環形金剛石線鋸切割大理石試驗研究①

劉 瑩，王進保，陳超，呂智﹡

（1.桂林理工大學材料科學與工程學院，廣西 桂林 541004；2.桂林礦產地質研究院，廣西 桂林 541004）

1 引言

目前，國內外對環形電鍍金剛石線鋸的研究報道較少。1993年日本進行了環形電鍍金剛石線鋸的研究，并提出了如何把鋼絲基體焊接成環形的方法［1］。Well Diamond Wire saws公司研制的環形電鍍金剛石線鋸，其鋸切線速度可達20m／s［2］。高偉、劉鎮昌等人［3］采取復合電鍍的方法用Φ0.8mm的65Mn鋼絲作基體材料研制了環形電鍍金剛石線鋸，并在自制的試驗設備上進行花崗巖鋸切。孟劍鋒［4］通過進口環形電鍍金剛石線鋸加工單晶硅和LT55陶瓷的試驗，建立了切片表面粗糙度Ra模型，提出改善切片表面粗糙度的措施，同時還提出減小鋸絲磨損的措施。賀東溥［5］對環形電鍍金剛石線鋸切割SiC的加工質量進行了研究，分析了鋸切工藝參數對SiC表面粗糙度和表面形貌的影響規律。總之，環形電鍍金剛石線鋸具有鋸切表面質量好，鋸切效率高，切縫窄，鋸切力小，污染小等優良特性，尤其適合貴重硬脆材料的切割加工。本文采用Φ0.5mm的不銹鋼絲作為基體材料，通過電鍍的方法研制出環形金剛石線鋸，并在自制的試驗設備上對大理石進行了切割。試驗表明：工件表面粗糙度隨鋸絲速度增加和進給速度的減小而降低，隨鋸絲張緊力的增加先降低后增大。

2 試驗設計

本試驗采用的天然大理石工件尺寸為120mm×120mm×400mm，邵氏硬度為36.4～44.2，使用自制的環形電鍍金剛石線鋸切割，切片厚度為2mm。環形金剛石線鋸鋸絲以直徑Φ0.5mm的不銹鋼絲為基體材料，金剛石磨粒大小為120～140目，線鋸直徑約0.75mm，鋸絲最大張緊力為150N。

2.1 試驗設備

本試驗所采用的試驗設備是自制的環形金剛石線鋸切割機床，鋸切線速度最高可達50m／s，進給速度可達20mm／min，但是受工作條件及精度的限制，切割穩定線速度在30m／s，進給速度可達15mm／min。

2.2 試驗方案

影響大理石表面粗糙度Ra的鋸切工藝參數有鋸絲線速度、工件進給速度、鋸絲張緊力三個因素。為了得到切片表面粗糙度最優時的工藝參數，本試驗設計了正交試驗，取鋸絲線速度、工件進給速度、鋸絲張緊力3個因素，每個因素水平都為3，見表1。

表1 鋸切工藝參數因素及水平表Table 1 The factors and levels of cutting process parameters

3 試驗結果與分析

表2是鋸切工藝參數正交試驗設計表。表中的大理石表面粗糙度Ra值是用時代公司生產的TR200手持式粗糙度儀測量的。K1、K2、K3分別表示各因素1、2、3水平所對應的大理石表面粗糙度測量值之和，分別表示各因素1、2、3水平所對應的大理石表面粗糙度測量值的平均值，Rj表示極差值。

表2 鋸切工藝參數正交試驗設計表：L9（33）Table 2 The orthogonal experiment design of cutting process parameters：L9（33）

從表中可以看出：R2﹥R1﹥R3三個參數對表面質量都有不同程度的影響，其中工件進給速度對大理石表面粗糙度的影響最大，鋸絲線速度對大理石表面粗糙度的影響次之，鋸絲張緊力對大理石表面粗糙度的影響再次之。為了進一步確定鋸切大理石表面粗糙度的最優工藝參數，根據正交試驗結果分別做出了鋸絲線速度、工件進給速度和鋸絲張緊力對大理石表面粗糙度的影響，如圖1、圖2和圖3。

圖1 線速度對表面粗糙度影響Fig.1 Influence of linear velocity on surface roughness

圖2 進給速度對表面粗糙度的影響Fig.2 Influence of feeding speed on surface roughness

圖3 張緊力對表面粗糙度的影響Fig.3 Influence of the tension on surface roughness

由圖1可以看出：隨著鋸絲線速度的增大，大理石表面粗糙度值減小。這是因為鋸絲速度增加使得單個磨粒的切削深度減小，這樣單個磨粒的材料去除率減小，表面質量得到改善。但是隨著線速度的增大，鋸絲振動也越來越大，當線速度超過30m／s時，工件處鋸絲振幅約為0.3mm，張緊輪處鋸絲振幅約為0.5mm，顯然對鋸絲的工作壽命造成一定程度的影響。

從圖2的曲線可以看出：隨著工件進給速度的增大，大理石表面粗糙度值增加。造成這一現象的原因是工件進給速度的增大使得鋸絲與工件之間的作用力增大，這樣就增加了單個磨粒的切削深度，表面質量降低。

從圖3中得知：隨著鋸絲張緊力的增加，大理石表面粗糙度先降低后升高。增加鋸絲張緊力，有利于減小鋸絲的振動，降低表面粗糙度值。當張緊力超過100N時，鋸絲與工件間的應力增大，使得單個磨粒的切削深度增加，又加上鋸絲磨損也較快，磨損和脫落的金剛石顆粒隨機械沖擊力被壓入到工件表面，大理石表面粗糙度又開始增加。所以調節張緊力時要留有一定的余度，不要過緊。

根據上述分析，用環形電鍍金剛石線鋸鋸切大理石時，要獲得較好的表面粗糙度，又要得到較高的切割效率，在本試驗參數范圍內，工件進給速度為10mm／min，鋸絲線速度為 30m／s，鋸絲張緊力為100N是最好的切割工藝。

4 金剛石鋸絲磨損分析

鋸絲的磨損包括磨粒磨損和鍍層磨損兩方面。為了鋸絲制作工藝的進一步改進，降低鋸絲的磨損，延長鋸絲的使用壽命，必須弄清鋸絲的磨損機理。借助JSM－6380LV掃描電子顯微鏡（SEM）觀察切割后鋸絲的磨損情況。圖4是環形電鍍金剛石線鋸使用前和使用后SEM圖。

4.1 金剛石磨粒磨損

鋸絲鋸切過程中，磨粒與材料表面接觸，不斷受到工件和切屑對它的沖擊、摩擦以及鋸絲引起的熱沖擊作用，使金剛石磨粒不可避免地出現磨損、破碎和脫落。磨粒磨損可分為磨粒局部破碎、局部折斷、磨平、整體破碎和磨粒脫落等形式。磨粒局部破碎使金剛石磨粒產生新的切削刃，提高了金剛石線鋸的切削能力，屬正常磨損。隨著切割過程的進行，磨粒受工件和切屑對它的沖擊、摩擦以及鋸絲引起的熱沖擊作用影響越來越大，金剛石磨粒被磨平或整體破碎，有效切削刃的數量越來越少，線鋸的切削能力隨之下降，可見它們屬于有害的磨損形式。

圖4 環形電鍍金剛石線鋸使用前和使用后SEM圖Fig.4 SEM images of the endless electroplated diamond wire saw before and after using

鋸絲在使用一段時間后出現磨粒脫落（圖4b）現象，這往往是由于金剛石磨粒在摩擦和沖擊作用并加上鍍層把持力降低的情況下從基體上直接脫落的。

4.2 鍍層的磨損

鍍層是把金剛石磨粒固結在鋼絲基體上的媒介，所以鍍層對磨粒的把持力是非常重要的。鍍層的磨損（圖4b）會降低對磨粒的把持力，造成磨粒的脫落，縮短鋸絲的使用壽命，鍍層的磨損主要發生在磨損的后期，它的表現形式為鍍層局部與完全脫落、鍍層裂紋和磨損。在鋸絲磨損的初期，主要是金剛石磨粒的脫落和破碎，隨著磨損的加劇，鍍層也開始受到工件材料的直接摩擦。由于鍍層的硬度較低，鍍層急劇磨損，這就降低了它對磨粒的把持力，使磨粒迅速脫落，鋸絲整體進入急劇磨損階段，此時線鋸失去切割能力。

4.3 減少鋸絲磨損措施

鋸絲的主要磨損形式是磨粒的脫落，要想減少鋸絲磨損，延長鋸絲的使用壽命，應采取以下措施：（1）增加鍍層的強度，提高鍍層對金剛石磨粒的把持力，減少鋸絲磨損。（2）在現有的實驗條件下盡可能提高機床的精度，以減小鋸絲的振動，延長鋸絲使用壽命。（3）在切割工藝參數范圍內進一步提高鋸絲線速度，因為隨著線速度增大，鋸切力減小，鋸絲磨損也減少。

5 結論

通過正交試驗，利用環形電鍍金剛石線鋸對大理石進行了切割，并詳細分析了鋸切線速度、工件進給速度和鋸絲張緊力等鋸切工藝參數對大理石表面粗糙度的影響，得出如下結論：

（1）工件進給速度對大理石表面粗糙度的影響最大，隨著工件進給速度的增大，大理石表面粗糙度值增加。同時進給速度還影響大理石的鋸切效率，兩者兼顧，最優工件進給速度取10mm／min。

（2）鋸絲線速度對大理石表面粗糙度的影響沒有工件進給速度的影響大，隨著線速度的增大，大理石表面粗糙度值減小。但是隨著線速度的增大，鋸絲振動也越來越大，影響了線鋸的工作壽命。考慮到線速度對大理石表面粗糙度的影響不是最大的，所以最優鋸絲線速度取30m／s。

（3）鋸絲張緊力對大理石表面粗糙度的影響最小，隨著鋸絲張緊力的增加，大理石表面粗糙度先降低后升高。鋸絲張緊力為100N，大理石表面粗糙度最好。

（4）鋸絲的磨損機理是磨粒的脫落，要想減少磨粒的脫落，必須提高鍍層的把持力，減小鋸絲的振動和提高鋸絲線速度，從而減少鋸絲磨損，延長鋸絲的使用壽命。

［1］1Kao et al.Wafer Slicing and Wire Saw Manufacturing Technology［J］.The NSF Grantees Conference.1997.

［2］http：／／www.well diamond wire saws.com.

［3］高偉，劉鎮昌.用復合電鍍法制造環形電鍍金剛石線鋸［J］.金剛石與磨料磨具工程.2004（2）：48－51.

［4］孟劍峰.環形電鍍金剛石線鋸加工技術及加工質量研究［D］.山東大學博士論文.2006，9.

［5］賀東溥.金剛石線鋸切割SiC的加工質量研究［D］.山東大學碩士學位論文.2010，5.