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　　金剛石圓鋸片基體及鋸齒結構的特性分析——防側面磨損、防應力變形、改善冷卻性能的鋸片結構
　　
　　摘要：金剛石圓鋸片是金剛石類工具中消耗量最大的刀具，優化金剛石圓鋸片基體及鋸齒結構是改善鋸切效果的重要途徑。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。
　　
　　1 引言
　　
　　金剛石圓鋸片是金剛石類工具中消耗量最大的刀具，約占金剛石刀具材料消耗總量的95% 以上。近年來，我國在優化金剛石圓鋸片節塊配方方面進行了大量研究，使金剛石圓鋸片的鋸切性能顯著提高，刀頭成本大大降低，提高了國產鋸片在國內外市場的競爭力。
　　
　　隨著金剛石圓鋸片的應用范圍日趨廣泛，加工對象日益復雜，目前對鋸片除有一般的耐磨性、鋒利性等性能要求外，還對其適應被加工材料(如各種大理石、花崗巖、鋼筋混凝土、瀝青路面等)、加工條件(如干切、濕切、鋸切超薄板、高精度板等)以及環保要求(如噪音、排污等)的能力提出了更高要求，這些都對金剛石圓鋸片的設計與制造提出了新的挑戰，僅僅通過優化節塊配方來提高鋸片性能已遠遠不夠，還必須在改善鋸片結構方面取得更多進展和突破。
　　
　　近年來，國內外開發和使用的各種新型鋸片基體及鋸齒結構(如鋸片基體開氣流孔槽或鑲阻尼材料、形成鋸齒中凹磨損的三明治夾層齒、多重細齒、徑向延伸齒、硬質合金護齒等)對改善鋸切摩擦及冷卻條件、提高鋸片鋒利性及切割平穩性、防止鋸齒打滑、防止側面磨損、適應軟硬混合材料的加工、避免掉齒、節省刀具材料、充分利用鋸齒材料、降低鋸切噪音等起到了重要作用，由此證明改善鋸片基體及鋸齒結構是提高鋸切效果的重要途徑之一。但是，目前對各種基體及鋸齒結構對鋸片受力、剛性、變形、應力分布、摩擦、噪音等的影響還缺乏深入系統的理論分析，因而提出改善基體和鋸齒結構技術方案的理論依據尚不充分。本文綜合介紹了國內外改善鋸片基體及鋸齒結構的研究及應用成果，分析了各種鋸齒結構的特點、生產價值及存在問題，并提出了研究鋸片基體及鋸齒結構涉及的理論問題及技術前景。
　　
　　2 鋸片基體及鋸齒結構的特性分析
　　
　　1.防側面磨損的基體及鋸齒結構
　　
　　在鋸切過程中，鋸片高速運轉，鋸片基體與巖屑流產生摩擦磨損。由于節塊的徑向磨損與側向磨損不一致，當節塊工作層將消耗完時，鋸片基體與巖屑的摩擦加大，造成“夾鋸”，這將引起鋸片基體的磨損和變形，降低基體可重復使用的次數。為此，可采取以下保護基體的措施。
　　
　　a.采用電焊方法在鋸片基體上按圓周方向均勻分布及徑向方向交錯分布方式焊接硬質顆粒(見圖1)。該方法可減少巖屑流對基體側面的磨損，但將增加基體的制造成本及基體變形校正的難度。

　　圖1 基體布焊硬質顆粒防止側面磨損
　　
　　b.采用低溫熔射法在鋸片基體側面噴涂一層以WC-Co 為主要成分的熔射層(見圖2)。該方法既可防止側面磨損，又可提高鋸片剛性。如用外徑Ø323mm金剛石圓鋸片鋸切混凝土路面(鋸片轉速2400r /min，切深60mm，進給速度3m/min)，噴涂熔射層后鋸片使用壽命可由2899m 提高到4500m。選用最佳的熔射層噴涂工藝、層厚、噴涂面積等是應用該技術的關鍵。

　　圖2 基體側面噴涂熔射層防止側面磨損
　　
　　c.修復瀝青、混凝土路面時有時需要切出深而寬的槽縫，所用金剛石鋸片可采用精制的鐵基插塊與金剛石節塊燒結為一體，然后插焊到鋸片基體上(見圖3)。該技術的優勢是節塊寬度可根據切縫要求而定，尤其在鋸切鋸齒形或非均勻寬度槽縫時更顯靈活性，可大大減少鋸切時節塊與基體摩擦產生的熱量及向基體傳導的熱量，避免基體受熱變形，過早失效。采用特殊的節塊結合劑配方可實現干切。該方法的缺點是增加了節塊成形及與鋸盤連接的制造成本。

　　圖3 采用精制鐵基插塊保護基體
　　
　　d.采用側面向基體內延伸節塊以防止側面磨損(見圖4)。節塊向基體內延伸部分材料采用高耐磨性超細磨料，利用超細磨料良好的研削性可獲得優質切斷面，在防止側面磨損的同時，可增加節塊與基體的連接面積，提高二者結合強度。此外，減小基體厚度可減少切屑粉塵排出量。該方法的缺點是節塊和基體形狀特殊，會增加制造成本，且需采用預冷壓成型方式。

　　圖4 節塊向基體內延伸防止側面磨損 
　　 
　　e.節塊采用交錯分布水槽(見圖5)，水槽深度為節塊厚度的2/3，徑向深度達到焊接層。鋸切加工時接觸面為連續分割圖形。該技術有利于冷卻潤滑，可提高排屑能力，減少節塊對基體的摩擦和扭曲變形。

　　圖5 節塊采用交錯分布水槽以減少鋸片變形 
　　 
　　2.改善應力狀態、摩擦冷卻條件的基體和鋸齒結構 
　　 
　　通過分析鋸片的應力狀態和摩擦冷卻條件，合理改進基體及鋸齒結構，可有效改善基體的受力變形和鋸齒的摩擦冷卻條件，延緩基體失效期限，提高鋸片的耐磨性和鋒利性，節省刀具材料，降低加工成本。 
　　 
　　a.H. D. Jerro采用有限元法對普通節塊的單齒鋸切、一齒鋸切下一齒剛進入鋸切、二齒同時鋸切三種狀態進行了應力分析。當鋸片直徑為Ø200mm、切深2mm、鋸片厚度1.8mm、槽寬7mm、水槽底孔到鋸片外圓周距離Sh=8.5mm 時，設計了如圖6 所示具有較佳綜合加工效果的水槽結構。水槽結構參數為：g=10°，r=3.5mm，y=5°，Ø=5°。該文揭示了應用有限元法分析鋸片受力狀態的可行性，但受力分析的廣度和深度還有待進一步提高。 

　　圖6 水槽結構示意圖 
　　 
　　b.為改善鋸切過程中鋸片的熱應力狀態，可在基體上按均勻間隔增加徑向延伸槽(見圖7)，以滿足基體的熱脹冷縮需要，減少基體因熱應力引起的變形。

　　圖7 在基體徑向增加熱脹冷縮槽 
　　 
　　c.為改善鋸齒齒頂和齒側的摩擦條件和受力狀況，可在齒頂面形成有中凹磨損的“回”形齒、“H”形齒、“凹”形齒(見圖8)及類似的兩端形狀各異的節塊(見圖9)、“非勻質夾層”齒(見圖10)以及目前應用廣泛的三明治齒等。由于減少了齒頂與加工材料的接觸面積，改善了齒側壓力狀態，可使摩擦及發熱現象明顯減少，刀頭鋒利性增加。同時由于節塊中凹部分所對應的巖石往往薄而脆，巖石在周圍沖擊能量的作用下易自然破碎，從而可節省節塊工作層材料。

圖8 齒頂面形成中凹磨損的“回”形、“H”形及“凹”形齒 

　　圖9 齒頂面形成中凹磨損的兩端形狀各異的節塊

　　圖10 非勻質夾層齒示意圖 
　　 
　　可減小齒側摩擦接觸面積的齒型還有“L”型齒、階梯型齒、側面開槽齒等(見圖11)。美國NED公司、日本大阪金剛石公司、德國WihelmLeiritz公司等已將這些齒形運用于Ø1000～5000 mm的大直徑鋸片上。對于小直徑鋸片，則可采用圖12所示的螺旋齒型，該類齒型有利于冷卻介質的導入，節塊切入切出長度的漸變可減緩其所受沖擊力。該方法成功應用的技術關鍵是合理選用螺旋角、齒形以及冷壓成型工藝的控制。 

圖11 可減小齒側面摩擦的齒形結構

　　1.鋸齒 2.基體 3.鋸齒平槽部分 4.冷卻容屑槽 5.齒側 6.鋸齒凸起部分 
　　圖12 小直徑鋸片采用的螺旋齒 
　　 
　　d.為增加冷卻槽的密度，而又不至于因鋼基體水槽過多而造成鋸片剛性不足，可采用多重細齒節塊(見圖13)。該節塊外緣層齒槽比內層齒槽略低，當外層齒磨耗完后，內層齒又可如新齒一樣進行切削。由于齒長度縮短及分層，可達到改善摩擦冷卻條件、避免鋸齒打滑、增加鋸片鋒利性和切割平穩性、充分利用刀具材料的效果，該效果與國內學者研究的“節塊長度越小，則鋸片切削時的功率總消耗量越小”的結論一致。但此類節塊需采用冷壓成型制作，會增加模具制作成本和焊接難度。 

　　圖13 采用多重細齒節塊的鋸片 
　　 
　　3 結語 
　　 
　　本文對國內外各種防側面磨損、防應力變形、改善冷卻性能的鋸片結構基體及鋸齒結構的特點、生產價值、存在問題等進行了綜合介紹。在后續文章中，還將對干切削、抗沖擊、低噪音鋸片的結構特點、生產價值及存在問題進行分析和討論，并將提出在研究鋸片基體及鋸齒結構時所涉及的技術問題及相應的理論方法。