超硬材料網(wǎng)

　　1 引言
　　在石材鉆削中，由于金剛石鉆頭與石材之間的相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)而在其接觸界面產(chǎn)生各種復(fù)雜摩擦學(xué)現(xiàn)象。金剛石鉆頭與石材之間的摩擦，由于石材導(dǎo)熱性差，大部分熱量傳到金剛石刀頭中，使金剛石鉆頭表面溫度升高，造成金剛石石墨化，金剛石切削能力降低，同時(shí)導(dǎo)致鉆頭基體產(chǎn)生熱疲勞，強(qiáng)度和剛度降低，加工石材時(shí)噪音增加，振動(dòng)加劇，鉆頭壽命降低，嚴(yán)重時(shí)金剛石刀頭脫落，對(duì)操作者造成傷害，同時(shí)也影響加工質(zhì)量和加工效率。研究金剛石鉆頭鉆削參數(shù)對(duì)其表面溫度影響，找出影響表面溫度因素關(guān)系和規(guī)律，確定合理加工參數(shù)，有利于提高金剛石鉆頭使用壽命和降低加工成本，提高加工質(zhì)量。
　　2 實(shí)驗(yàn)條件

圖1 金剛石鉆頭加工石材示意圖

圖2 進(jìn)給速度與金剛石鉆頭表面溫度關(guān)系

圖3 進(jìn)給速度與金剛石鉆頭表面溫度關(guān)系

圖4 鉆削大理石時(shí)金剛石鉆頭表面溫度與鉆削時(shí)間關(guān)系曲線

圖5 溫度與主軸轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖6 加工不同石材金剛石鉆頭表面溫度平均值

　　金剛石刀頭采用Cu基金屬粉末，金剛石粒度為60～80目，采用燒結(jié)成型法壓制成型，刀頭焊接在高速鋼圓筒上。金剛石鉆頭直徑φ37mm，高5．6mm，寬 2mm，基體直徑φ35．6mm，高度45mm。加工設(shè)備采用XK5032C型數(shù)控銑床，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸和Z軸三個(gè)方向的自動(dòng)進(jìn)給，主軸冷卻方式采用水冷。用紅外線溫度測(cè)量?jī)x測(cè)量刀具表面產(chǎn)生的溫度，測(cè)量溫度范圍在-50～650℃之間。在室溫l2℃條件下直接測(cè)量。石材分別選用大理石、砂巖和花崗巖。本實(shí)驗(yàn)主要研究主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和石材性能等參數(shù)對(duì)金剛石鉆頭表面溫度的影響。實(shí)驗(yàn)是在干切削條件下進(jìn)行，加工狀態(tài)如圖1所示。
　　3 結(jié)果分析
　　3.1 進(jìn)給速度對(duì)溫度的影響
　　金剛石鉆頭加工石材時(shí)，影響鉆頭表面溫度參數(shù)很多，其中包括金剛石性能、結(jié)合劑性能、石材物理力學(xué)性能、加工參數(shù)、冷卻參數(shù)等。本實(shí)驗(yàn)研究加工參數(shù)和石材性能對(duì)金剛石鉆頭表面溫度的影響。圖2是在主軸轉(zhuǎn)速為300r/min，進(jìn)給速度分別為10mm/min、15mm/min、20mm/min、25mm /min，鉆削大理石時(shí)鉆頭表面溫度預(yù)鉆削時(shí)間關(guān)系曲線。從圖2中可以看到，在4種進(jìn)給速度條件下，金剛石鉆頭表面溫度都隨加工時(shí)間的增加而加大。在加工初期階段，溫度增加比較緩慢，當(dāng)加工時(shí)間超過4s后，溫度急劇增加。當(dāng)加工時(shí)間達(dá)到10s時(shí)，金剛石鉆頭表面溫度是初始的5倍。圖3為加工大理石時(shí)進(jìn)給速度與溫度關(guān)系曲線。從圖中可以看到在進(jìn)給速度l0～20mm/min時(shí)溫度上升較慢，在進(jìn)給速度為20～30mm/min時(shí)，溫度上升最為明顯，在此區(qū)間鉆頭加工石材產(chǎn)生的熱量最多。由于鉆削過程中，金剛石鉆頭與石材表面產(chǎn)生很大摩擦，導(dǎo)致金剛石鉆頭表面溫度上升。由于大理石的導(dǎo)熱系數(shù)很低，而刀具的導(dǎo)熱系數(shù)很高，很大一部分熱量傳導(dǎo)到金剛石鉆頭上，導(dǎo)致金剛石鉆頭表面溫度升高。由于進(jìn)給速度增加，單位時(shí)間內(nèi)切割面接增加，刀具接觸石材次數(shù)增加，表面溫度增加。
　　3.2 主軸轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)溫度的影響
　　圖4是進(jìn)給速度為15mm/min，主軸轉(zhuǎn)速分別為300rpm、400rpm、500rpm，鉆削大理石時(shí)金剛石鉆頭表面溫度與鉆削時(shí)間關(guān)系曲線。從總體上看，溫度隨時(shí)間的增加直線上升。
　　另外從圖5中可以看到溫度隨主軸轉(zhuǎn)速增加而增加。但是溫度上升不明顯。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到500r/min時(shí)，最高溫度為143 ℃。主軸轉(zhuǎn)速增加。單位時(shí)間內(nèi)金剛石顆粒與石材摩擦次數(shù)增加，接觸時(shí)間長(zhǎng)，由此導(dǎo)致表面溫度增加。
　　3.3 石材性能對(duì)表面溫度的影響
　　圖 6是主軸轉(zhuǎn)速為300rpm，進(jìn)給速度為15mm/min時(shí)．加工不同石材金剛石鉆頭表面溫度平均值。從圖5中可以看到鉆削花崗巖時(shí)金剛石表面溫度最大，達(dá)到l50℃，而加工砂巖時(shí)表面溫度最低，為30℃；加工大理石時(shí)的溫度為70℃。通過石材性能得知，花崗巖密度2.5～2.7kg/cm3、抗壓強(qiáng)度120～250MPa，大理石的密度為2.5～2.7 kg/cm3、抗壓強(qiáng)度47～120MPa，砂巖的密度為2.2～2.5kg/cm3、抗壓強(qiáng)度47～120MPa。三種石材的密度基本一致，但是花崗巖的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大理石和砂巖，幾乎是大理石和砂巖的2倍。石材強(qiáng)度增加，切削力加大，金剛石刀具磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致金剛石鉆頭表面溫度升高。從圖5中可以看到加工花崗巖時(shí)的金剛石刀具表面溫度是加工大理石的2倍、砂巖的5倍。從加工實(shí)驗(yàn)中可以看到，干切削花崗巖時(shí)，金剛石刀具表面溫度上升很快，同時(shí)溫度很高，導(dǎo)致金剛石刀頭脫落。花崗巖的熱傳導(dǎo)系數(shù)3．49W/mK，而銅材的熱傳導(dǎo)系數(shù)為 370．49W/mK，由此可以看到大部分熱量是通過金剛石鉆頭來進(jìn)行熱傳導(dǎo)的，由此導(dǎo)致金剛石鉆頭表面溫度急劇增高，金剛石磨損嚴(yán)重。
　　4 結(jié)論
　　采用金剛石鉆頭加工石材時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速和鉆削速度等加工參數(shù)對(duì)刀具表面溫度影響很大。刀具表面溫度隨主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的增加而增加。金剛石鉆頭表面溫度隨鉆削時(shí)間增加而加大，同時(shí)與鉆削時(shí)間成正比。
　　石材性能對(duì)金剛石鉆頭表面溫度影響也是很大。在相同條件下鉆削花崗巖時(shí)鉆頭表面溫度是大理石的2倍，是砂巖的5倍。干鉆削時(shí)應(yīng)采用冷卻液，防止金剛石鉆頭磨損嚴(yán)重。對(duì)燒結(jié)金剛石應(yīng)采用銅焊或激光焊接。可以保證焊接處耐高溫，不至于金剛石刀頭較早脫落。