還是整個(gè)平面上的分布狀況,用圖來描述比單獨(dú)數(shù)值描述更能反映情況。

(2)鋸片的檢測方法與實(shí)際機(jī)器的安裝條件不同,導(dǎo)致切割質(zhì)量不好。例如前面夾盤對張力影響很大,如果張力檢測的夾盤與實(shí)際機(jī)器使用夾盤不同,切割質(zhì)量就可能導(dǎo)致不同。所以生產(chǎn)鋸片也必須了解切割設(shè)備的安裝應(yīng)用狀況,才能匹配合適的張力。

(3)鋸片張力調(diào)整與切割機(jī)器轉(zhuǎn)速等不匹配導(dǎo)致鋸片抖動。這種狀況目前市場上反饋?zhàn)疃嗟氖侵兄睆降氖殖指咚偾懈顧C(jī)上,主要是國外歐美市場應(yīng)用較普遍。目前雖然沒有教好的理論計(jì)算張力和轉(zhuǎn)速的關(guān)系,但是各個(gè)鋸片生產(chǎn)廠家都有對應(yīng)的張力經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),也基本能保證產(chǎn)品性能。

3 結(jié)論

鋸片的張力和跳動是影響鋸片切割質(zhì)量的重要因素,是保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提。而鋸片張力檢測方式和檢測參數(shù)對張力值有很大的影響。

(1)檢測張力的夾盤直徑大小,對檢測出來的張力和跳動影響大,夾盤直徑越大,檢測出來的張力值越小,直到最后頂出力不能使鋸片產(chǎn)生彈性變形,張力和跳動都為零。

(2)檢測張力的頂出力對張力影響相對較小,增大頂出力,檢測出來的張力值增大;但是中間會有某一個(gè)值達(dá)到最大,后面再繼續(xù)增大頂出力,整體張力平穩(wěn)。

(3)張力調(diào)整的范圍應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用的機(jī)器的安裝夾盤直徑,轉(zhuǎn)速等條件調(diào)整才能達(dá)到最佳使用要求。如果建立一套有效鋸片張力檢測的標(biāo)準(zhǔn),這需要上游的鋸片基體生產(chǎn)廠家,中游的鋸片生產(chǎn)廠家,和下游的切割設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家及使用廠家聯(lián)合建立才能實(shí)現(xiàn)。