國內金剛石圓鋸片近期發展現狀與展望①

王柯,楊曉占,馮序

(重慶理工大學光電信息學院,重慶400054)

國內金剛石圓鋸片近期發展現狀與展望①

王柯,楊曉占,馮序

(重慶理工大學光電信息學院,重慶400054)

金剛石圓鋸片廣泛應用在加工大理石、陶瓷、花崗巖等脆硬性材料中,是石材加工的重要工具,也是金剛石類工具中消耗量最大的加工工具。文章對金剛石圓鋸片近期的發展做了總結,對金剛石圓鋸片未來的重點發展領域進行了展望。

金剛石圓鋸片;綜述;現狀;展望

由于金剛石圓鋸片具有良好的切削和加工性能,隨著當今社會發展,金剛石圓鋸片的應用愈加廣泛,需求量也日趨增大。1885年,法國人Jaeguin發明并制成世界上第一片手工鑲嵌式金剛石鋸片[1],1930年隨著現代粉末冶金技術的發展和人造金剛石的合成成功[2],金剛石圓鋸片制造業得到迅速發展,在工程方面的應用也日趨廣泛。隨著當今社會人們物質文化生活水平的不斷提高,對工業建筑、建筑裝飾、交通運輸發展的迫切需求,石材及混凝土在建筑行業的使用占有越來越重要的地位,由此帶動金剛石圓鋸片制品產業的不斷發展。

1.金剛石圓鋸片近期發展現狀

1.1 關鍵技術取得突破和發展

近些年來,隨著新型預合金粉、柔性加工、激光焊接等關鍵技術實現較大突破,在石材、建筑、地質、石油、礦山、電力、交通、國防等領域,金剛石圓鋸片都取得了更多重要的應用。目前國內的金剛石圓鋸片產品已經部分代替進口同類產品,基本由黑旋風、玉田、海恩等幾家生產企業承擔,這幾家企業生產的鋸片占整個石材市場容量的85%以上,在國際市場上也具備了一定的競爭優勢。隨著合成技術的進步,更多性能優異的金剛石圓鋸片將被人們研究和應用,促進其進步與升級。

1.2 產品品種的多樣化、系列化、標準化

金剛石圓鋸片有各種種類,用途廣泛。依據其應用分為:石材切割用圓鋸片、木材切割用圓鋸片、瀝青及混凝土切割用圓鋸片、耐火材料切割用圓鋸片及新興起的藝術圖案雕刻用圓鋸片等;其直徑的大小從小手工切割片(Φ105mm)到大的圓盤鋸片(Φ2500mm),分別應用在不同規格材料切割上。從生產工藝來區分:激光焊接金剛石圓鋸片、電鍍類圓鋸片、粉末燒結類鋸片等。如今,在石材加工、陶瓷切割、家庭裝修等方面,金剛石圓鋸片形成了豐富多樣的產品系列,在每一個產品系列中,又能根據切割對象的不同形成一個全新完整的產品體系,并且都形成了規模化、專業化的生產。

1.3 我國金剛石圓鋸片研究狀況

據市場調研分析,目前在使用金剛石圓鋸片的各個工程領域,仍然以普通基體金剛石圓鋸片應用最為廣泛,由此也可以發現普通基體金剛石圓鋸片能滿足大部分的切割需要,但圓鋸片仍然存在著許多問題,影響著鋸片成本的降低和切割質量的提高。

針對目前圓鋸片存在的諸多問題,何艷艷等[3]研究了刀頭胎體成分、鈷含量、金剛石、不同碳化鎢粉料以及燒結工藝對鋸片鋒利性和壽命等方面的影響,研制出了一種既鋒利又耐切的混凝土專用圓鋸片。史冬梅等[4]通過分析金剛石圓鋸片的節塊工作面上的金剛石的分布狀態和鋸片工作時的運動特點,求出了鋸片節塊工作面上出刃金剛石之間的距離和金剛石的運動軌跡,據此推導出單顆金剛石切削厚度的計算公式,并討論了切削厚度與鋸切參數和節塊結構之間的關系。胡映寧、王成勇等[5]綜合介紹了國內外優化金剛石圓鋸片基體及鋸齒結構的有關成果,分析了各種防側面磨損防應力變形、改善冷卻性能的鋸片基體及鋸齒結構的特點、生產價值及存在問題。

在競爭日益激烈的今天,特色化、多樣化的金剛石圓鋸片產品無疑會具有更強的生命力和吸引力,更具市場號召。行業相關企業須經營好自己的特色,同時緊跟市場發展與要求,才能在市場中站住腳。

2 金剛石圓鋸片發展展望

2.1 提高切割質量和鋸片使用壽命

為了節約石材,減小對環境的污染,金剛石圓鋸片正向薄型方向發展。在工作過程中,由于圓鋸片承受離心力、鋸切力、鋸切熱等外載荷作用,鋸片徑厚比一般都在200以上,屬于典型的超薄零件,易產生軸向變形屈曲,同時水槽底部應力較大,易產生鋸片裂紋和斷裂,導致鋸片結塊早期破損、鋸片壽命降低。

因此,提高鋸片切割質量、延長鋸片使用壽命已成為當下研究的熱點之一。張紹和等[6]研究發現,添加合適粒度和濃度的輔磨料,不僅可以提高鋸片壽命,還能提高其鋒利性,金剛石鋸片的使用壽命最多可提高150%以上,切割效率提高約40%。何志堅等[7]根據機械構件的疲勞破壞定理,通過改變普通圓鋸片鋸齒的結構參數,使圓鋸片鋸齒在相同切削力作用下水槽根部應力集中部分的應力減小,提高了鋸片的使用壽命。

金剛石圓鋸片的應用水平直接決定著一個國家的石材加工水平,大力開發各類高質量、高效率的金剛石圓鋸片,提高切割工藝的發展,已經成為世界各國的共識。目前的中國正處在一個制造大國向強國邁進的關鍵時期,在今后我國機械工業的高速發展中,鋸片切割是一個關鍵因素。

2.2 防止共振和降低噪聲

金剛石圓鋸片在鋸切過程中會產生共振和噪聲。鋸齒受到周期性激勵會使鋸片發生橫向振動,加劇節塊磨損,導致使用壽命縮短。鋸片在鋸切時通常會產生刺耳的噪聲,其噪聲峰值聲壓級可超過120dBA,即使是小尺寸金剛石圓盤手鋸,輻射出的噪聲也非常刺耳,對操作者的身體健康有一定的危害。

國內研究者對圓鋸片的振動特性和動態穩定性進行了詳細深入的研究,并提出了圓鋸片失穩機制。圓鋸片達到臨界轉速失穩狀態時,即使橫向作用力數值非常小也會導致圓鋸片較大幅度的橫向擺動,可能引發一系列更為嚴重的后果。在金剛石工作時,空氣動力學噪聲在某些場合下占有重要比重(齒尖噪聲、渦流噪聲、排氣噪聲等)。當圓鋸片處于高速旋轉狀態且空氣渦流的分離頻率接近于鋸片的某階固有頻率時,就會產生共振噪聲。

采用外加輔助支撐控制器的方法提高鋸片的橫向剛度,不僅可以降低共振和噪聲,還可以提高鋸切穩定性。從而使得圓鋸片工作效率有了明顯的改善,并且也大大減小了對操作者身心健康的威脅。此外,再結合均勻分布/有序排列技術、粉末超細化低氧化等技術,金剛石圓鋸片的振動和噪聲問題還會得到一定程度的改善,組織合金化會更充分,鋸齒尺寸會更加細小。

2.3 基體創新和結構優化

隨著石材用量的不斷增大和人類環保意識的逐步增強,金剛石圓鋸片鋸切技術正朝著提高鋸切效率、降低生產成本、節約石材資源、減少環境污染等方向發展,其中一個重要的技術趨勢就是基體創新和結構優化。

張淑貴等采用有限元分析軟件ANSYS,優化設計出一種適于高速鋸切的超薄金剛石圓鋸片結構[8]。王志等基于鋸片創新設計原理、鋸機結構與功能的分析,將圓鋸片分解為切割功能模塊、支撐功能模塊和驅動功能模塊,提出了新型組合式金剛石圓鋸片基體的設計方案。優化后的組合式圓鋸片基體質量減輕3.048kg,固有頻率提高3.235Hz,圓鋸片直徑和厚度均有所降低,動態性能更加穩定,結構更加合理[9]。趙民等在金剛石鋸片的動態特性研究當中發現,通過改變鋸片的幾何參數可以提高鋸片剛度,如此可延長鋸片的使用壽命,改善鋸切質量[10]。

相對于國際而言,國內圓鋸片基體的綜合質量與之依然存在一定差距。大量使用鋸片加工石材的技術依然是手工水平,智能化應用不夠普及。展望未來,我們必須提高自己產品的性能與壽命,依靠金剛石等超硬材料的進步,提高柔性加工、激光焊接等技術,全面提高我國金剛石圓鋸片的總體制造水平和應用水平。

3 結論

面對金剛石圓鋸片的飛速發展,我們需要頭腦冷靜,認真思考。我們要認識到,金剛石圓鋸片的發展必須是全方位、高水平、可持續的發展,而不僅僅只保持一個利益的增長。我們必須立足于當下,著眼于未來,這一點對中國金剛石圓鋸片制品產業是非常重要的。

金剛石圓鋸片的發展與超硬材料緊密相關,我們在不斷發展高性能的金剛石圓鋸片的同時也要加強超硬材料的研制,將二者有機結合,才能促進鋸片產業的發展。單晶金剛石、立方氮化硼、各種聚晶等都可應用于金剛石圓鋸片,拓展其應用領域和范圍并形成復合鋸片,可開拓出新型金剛石圓鋸片的良性局面。

本文盡管對金剛石圓鋸片的發展進行了相應的期待和展望,但難免有所遺漏。技術正在飛速發展進步,不斷進步的金剛石圓鋸片制品產業無疑會更好地促進中國石材加工業的發展,推動中國機械工業經濟的快速增長。

[1] 肖鴻.中國硅酸鹽學會房建材料分會裝飾石材專業委員會第五次學術會議論文集[C].中國廣州,198.10.

[2] F.H.Hughes.Industrial Diamond Review,FP.Bundy etal.Nature,1995(176):213.

[3] 何艷艷,唐霞輝,朱國富,周毅.混凝土專用激光焊鋸片的研制[J].金剛石與磨料磨具工程,2002(3):35-37.

[4] 史冬梅,楊凱華,潘秉鎖.金剛石鋸片節塊表面金剛石分布與單顆金剛石切削厚度的計算[J].工具技術,2002(5):7-10.

[5] 胡映寧,王成勇,魏昕,房延利.金剛石圓鋸片基體及鋸齒結構的特性分析(一)——防側面磨損、防應力變形、改善冷卻性能的鋸片結構[J].工具技術,2001(7):21-25.

[6] 張紹和,馬歡.金剛石輔磨料對混凝土鋸片使用壽命和切割效率的影響[J].粉末冶金材料科學與工程,2010(4):382-387.

[7] 何志堅.金剛石圓鋸片鋸齒疲勞壽命分析及優化實驗研究[D].廣西大學,2008.

[8] 張淑貴,李遠,黃輝,徐西鵬.高速鋸切用超薄金剛石圓鋸片的優化設計[J].工具技術,2009(2):44-47.

[9] 王志,張進生,王學禮.組合式金剛石圓鋸片創新及優化設計[J].金剛石與磨料磨具工程,2005(4):29-32.

[10] 趙民,郎希影,周青.金剛石圓鋸片的動態特性研究[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版),2011(4): 761-765.

Recent Development Status and Prospect of Diamond Circular Saw Blade in China

WANG Ke,YANG Xiao-zhan,FENG Xu
(1.Department of Optoelectronic Information,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

Diamond circular saw blade is widely used for cutting brittle hard materials such as marble,ceramics and granite and is an important tool for stone processing.It is also the most often used processing tool among the diamond tools.In this article,the recent development of diamond circular saw blade has been summarized and the key development fields for it in the future have been predicted.

diamond circular saw blade;summarize;current status;prospect

TQ164

A

1673-1433(2014)05-0030-03

2014-12-20

王柯(1990-),四川自貢人,碩士研究生,主要研究方向為材料的制備與表征;楊曉占(1981-),河南洛陽人,主要研究方向為材料的結構與性能。

重慶市教委科學技術研究項目(KJ130821),重慶市自然科學基金計劃(cstc2012jj A10150)。