無夾層復合基體金剛石鋸片噪聲研究

鄒新光，劉一波，劉 錕，劉志海，黃 霞

(安泰科技股份有限公司，北京安泰鋼研超硬材料制品有限責任公司，北京昌平 102200)

0 前言

金剛石圓鋸片作為切削工具廣泛應用于石材、建材等硬脆材料的加工。隨著環保及人力資源成本的提高，以及材料技術和制造業技術的發展，對切削工具的要求越來越高，其中降低噪音問題也越來越受關注。金剛石鋸片在切割過程中會產生噪聲，對環境造成一定的污染，也會影響人們的身體健康。所以降低金剛石鋸片在切割過程中產生的噪聲是非常必要的。

金剛石鋸片的噪聲問題，一直是我們關注的話題，國內外學者也做了大量的研究，研究證明夾層復合基體鋸片降噪效果比較明顯，但夾層基體價格比較高，是普通基體的三倍，所以本文提出了無夾層復合基體鋸片。無夾層基體比夾層基體少了中間層的阻尼材料，并以空氣作為阻尼，降低了成本。無夾層復合基體有一定的降噪效果，但降噪效果不太明顯，所以本文通過對鋸片降噪來源和降噪方法進行分析，對無夾層復合基體提出了切縫方法的改進，以達到更好的降噪效果。通過實驗數據分析驗證了無夾層復合基體鋸片有一定的降噪效果，切交錯縫的無夾層復合基體鋸片降噪效果更好。

1 噪聲的來源

金剛石鋸片不管應用在何種材料上，鋸片本身噪聲的來源基本上是相同的。鋸片無論是空轉還是切割時都會產生噪聲，歸結起來其噪聲主要來源分為三種:一是空氣動力噪聲;二是鋸片本身振動產生的噪聲和鋸片在切割時與被切割對象沖擊產生的噪聲;三是鋸片與切割對象產生的摩擦噪聲［1］。

1.1 空氣動力噪聲

金剛石圓鋸片不管是空轉，還是做切割運動，都會與空氣接觸，從而使空氣流動產生噪聲。在高速旋轉下的圓鋸片會對空氣產生強烈的擾動，例如:基體的水槽會對空氣產生一定的吸力，從而產生渦流;異形的圓鋸片的齒尖部分也會對空氣產生一定的影響。空氣流動產生的噪聲可以分為渦流噪聲、齒尖噪聲、周期性排氣噪聲等［2］。

1.2 鋸片振動噪聲

鋸片在旋轉時就會產生振動，而振動主要來源于自身的旋轉頻率，其次是工作時切割對象作用力，因此伴隨著會產生振動噪聲。振動噪聲主要分為共振噪聲和強迫振動噪聲。圓鋸片無論是空轉或工作狀態，轉動頻率與鋸片的固有頻率相接近時，就會產生共振噪聲。共振會產生刺耳的噪聲，由于不同的鋸片會對應不同的轉速，所以這種刺耳的噪聲也會不同［3］。

鋸片在工作狀態下，由于鋸片與被切割對象的相互作用，鋸片會受到被切割對象的沖擊，從而使鋸片產生振動噪聲。由于沖擊頻率比較高，因此這樣一個沖擊過程也成為了鋸片的主要激振源［4］。

1.3 摩擦噪聲

摩擦噪聲是由鋸片和被切割對象之間的摩擦引起的。由于被切割開的切割對象表面比較粗糙，會使圓鋸片表面與被切割對象產生摩擦，從而產生摩擦噪聲，特別是在切割鋼筋混凝土等粗糙材料時;另外由于人為的干擾使鋸片在切割過程中產生偏移，也會使鋸片表面與被切割對象產生摩擦噪聲［3］。

2 鋸片降噪方法

根據上述對噪聲來源的分析，要想降低噪聲，就需要從產生噪聲的根源上來解決問題，這也是降低噪聲最根本、最有效及最經濟的方法。

降低鋸片噪聲主要有兩個途徑:一是降低鋸片空氣動力噪聲;二是降低鋸片振動噪聲。經國內外學者研究表明，降低鋸片的噪聲主要有三種方法:一是設置合適的加工參數;二是基體上打孔、切縫;三是改變基體的阻尼［5］。

2.1 設置合適的加工參數

鋸片的加工參數主要包括旋轉與切深等參數。在質量和效率都允許的情況下，可以適當的降低圓鋸片的轉速，這樣會降低齒尖、水口與空氣的摩擦，從而會降低空氣流動引起的噪聲［6］。Ruzica 等人［7］針對圓鋸片轉速增量的情況下，得出了對空轉圓鋸片影響較大的轉速。Reiter［8］通過大量的實驗得出了一個可以預測圓鋸片幾何尺寸和運動參數下的輻射噪聲水平的方程。因此設置合適的加工參數可以有效降低圓鋸片的噪聲。

2.2 基體打孔和切縫

基體打孔是在基體的徑向和圓周方向上打一些孔，這些孔不僅可以起散熱的作用，還能起消音的作用。基體切縫是在基體上利用激光切割機切割一些窄縫(縫隙寬度通常≤0.3)，從而降低噪聲。研究表明，基體打孔不僅改變了圓鋸片的熱應力分布狀況，也可以阻止駐波共振［9］;圓鋸片基體上的切縫可以割斷基體周邊到中心的振動線，從而噪聲會被共鳴反彈;因此，在基體水槽不變的情況下，基體打孔和切縫都會在一定程度上降低噪聲。

2.3 改變基體阻尼

通俗地說，阻尼就是阻止物體繼續運動。當物體受到外力作用而振動時，會產生一種使外力衰減的反力，稱為阻尼力。圓鋸片的噪聲主要是由振動引起的，改變基體的阻尼可以適當地降低噪聲，目前應用最廣泛的是基體阻尼夾層的設計。漢諾威大學的Tonshoff［10］等人研究了三明治消音基體，夾層采用粘彈性材料，通過夾層與基體間空氣層中空氣的流動和摩擦來減少噪音的輻射;李長龍［11］等開發了一種合金夾層基體，降低了鋸片的噪聲。

3 改進復合基體

根據以上分析，在一定的切割工況下，改變基體切縫和阻尼可以降低鋸片的噪聲。基體切縫是通過改變基體的結構來實現降噪的，基體切縫能夠切斷振動的傳播［12］，但這種改變只是改變幾何的不連續性，使得振動在傳播上會斷斷續續的，但實際上振動的能量卻沒有消除;復合基體是通過改變基體的材質或增加阻尼材料的方法來實現降噪的，改變基體阻尼能夠吸收振動的能量，能把高頻的能量降低［13］。根據上述分析，切縫的復合基體不僅能夠切斷振動的傳播還能吸收振動的能量，本文提出的無夾層復合基體是把空氣作為阻尼，所以針對無夾層復合基體進行了切縫方法的改進。但無夾層復合基體如果切通縫在鋸片切割過程中對空氣會產生一定的吸力，氣流會直接穿過基體從另一側排出去，從而也會產生一些空氣動力噪聲，雖然能起降噪效果，但也會增加一些空氣動力噪聲;無夾層復合基體如果切交錯縫在鋸片切割過程中雖然會對空氣產生一定的吸力，但吸入的空氣會在復合基體的夾層之間，夾層之間的空氣也會起一定的阻礙作用，產生的空氣動力噪聲也會相對減小。

本文主要通過對無夾層基體切交錯縫方法的改進，以達到無夾層基體鋸片更好的降噪效果，并通過實驗，驗證了此方法的有效性。

4 實驗分析

本文設定復合基體外圓的水槽為鑰匙孔，切縫為M形切縫，切割方式為干切。實驗方案主要分為以下幾種:一是常規基體鋸片;二是無夾層復合基體鋸片;三是無夾層復合基體切交錯縫鋸片。將三種鋸片進行切割實驗，二、三種方案分別與一方案數據進行對比。

常規鋸片為基體不做處理的鋸片，如圖1所示;本文提到的無夾層復合基體主要是通過兩片薄的基體利用粘膠或點焊等方式進行復合，如圖2所示;無夾層復合基體切縫制備方法為兩片薄的基體分別切縫，切縫在基體徑向的圓周上切小于0.3mm的窄縫，兩基體的縫與縫成一定角度不相交，并利用粘膠或點焊等方式進行復合，如圖3所示。

圖1 常規鋸片Fig.1 Conventional saw blades

圖2 無夾層復合鋸片Fig.2 Sandwich-free composite saw blade

圖3 無夾層復合基體切交錯縫鋸片Fig.3 Saw blades without sandwich composite matrix for cutting staggered crevice

根據上述的實驗方案，選用同規格、同粉類的Φ230鋸片，使用2000W的手持鋸在實驗平臺上干切白石，白石規格為長600mm×厚10mm，并用噪聲接收器來接收噪聲，噪聲接收器放置在離切割平臺2米處。將上述三種鋸片分別命名，常規基體鋸片編號為A1，無夾層復合基體鋸片編號為A2，無夾層復合基體切交錯縫鋸片編號為A3。實驗數據見下表。

表1 切割噪聲對比Table 1 Comparison of cutting noise

從上述數據來看，無夾層復合基體鋸片比常規鋸片降噪2～4db，無夾層復合基體切交錯縫鋸片比常規鋸片降噪4～6db，無夾層復合基體切交錯縫鋸片比無夾層復合基體鋸片降噪1～3db。雖然小規格的鋸片本身切割的功率就比較小，降噪的幅度比較小，沒有大規格的鋸片降噪數值那么明顯，但不影響實驗的對比結果。

5 結論

針對夾層復合基體的制造成本問題，本文提出了一種無夾層復合基體鋸片，根據金剛石鋸片噪聲原理以及降噪方法的分析，針對切縫對無夾層復合基體進行了切交錯縫的改進，以達到更好的降噪效果。通過對比常規鋸片實驗驗證了無夾層基體有一定的降噪效果，切交錯縫的無夾層復合基體降噪效果更好。

本文只是考慮了對相同形狀的交錯切縫復合無夾層基體鋸片對噪聲的影響，驗證了切交錯縫的無夾層復合基體鋸片的降噪效果，不同交錯切縫對無夾層復合基體鋸片的降噪效果尚還需要國內外學者做進一步的研究。