金剛石燒結鋸片降噪消音研究

劉 錕，劉一波，3，鄒新光，羅曉麗,2，崔博超

(1.北京安泰鋼研超硬材料制品有限責任公司，北京 102200；2.安泰科技股份有限公司，北京 100081；3.中國鋼研科技集團，北京 100081)

0 引言

金剛石鋸片在鋸切混凝土、石材、陶瓷玻璃等較硬材料時有著廣泛的用途，但是鋸切噪聲對切割者的健康產生了相當大的危害，對周圍環境有很大的污染。為了提高鋸切效率，切機功率越來越大，隨之而來的噪聲也越來越大。研究工作證明，人們長期在90 dB以上的噪聲中工作，會導致內耳損傷，嚴重甚至會導致噪聲性耳聾。ISO R1999中有詳細規定：8 h工作制中連續受到的噪聲不得超過90 dB，4 h工作日的允許噪聲為95 dB，最大噪聲不允許大于110 dB[1]。在切割混凝土或石材時，95 dB以下的噪聲在3 m外是可以忍受的，而100 db以上的噪聲在3 m外也是很難忍受的，事實上大部分的鋸切噪聲在85～110 dB范圍內，因此只需降噪幾個分貝對工人的工作環境影響是很大的。

國外在20世紀60年代就開始研究圓鋸片的降噪，國內在80年代開始研究木鋸、金屬鋸的降噪，對金剛石鋸片的降噪研究較少。

金剛石鋸片切割噪聲產生的源頭[2]：①空氣動力學噪聲，由氣體振動產生，主要由齒尖噪聲、渦流噪聲和排氣噪聲三部分組成；②振動噪聲，由固體振動產生，主要由諧振和強迫振動兩部分組成；③沖擊輻射噪聲，是由于金剛石刀頭和被切割對象周期性的相互作用形成的；④摩擦噪聲，是由于金剛石刀頭和被切割對象的摩擦引發的粘劃振動產生的；⑤鋸機結構噪聲，是由于切割設備尤其是防護罩的振動產生的。

鋸片的切割噪聲受多種因素影響，各種加工參數會影響金剛石圓鋸片的切割噪聲大小，其中，切割材料硬度、進給速度、切割深度以及設備轉速對噪聲大小的影響均為正相關，對噪聲影響大小的排序為切割材料硬度>進給速度>切割深度>轉速[3]。通常切硬的花崗巖噪聲>切水泥噪聲，干切噪聲>濕切噪聲。

1 國內外發展現狀

目前國內外對鋸切噪音的幾種處理方法：打孔消音、切縫消音、“三明治”基體消音、雙基體消音、阻尼減振合金等。

1.1 打孔消音

最初通過打孔消音[4]，如1997年10月中國專利CN2264055。

1.2 切縫消音

用激光切割機在基體上切割0.1～2 mm的窄縫降噪[5]，如1976年9月公布的美國專利US3981216，公開一種低噪聲高速切割鋸片，即在單片基體上打孔切縫、并在溝縫里填充焊料或其他消音材料來降噪[6]。目前市場上常見的消音鋸片即為此類。

國外發明的常見耳形縫/鋼琴縫等，據此制作出的激光焊接鋸片，實際干切花崗巖測試僅降噪1～5 dB，并沒有達到降噪16 dB。

1.3 “三明治”基體消音

1989年9月美國專利US4867025[7]和2020年4月美國專利US10632552[8]等，都提供一種“三明治”圓鋸片，即兩個或多個金屬片中間夾一層銅片或其他消音層，通過多點點焊等方式固定在一起[9]。如今市場常見的激光焊接或高頻焊接的消音鋸片，均會采用上述“三明治”基體，降噪效果非常明顯，但消音層、打孔、點焊等使得基體成本比普通單片基體高1～3倍。如何提供一種成本低、噪聲小的消音鋸片，仍然需要大家進一步研究。

1.4 雙基體消音

2019年4月中國專利CN109986699A提供了一種雙基體圓鋸片[10]，即兩個金屬片中間不夾銅片等消音層，不點焊，而是通過粉末壓型在一起。經過試驗，有一定消音效果[11]。

1.5 阻尼減振合金

阻尼合金主要有復合型、超塑性型、鐵磁性型、位錯型、孿晶型、多孔型等。河南工業大學的張偉等[12]研究了用阻尼合金基體減小鋸片的振動，試驗證明，普通金剛石鋸片的噪聲為102.6 dB，而Fe-Cr-Si阻尼消音鋸片噪聲為84.1 dB。

2 金剛石鋸片降噪對比測試

2.1 鋸片

5個規格的金剛石圓鋸片的具體參數見表1。

表1 5種規格金剛石圓鋸片參數Table 1 Parameters of diamond circular saw blades of five specifications

2.2 切縫材料

各類切割材料的具體參數見表2。

表2 3種切割材料參數Table 2 Parameters of three cutting materials

2.3 設備

自動熱注膠機。

125干切手持鋸型號：Dewalt Angle grinder，1.4 kW，10000 r/min。

230干切手持鋸型號：Makita Angle grinder，2 kW，6600 r/min。

350干切手持鋸型號：STIHL TS800，7.5 kW，4700 r/min。

350濕切推臺鋸，7.5 kw，5500 r/min。

噪聲測量儀。

2.4 試驗過程及數據結果分析

本文主要在常規鋸片的研究基礎上，進行6項降噪改進，分別切割試驗并記錄切割噪音分貝數值。6項改進包括打孔、切0.5 mm窄縫、切0.5 mm窄縫并注膠、切1.5 mm寬縫、切1.5 mm寬縫并注膠、改用雙基體。切割設備：Ф115用125手持鋸，Ф180/Ф230用230手持鋸，Ф350干切用350手持鋸，Ф356濕切用350推臺鋸；噪聲測量儀放在操作者右側3 m處。環境噪聲：70 dB。進給速度30 mm/s，讀數位置：當每刀切到材料寬度的1/2時，即150 mm讀取噪聲示值。由于“三明治”基體成本較高，而燒結鋸片售價不高，所以未進行“三明治”基體試驗。

2.4.1 7片Ф230鋸片切割噪音對比及數據結果分析

7片Ф230金剛石圓鋸片的外觀如圖1，均采用相同金剛石粉類配方，在同等條件下切割對比，分別記錄噪音示值見表3。

表3 Ф230常規鋸片與6項改進后的降噪效果對比Table 3 Comparison of noise reduction effect between Ф230 conventional saw blade and 6 improvement items

從表3中實驗結果可看出：

(1)此外觀Ф230鋸片，由于花崗巖比混凝土硬度高，所以干切花崗巖的噪聲都比混凝土大。

(2)此外觀Ф230鋸片，無論打孔、切縫/注膠還是雙基體，干切花崗巖的降噪效果比混凝土好。

(3)此外觀Ф230鋸片，干切上述兩種材料時，圖示打孔可降3～4 dB，圖示切縫(此處統計包括寬/窄縫/注膠)可降5～7.5 dB，雙基體可降6.5～8 dB，即降噪效果：雙基體>切縫>打孔。

(4)此外觀Ф230鋸片，圖示寬縫比窄縫的降噪效果好。

(5)此外觀Ф230鋸片，在縫內注膠比不注膠的降噪效果好。

2.4.2 7片Ф180鋸片切割噪音對比及數據結果分析

7片Ф180金剛石圓鋸片的外觀如圖2，均采用相同金剛石粉類配方，在同等條件下切割對比，分別記錄噪音示值見表4。

表4 Ф180常規鋸片與6項改進后的降噪效果對比Table 4 Comparison of noise reduction effect between Ф180 conventional saw blade and 6 improvement items

從表4中實驗結果可看出：

(1)此外觀Ф180鋸片，由于花崗巖比混凝土硬度高，所以干切花崗巖的噪聲都比混凝土大。

(2)此外觀Ф180鋸片，無論打孔、切縫/注膠還是雙基體，干切花崗巖的降噪效果比混凝土好。

(3)此外觀Ф180鋸片，干切上述兩種材料時，圖示打孔可降1～2 dB，圖示切縫(此處統計包括寬/窄縫/注膠)可降3～7.5 dB，雙基體可降4～9 dB，即降噪效果：雙基體>切縫>打孔。

(4)此外觀Ф180鋸片，圖示寬縫比窄縫的降噪效果好。

(5)此外觀Ф180鋸片，在縫內注膠比不注膠的降噪效果好。

2.4.3 7片Ф115鋸片切割噪音對比及數據結果分析

7片Ф115金剛石圓鋸片的外觀如圖3，均采用相同金剛石粉類配方，在同等條件下切割對比，分別記錄噪音示值見表5。

表5 Ф115常規鋸片與6項改進后的降噪效果對比Table 5 Comparison of noise reduction effect between Ф115 conventional saw blade and 6 improvement items

從表5中實驗結果可看出：

(1)此外觀Ф115鋸片，由于花崗巖比混凝土硬度高，所以干切花崗巖的噪聲都比混凝土大。

(2)此外觀Ф115鋸片，無論打孔、切縫/注膠還是雙基體，干切花崗巖的降噪效果比混凝土好。

(3)此外觀Ф115鋸片，干切上述兩種材料時，圖示打孔可降1～1.5 dB，圖示切縫(此處統計包括寬/窄縫/注膠)可降1.5～3 dB，雙基體可降2.5～3.5 dB，即降噪效果：雙基體>切縫>打孔。

(4)此外觀Ф115鋸片，圖示寬縫比窄縫的降噪效果好。

(5)此外觀Ф115鋸片，在縫內注膠比不注膠的降噪效果好。

2.4.4 7片Ф350鋸片切割噪音對比及數據結果分析

7片Ф350金剛石圓鋸片的外觀如圖4，均采用相同金剛石粉類配方，在同等條件下切割對比，分別記錄噪音示值見表6。

表6 Ф350常規鋸片與6項改進后的降噪效果對比Table 6 Comparison of noise reduction effect between Ф350 conventional saw blade and 6 improvement items

從表6中實驗結果可看出：

(1)此外觀Ф350鋸片，由于花崗巖比混凝土硬度高，所以干切花崗巖的噪聲都比混凝土大。

(2)此外觀Ф350鋸片，無論切縫/注膠還是雙基體，干切花崗巖的降噪效果比混凝土好。

(3)此外觀Ф350鋸片，干切上述兩種材料時，圖示切縫(此處統計包括寬/窄縫/注膠)可降 0.5～2 dB，雙基體可降1.5～2 dB。

(4)此外觀Ф350鋸片，圖示寬縫比窄縫的降噪效果好。

(5)此外觀Ф350鋸片，在縫內注膠比不注膠的降噪效果好。

(6)此分齒型Ф350鋸片，打孔后切割噪聲不降反升高1-2 dB，分析原因是由于此外觀打孔集中在4個區域內，而空氣進入4個大面積打孔區域則影響了鋸片的旋轉均勻性，從而增大了鋸片摩擦力，增加了切割噪聲。因此不是所有打孔和切縫都能降噪，此孔型有待改進。

2.4.5 7片Ф356鋸片切割噪音對比及數據結果分析

7片Ф356金剛石圓鋸片的外觀如圖5，均采用相同金剛石粉類配方，在同等條件下切割對比，分別記錄噪音示值見表7。

從表7中實驗結果可看出：

(1)此外觀Ф356鋸片，濕切瓷磚時，圖示打孔可降1 dB，圖示切縫(此處統計包括寬/窄縫/注膠)可降2～4 dB，雙基體可降4 dB，即降噪效果：雙基體>切縫>打孔。

(2)此外觀Ф356鋸片，圖示寬縫比窄縫的降噪效果好。

(3)此外觀Ф356鋸片，機器自動灌注減震橡膠，比人工灌注玻璃膠，降噪效果好。

(4)此外觀Ф356鋸片，人工灌注玻璃膠，如果灌注不均勻，不但不能降噪，噪聲還會上升。

3 結論

(1)制作Ф180、Ф230等5個規格共計35種打孔、切縫/注膠、雙基體燒結鋸片，試驗結果表明，打孔可降噪-2～4 dB，只切縫不注膠可降噪0.5～7 dB，切縫/注膠可降噪1～7.5 dB，改用雙基體可降噪1.5～9 dB，即降噪效果：雙基體>切縫/注膠>打孔，其中Ф180和Ф230降噪效果明顯，Ф115和Ф350略差。

(2)一般在燒結鋸片上切縫后，機器自動灌注減震橡膠，比人工灌注玻璃膠降噪效果好；人工灌注玻璃膠，如果灌注不均勻，不但不能降噪，噪聲還會上升。

(3)燒結鋸片不同的打孔、切縫、注膠方式、對降噪效果有影響，一般孔縫數量越多降噪效果越好。

(4)一般情況下，干切相對于濕切、切硬花崗巖相對于切軟混凝土、分齒鋸片相對于連續邊鋸片，切割噪音相對更大，同時降噪效果明顯。

(5)個別鋸片降噪效果不理想，待分析原因，進一步改進。