一種基于激光切縫消音金剛石鋸片的設計制作

陳欣宏 吳益雄 黃云

摘要：為研制出達到環保標準的消音金剛石鋸片來取代傳統金剛石鋸片，依據激光切縫消音原理，通過在基體上設計一種改進型的 U 型傾斜消音縫，消音縫的形狀為U 形、倒U 形按序交錯疊加其一條U 形臂而成，傾斜消音縫的縫隙寬度為0.3 mm，采用了大族激光的高性能光纖激光器進行切縫加工，縫隙中填充消音材料，制備工藝中采用加入超細預合金化的金屬粉末的金剛石-金屬鍵合技術，來保證鋸片的鋒利度和耐磨度，制作出了一種消音金剛石鋸片。對兩種石材的切割噪聲進行測試，所制作的金剛石鋸片切割噪聲均低于80 dB，達到了環保的標準。

關鍵詞：金剛石鋸片;激光切縫;消音

中圖分類號：TG485????? 文獻標志碼：A?????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0204-03

Design and Fabrication of a Noise Reducing Diamond Blade Based on Laser-slotted

Chen Xinhong1，Wu Yixiong1，Huang Yun2

（1.Guangzhou Crystal Technology Co.，Ltd.，Guangzhou，510520，China;2.Guangzhou Institute of Electronic Technology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510070，China ）

Abstract：Based on the principle of laser slit silencing，an improved u-shaped inclined silencing slot was designed on the substrate to replacethe traditional silencing slot in order to develop the environmental protection standard of Diamond blade.The shape of the noise reducing slot isU-shaped and inverted U-shaped，which are made by overlapping one U-shaped arm in sequence.The width of the inclined noise reducing slotis 0.3 mm.The? large? family? high -performance? fiber? laser? is? used? to? cut? the? slot，in? the? preparation? process，the? diamond -metal? bondingtechnology with ultra-fine pre -alloyed metal powder was? used to? ensure? the? sharpness? and? abrasion resistance? of the? saw blades.A? kind? ofdiamond blade was made.The cutting noise test of the two kinds of stone products showed that the cutting noise of the diamond blade producedwas lower than 80 dB，which reached the standard of environmental protection.

Key words：diamond row saws;laser-slotted;noise reducing

0 引言

噪聲污染、空氣污染、水污染是當代三大污染源，噪聲已成為危及人們生活和身體健康的一種公害。金剛石鋸片具有優越的切削性能、磨損性能及高效的加工性能，被廣泛地運用于石材加工、建筑、裝潢等行業。但金剛石鋸片在鋸切過程中高速旋轉鋸切會產生噪聲，其切割石材的噪聲通常在115dB以上，切割木材的嘯叫噪聲更大，對人體健康有較大的危害。隨著國家對環境保護的重視，達到環保標準的消音金剛石鋸片取代傳統金剛石鋸片成為必然，消音金剛石鋸片是未來研究和發展的方向。

國內外學者對金剛石鋸片的降噪機理和方法進行了大量的研究，任江華等“用CAD軟件設計了不同細縫形狀的鋸片基體，用有限元軟件ANSYS分析了鋸片基體的模態，結合噪聲測試試驗分析了激光切縫金剛石圓鋸片的降噪機理;陳雨果通過理想化鋸切工況受力模型，研究了鋸片不同鋸切工況下所受切削力的時頻特性，提出消振級和聲輻射效率衰減級這兩個對比量來代替絕對量，用來評價消音結構的消音特性，并通過此法，研究了開孔、開縫鋸片的消音特性，發現外邊緣的直線型切縫是導致鋸片6kHz附近高頻噪聲的不穩定結構，M型、S型縫在4kHz以上有高頻噪聲消音作用。根據不同的消音原理，提出了多種消音措施，如降噪屏、切縫消音、阻尼夾層消音、分層式刀頭設計等。李長龍等3著重闡述了阻尼合金夾層的消音機理試驗證明，所研制的阻尼合金消音鋸片對降噪具有比較明顯的效果;D C Stevenson等采用了在金剛石鋸片的兩側用阻尼板固定或夾具夾緊的方法，同時在鋸片旋轉過程中進行噴水處理，來降低噪聲;H K Tonshoff等5研究了三明治型的消音金剛石鋸片，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聲的輻射;楊秀魯等6利用ANSYS Wobench 軟件從模態、諧響應和聲場進行動態特性分析，發現在900～980 Hz頻率范圍內，孔縫混合結構可有效地降低圓鋸片基體的振動和噪聲。于家偉[7]引入模態映射方法計算金剛石圓鋸片振動位移響應，并將其映射到邊界元網格作為邊界條件，通過邊界元方法求解金剛石圓鋸片聲輻射特性，探究降噪孔結構對金剛石圓鋸片振動和聲場的影響及其降噪機理，為降噪孔結構的減振降噪機理研究提供了一定的依據。

近年來，隨著激光切割技術的發展，激光切縫消音的研究越來越受到重視。新型激光器的光束可以聚焦得更小，切縫更加精細，切縫熱影響區對鋸片機械性能影響小，并能更為方便地控制切縫形狀和寬度，達到良好的消音效果。韓海峰等[8]針對三明治金剛石鋸片基體材料的特點，采用Rofin? DC025板條CO2激光切割系統，深入研究小350 mm 鋸片基體切割工藝，分析了激光功率、切割速度、輔助氣體等因素對切口質量的影響，獲得了一套優化的切割工藝參數。許天宇等[9]為了探究光纖激光切割碳鋼板工藝特性，開展了光纖激光切割20 mm 厚Q235b 鋼板工藝實驗，系統研究了部分工藝參數（切割速度、離焦量、輔助氣壓）對切縫質量的影響。

目前國內雖然在消音金剛石鋸片的研究方面有了很大進展，但現有的消音金剛石鋸片產品還基本無法達到80 dB 以下，在設計和工藝制作流程方面還存在不足。吉春暉等[10]對國內外最新的研究工作及成果進行了綜述，并對目前研究中存在的問題以及今后的研究方向開展討論。

為研制出環保標準的消音金剛石鋸片，解決設計和工藝制作流程上問題。本次實驗研究擬依據激光切縫消音原理，通過在基體上設計一種改進型的U 型傾斜消音縫[11]，消音縫的形狀為U 形、倒U 形按序交錯疊加其一條U 形臂而成。傾斜消音縫的縫隙寬度為0.1～1 mm 可調，實驗找出最佳縫寬，達到預期的消音效果;采用新型的光纖激光器切割，并在縫隙中添加消音填充劑進行消音;同時利用調配的超細預合金化的金屬粉末，采取金剛石-金屬鍵合技術，來提高鋸片的鋒利度和使用壽命。

1 消音金剛石鋸片制作工藝

消音金剛石鋸片制作工藝流程如圖1所示。依據調配出的預合金化的金屬粉末配方，采用金剛石-金屬鍵合技術，為了獲得更理想的效果，在結合劑配方中加入1000目以細的超細合金粉，使鋸片刀頭在燒結過程中，利用結合劑中形成的固熔相和合金熔體，促使合金屬元素與金剛石表面的C 原子形成化學鍵，從而使金剛石-金屬成為完全鍵合，使金剛石和金屬胎體達到最佳冶金結合狀態，提高金剛石刀頭的鋒利度和耐磨度;利用自動冷壓成形技術和真空熱壓燒結成形，采用深圳大族激光公司的高功率光纖激光切割系統對金剛石鋸片進行切縫控制，激光切縫過程中，由于鋸片不是完全平整，導致切割時聚焦光斑的變化，使切縫大小不一，為消除切縫的不均勻，必須在切割時保持焦點位置不變;利用一種高度傳感器檢測，設定激光頭至鋸片的距離，通過傳感器進行實時跟蹤，維持激光頭至鋸片的距離不變，保證切縫的均勻，然后加入消音填充劑，完成消音金剛石鋸片制作的主要工藝流程。

2 消音金剛石鋸片結構設計

2.1 消音金剛石鋸片刀頭

為保持切割工作過程中鋸片所受到的阻力均勻一致，達到排渣、散熱、不輕易鈍化的目的，金剛石鋸片刀頭設計為一種連續式的波紋結構，在其圓形基體外圓周邊緣上的刀頭相對的兩側面分布從外到里的凹槽，凹槽的橫截面呈方形，并在基體外圓周采用圓孔均布結構。刀頭結構設計如圖2所示。為保持刀頭的厚度，提高刀頭的強度，刀頭兩側面的凹槽呈互相交錯排列狀。齒波紋狀的物理結構設計，在切割無機非金屬材料時，非常有利于排渣、散熱、減震和降噪，其切割噪聲只有傳統鋸片的1/2。另外，金剛石刀頭是整體冷壓成形、熱壓燒結，形成高強度的連續式環形整體。切割工作時，不會瞬間斷齒飛出，只會先產生裂紋，裂紋擴展，切割阻力增大，切割聲音異常，有足夠的時間引起警惕，在金剛石刀頭斷裂前停止切割工作，更換新的鋸片，避免安全事故的發生。

2.2? 消音金剛石鋸片基體結構

消音金剛石鋸片基體結構設計如圖3所示，在鋸片外沿切割細縫，細縫改變鋸片邊沿空氣渦流，降低了空氣動力的噪聲，在鋸片基體上切割出類U 形或者為倒U 形特定形狀的消音縫，消音縫的形狀為U 形、倒U 形按序交錯疊加其一條U 形臂而成，如圖4所示，縫隙寬度為0.1～1 mm 可調，實驗測試縫寬0.3 mm 時降噪效果最佳。為避免鋸片高速旋轉切割時傾斜消音縫的起始端或終止端裂開，導致鋸片的強度下降，鋸片的質量變差，設計傾斜消音縫的起始端或終止端向U? 形內彎曲，或者起始端或終止端設有直徑大于縫隙寬度的孔，保證鋸片的加工質量。

3 切縫金剛石鋸片噪聲測試

選取花崗巖和鋼筋混凝土兩種石材作為鋸切材料，噪聲測試計采用型號為AWA6533A 的Ⅱ型聲級計，測量時，傳感器放置在切割機前方，離鋸片中心1 m，距地面高1m 處，測量機器未開動的環境噪聲，裝上鋸片后，又在通水和不通水兩種情況下，測試鋸片的空轉噪聲，最后對兩種石材分別在空轉和切削兩種情況下進行測量。環境噪聲為39 dB。測量結果如表1所示。使用加工制作的消音金剛石鋸片對花崗巖和鋼筋混凝土兩種石材進行了分別測試，測試顯示，花崗巖和鋼筋混凝土切割噪聲均低于80 dB。

4 結束語

高性能激光器可提高基體切割消音縫的質量，因其切割精度變高，使切縫光滑、熱影響區變小;鋸片刀頭設計為一種連續式的波紋狀結構（即在基體外圓周邊緣上的刀頭兩側面切割連續橫截面呈方形的凹槽），并在基體外圓周切割圓孔均布結構，可起到排渣、散熱、減震和降噪的效果，其切割噪聲只有傳統鋸片的1/2;基體消音縫主要作用是割斷基體周邊到中心的振動線，由于切縫的存在，噪聲的聲能變成動能，動能被填縫的消音材料阻隔和吸收，動能變成熱能，基體的噪聲被吸收和轉化，使噪聲減弱，在鋸片基體上設計形狀為U 形、倒U 形按序交錯疊加其一條U 形臂而成的傾斜消音縫，對噪聲的抑制轉化效果明顯;基于此工藝制作出的消音金剛石鋸片進行切割石材噪聲測試，切割噪聲低于80 dB，達到環保標準。

參考文獻：

[1]任江華，唐霞輝，何艷，等.激光切縫金剛石圓鋸片的降噪機理研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2003（2）：33-35.

[2]陳雨果.釬焊金剛石鋸片振動噪聲的理論分析與實驗研究[ D ].南京：南京航空航天大學，2016.

[3]李長龍，李國彬，郭全梅.阻尼合金夾層消音金剛石圓鋸片的研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2003（1）：36-38.

[4] D C Stevenson，W W Gray，K C Hoong.Questioning circular sawsby? reducing? blade? vibration [ J ]. Noise? C ontrol? EngineeringJournal，1989（1）：33-37.

[5] Tnshoff H? K，Scherger A.About? Damping? Mechanisms? for? DiskShaped? Tools [ J ].CIRP? Annals - Manufacturing? Technology，1981，30（1）：305-309.

[6]楊秀魯，劉魯寧，王永安，等.基于ANSYS? Workbench 軟件的圓鋸片基體減振降噪設計[J].濟南大學報（自然科學版），2020，34（2）：163-168.

[7]于家偉.大直徑金剛石圓鋸片降噪孔參數優化研究[D].濟南：山東大學，2017.

[8]韓海峰，唐霞輝，鐘如濤，等.三明治金剛石鋸片激光切割工藝研究[J ].激光雜志，2008（1）：66-67.

[9]許天宇，劉懷亮，馬修泉，等.光纖激光切割碳鋼工藝研究[ J ].機電工程技術，2020，49（3）：174-176.

[10]吉春輝，劉戰強，劉魯寧.圓鋸片噪聲及其降噪技術的研究進展[J ].工具技術，2010，44（8）：3-7.

[ 11]陳欣宏，吳益雄，魏洪濤.激光切縫消音金剛石鋸片：CN201931548U [ P ].2011-08-17.

第一作者簡介：陳欣宏（1968-），廣東汕頭人，大學本科，工程師，研究領域為金剛石工具、超硬材料。

（編輯：刁少華）