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金刚石框架锯锯切研究2——锯切破碎机理pdf
国家自然科学基金、国家留学基金委员会、教育部留学回国人员启动基金资助（59675062）资助 金刚石框架锯锯切研究（ 510090（广州）广东工业大学 机电工程学院 在对金刚石框架锯锯切加工动力学研究的基础上，通过单颗粒划痕和单个金刚石结块切削大理石试验，模拟金刚石框架锯锯切过程中，金刚石颗粒和结块在不同加工条件下的切削过程；测量分析了切削力、表面 沟槽轮廓和有效切削磨粒数；观察并分析了加工表面形貌；运用岩石脆性断裂力学理论，分析了单颗粒金刚石切 削机理。通过金刚石框架锯锯切加工大理石的切屑粒度分布分析，指出了实际加工切削条件对锯切破碎机理的 影响。研究结果证实了金刚石框架锯锯切加工动力学研究的一些基本结论，最后提出了金刚石框架锯锯切大理 石破碎机理模型。 关键词 金刚石 框架锯 锯切破碎机理模型 ABSTRACT：With different cutting conditions，the frame sawing process cuttingexperiments singediamond segment CNCmiing sawingexperiment modemachine. surfacetopogra- phies machinedsurfaces observed，thesurface profies cuttingforces chipsizes framesawing process resutsshowed cracksgenerated differentdiamonds variouspositions wi decide finaremova mechanism fewdiamonds act effectivecutting edges. saw-ing process diamond，cooant，cuttingpaths proper-ties wiaffect pasticdeformation fracture，thecutting forces chipsizes. Finay cuttingmechanism mode framesawing provided.KEYWORDS：Frame sawing，Diamond segment，cutting mechanism 前言金刚石框架锯锯切加工动力学研究结果表明，在 金刚石框架锯锯切过程中，单颗粒金刚石在与石材起 始接触和冲程（切削）方向改变时将承受冲击载荷的作 用。各个金刚石结块上的有效切削刃数，以及其切削 深度，将取决于金刚石结块在切削开始和结束时相对 于石材表面的位置。单颗粒金刚石的最大切削深度将 取决于该金刚石切削始点与单冲程终点相对于石材切 削方向两端的位置，以及金刚石颗粒突出结块的出刃 高度。锯条和结块与石材表面的接触面积是变化 本文对金刚石框架锯锯切岩石破碎过程的研究可以分为以下三个方面。（1）首先对单颗粒金刚石切削 石材时的岩石破碎现象进行观察，结合切削力测量，研 究单颗粒金刚石与石材之间的相互作用关系，利用岩 石断裂力学理论，提出单颗粒金刚石切削机理模型；分 析影响破碎过程的主要因素，包括切削深度、切削路 径、冷却液以及金刚石磨粒磨损和金刚石磨粒切削方 位等。（2）采用单结块金刚石模拟框架锯锯切运动特 征来切削石材表面，研究金刚石颗粒的切削沟槽形态， 研究金刚石结块上出刃高度和位置不同的金刚石颗粒 切削石材表面时的相互影响；（3）通过单锯条单个金刚 石结块框架锯锯切过程实验中，研究金刚石结块以及 锯切条件对切屑粒度分布的影响。通过上述系统的研 究，全面把握金刚石框架锯锯切破碎机理，为进一步研 究锯切力、金刚石结块磨损和金刚石锯片张紧力等锯 切加工特征打下良好的理论基础。 单颗粒金刚石切削石材机理模型Lns（1970） 均指出，单颗粒金刚石划伤岩石表面的实验表明，在不同加工条件下的岩石破碎过程中，脆性崩碎行为占主 导地位；同时，仍有塑性变形区，后者取决于被划伤矿 物的成份。Bienert（1978）首次提出了一个单颗粒金刚 石切削岩石的模型 ［5，6］ ；作者（1988）提出了一个类似的 大理石切削机理模型（图1） ［7，8］ 。Meding （1995）提出类似 岩石的切削机理模型如图 2（a）所示 。这些研究的主要结论如下： （l）磨粒前部及其附近区域。在微划伤时，只有微剪切裂纹破坏产生，它使工件表面沟痕在光学显微镜 下呈现出发光点。主要是中位裂纹和侧向裂纹扩展生 成切屑，中位裂纹在垂直于工件表面的平面内，沿划痕 的方向扩展，最后或强或弱地转向加工表面，裂纹周期 性显现在划伤表面上。压应力产生的剪切破坏，使岩 石材料颗粒形成主切屑破碎，崩出和挤出加工区。 （2）磨粒底部。对于石灰岩和大理石而言，在磨粒 与岩石接触范围内的工件表面上，由塑性变形和受压 的薄层材料强化产生了呈光滑状的只有几微米厚的强 烈塑性层（又称压实域）。 （3）磨粒后部。在与磨粒紧邻的地方，划痕表面的 应力由压应力转化为拉应力，由于突然的弹性应力释 放，导致了较大的切屑生成；同时产生了一些宏观细小 岩石颗粒组成的塑性变形切屑翘起（如图2 单颗粒金刚石切削石材过程的断裂力学解释单颗粒金刚石切削机理可以用岩石脆性材料断裂 力学 ［l0］ 来解释。如图 所示，当磨粒压入石材时，磨粒下部形成塑性变形压实域，当压实域外围产生的侧 向裂纹和中位裂纹扩展到石材表面时，将产生断裂切 屑；钝磨粒切削（相当于金刚石钝压头）比锐利磨粒切 削（相当于锋利刀具）更易产生塑性变形；锐利磨粒在 切深较小时即可产生断裂切屑。磨粒在石材表面划过 时，中位裂纹扩展到工件表面后，会在工件表面留下若干鳞片状切屑。显然，由于岩石以及组成矿物特性的 不同，石材锯切机理是复杂的。单颗粒金刚石和单个 金刚石结块切削和锯切实验结果基本证实了上述解释 是可行的。 影响金刚石框架锯锯切过程中单颗粒金刚石切削过程的主要因素 实验采用金刚石压头（刃尖圆弧的半径 l95mm）、金刚石修整笔（l20锥角）以及l20锥角的硬 质合金划针作为锋利刀具，通过改变不同的加工条件， 来模拟金刚石框架锯锯切过程中磨钝金刚石磨粒和锐 利金刚石磨粒在不同加工条件下的加工破碎过程。切 削深度为5 m，水平进给速度为500mm/min；压入进给速度为 80mm/min。用立体显微镜观察加工表面 形貌，Perthen 表面轮廓仪测量沟槽轮廓，Kister 测力仪 测量切削力。 切削深度的影响随着切削深度的增大，切削力逐渐增大（图4），切 削沟槽形貌逐渐从塑性变形变为脆性断裂。沟槽边缘 因为断裂裂纹扩展宽度增大，出现了若干断裂凹坑。 侧向裂纹的扩展还在沟底形成若干“〈”形不连续裂纹 （图5）。在湿切削时，沟槽底部的压实域远比干切削 时要明显，且会因为水的作用易于脱落。由于水能促 进微小破碎的产生，湿切削切削力比干切削切削力要 小。实验中两种大理石 Thasso JuraGeD 的切削力， 在切削深度小时有显著差异，前者较高，但在切削深度 大于20 表明，采用金刚石压头切削时切削力最大，切削力随切削深度的增大呈抛物线上升，同时F 锋利硬质合金刀具切削表面形貌随切削深度的增加呈抛物线式下降，F 较远，显然金刚石压头不能很好模拟框架锯锯切结块上金刚石磨粒的加工状况。锋利硬质合金刀切削力小 于金刚石修整笔切削力，两者切削力均随切削深度的 增加呈比例增大，F 之间。从沟槽形貌上看，金刚石压头易形成鳞片状切屑，金刚石 修整笔次之，锋利硬质合金刀具总是形成轮廓相对清 晰的沟槽。 金刚石磨粒切削方位的影响金刚石修整笔在不同切削方位上，切削角度是不 同的，因此其切削沟槽形貌有可能表现为钝压头切削 （D）），同时切削力值也散落在一定范围内［l2］ ，这与实 际锯切加工中随机分布金刚石磨粒以不同的切削角度 三种刀具切削形貌对比切削有相似之处。 金刚石磨粒切削路径的影响采用使金刚石磨粒切削深度逐渐增大的倾斜切 削、或在同一沟槽中逐次增加切削深度重复切削，以及 切削一次后刀具偏移一定距离再切削等方式，来模拟 单颗粒金刚石在框架锯锯切过程中可能出现的几种切 削路径，以及前后结块上金刚石磨粒的切削干涉的情 中可以看出在倾斜往复切削回程中，金刚石与工件表面再次接触时仍产生冲击，最终表现为塑 性变形典型特征（图 8（a2））。随着倾斜切削的进行， 切削深度逐渐增大，切削沟槽表面为以塑性变形为主 （b2））或断裂破碎为主（图8（e2））。在切削结束 时，磨粒停在工件材料内部，再次产生一个冲击塑性变 金刚石修整笔切削表面形貌距离再切削时，切削沟槽边缘的残余裂纹会继续扩展， 微小破碎切屑增多使得沟槽变宽，同时切削力只有初 次切削的30 ［l3］，这两种情况更清楚反映了实际加工时磨粒的切 削干涉行为。 实验方法金刚石结块表面布满了由若干出刃高度和位置不 同的金刚石磨粒；采用单个金刚石结块以切削、压入- 切削和倾斜切削等不同轨迹，模拟框架锯锯切中单个 金刚石结块切削作用进行切削实验。实验在数控机床 上进行，大理石表面已被精密磨抛平整。金刚石结块 （类型 3）尺寸为 20mm 7mm；金刚石为MBS950，D302，金刚石浓度为0. 95 ct/cm 单个金刚石结块切削路径对切削过程的影响 单个金刚石结块切削单个金刚石结块以不同的切削
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