金刚石辅磨料对混凝土锯片使用寿命和切割效率的影响.pdf

第 l 5卷第 4期 V b l J l 5 NO 4 粉末冶金材料科学与工程 M a t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g o f P o wd e r M e t a l l u 2 0 1 0年 8月 Au g 2 0 1 0 金刚石辅磨料对混凝土锯片使用寿命和切割效率的影响 张绍和 一 ，马 欢 ( 1 中南大学 地学与环境工程学院，长沙 4 1 0 0 8 3 ：2 有色金属成矿预测教育部重点实验室，长沙 4 1 0 0 8 3 ) 摘要：采用与主磨料粒度相差较大的金刚石微粉作为辅磨料，设计和制备了 1 3种不同配方的金刚石小锯片进 行切割混凝土的试验，实现主辅磨料双切削共同作用。通过混凝土切割实验和理论分析研究金刚石辅磨料对金 刚石锯片寿命和切割效率的影响。结果表明，在锯片中加入适量浓度的细颗粒金刚石作为辅磨料，能较大幅度提 高混凝土金刚石锯片的切割效率及使用寿命。金刚石作为辅磨料可协助主磨料共同参与切割混凝土，能加快锯片 的新陈代谢，使单位切削面上的受力点增多，且减小金刚石颗粒之间的间距，使大于金刚石间距的砂粒磨削不到 胎体，从而减少砂粒对胎体的磨损，金刚石锯片的使用寿命最多可提高 1 5 0 以上，切割效率提高约4 0 。 关键词 ：辅磨料 ；金 刚石锯片 ；混凝土 ；切割效率；使用 寿命 中图分类号：T G7 3 ； T G 7 4 文献标识码 ：A 文章编 号：1 6 7 3 0 2 2 4 ( 2 0 1 0 ) 4 3 8 2 0 6 Ef f e c t o f a u x i l i a r y a b r a s i v e o n l i f e a nd c u t t i n g e ffi c i e nc y o f di a m o nd s a w- bl a d e s f o r c u t t i ng c o n c r e t e ZHANG S h a o h e 一 M A Hu a n ( 1 S c h o o l o f Ge o l o g y a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n K e y L a b o r a t o r y o f N o n - f e r r o u s o r e f o r e c a s t ， C h ang s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h i r t e e n k i n d s o f d i a mo n d - b l a d e s wi t h d i ffe r e n t v o l u me f r a c t i o n o f d i a 2 9 7 - 4 2 0 I n n o p t i mu m d i a mo n d a s ma i n a b r a s i v e a n d fi v e kin d s o f fi n e r d i am o n d a s a u x i l i a r y a b r a s i v e we r e d e s i g n e d an d p r e p a r e d t o c u t t i n g c o n c r e t e T h e e ffe c t o f a u x i l i a r y a b r a s i v e o n u t i l i z a t i o n l i f e and c u t t i n g e ffi c i e n c y o f t h e d i a mo n d b l a d e s p r e p are d we r e s t u d i e d t h r o u g h t h e c o n c r e t e c u t t i n g e x p e rime n t s a n d t h e o r e t i c a l an a l y s i s T h e r e s u l t s s h o w t h a t the c u t t i n g e ffic i e n c y an d u t i l i z a t i o n l i f e o f t h e d i a m o n d b l a d e s are g r e a t l y i mp r o v e d b y a d d i n g fi n e gr a i n d i a mo n d p o wd e r a s a u x i l i a r y a b r a s i v e i n c e r t a i n e x t e n t ， e s p e c i a l l y w h e n c u t t i n g o b j e c t i s c o n c r e t e T h e a uxi l i a r y a b r a s i v e c a n a s s i s t ma i n a b r asi v e t o c u t c o n c r e t e j o int l y , w h i c h r e s u l t s i n a c c e l e r a t i n g o f me t a b o l i s m f o r d i a mo n d - b l a d e s ， i n c r e a s i n g o f t h e f o r c e b e a r i n g p o i n t s o n u n i t c u t t i n g a r e a and d e c r e a s ing o f d i am o n d s p a c e As a r e s u l t ， the we ar o f ma t r i x r e d u c e s ， the u t i l i z a t i o n l i f e and c u t t i n g e ffic i e n c y o f t h e d i am o n d b l a d e s are i mp r o v e d 1 5 0 an d 4 0 ， r e s p e c t i v e l y Ke y wo r d s ： a ux i l i a r y a b r a s i v e ； c o n c r e t e ； d i a mo n d b l a d e s ； c u t t i n g e ffic i e n c y ； u t i l i z a t i o n l i f e 混凝土是 1 种特殊的复合材料， 主要由粗骨料石、 细骨料砂、水泥等硬相和软相材料组成，其抗拉强度 低，存在裂缝和不连续点等结构缺陷I l 】 。常用金刚石 锯片在锯切混凝土的过程中，易产生金刚石非正常磨 损和过早脱落，以及锯片基体易变形等缺点L 2 J 。金刚 石研究工作者通过调整胎体配方以及改变锯片外形来 提高金刚石锯片的性能，取得了一定的效果，然而通 常只能提高金刚石性能指标( 寿命与切割效率) 之一， 如何兼顾金刚石锯片在切割混凝土时具有较高的时效 性及较长的寿命一直是难于解决的问题。本文作者从 锯片的磨料着手，通过对单颗金刚石运动的研究，分 析粒度不同的金刚石在切割工作中发挥的不同作用， 使得锯片产生不同的使用效果，进而决定采用与常用 金刚石磨料粒径相差悬殊的金刚石微粉作为辅磨料， 基金项 目：湖南省自然科学基金资助项 目( 0 7 J J 6 0 8 9 ) 收稿 日期：2 0 0 9 1 0 1 5 ：修订日期：2 0 0 9 一 l 2 - 1 4 通讯作者：张绍和，教授，博士。电话：1 3 9 7 5 1 5 7 1 5 1 ：E - ma i l ： z h a n g s h a o h e 1 6 3 G o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 5卷第 4期 张绍和，等：金刚石辅磨料对混凝土锯片使用寿命和切割效率的影响 3 8 3 配合主磨料共 同完成锯切工作 ，从而使混凝土金 刚石 锯片在保持高效率的 同时能够具有较长 的使用寿命 。 1 实验 1 1 锯 片制备 锯片的制作工艺过程 为：混料一压制一烧结一锯 片外观、硬度、厚度 、烧 结状况 检验一抛光一喷漆一 开刃一包装。实验设备及工作条件如下： 1 )混料设备 ： 三维混 料机 ， 2 2 0 V， 5 0H z ， 1 8 0 W 。 2 )冷压机：四柱式液压机，公称力 2 0 0 0 k N，最 大压力 2 5 MP a 。 3 )烧结炉：钟罩式热压烧结炉，三相 3 8 0 V、5 0 k W ，最高烧结温 度 1 0 0 0，温度控制精度 为士 1 、 最大压力 6 0 0 k N、压力控制精度士 2 ，高温 电炉丝加 热 ，可控硅 调节加热功率 。 4 )开刃机： J J l 0 5 2 3 0 A型金刚石锯片开刃机，开 刃直径 范围为 l 0 5 2 3 0 n l n l 。 5 )切割机： 挂重式切割机， 悬挂物质量为 7 O 5 k g ， 输入功率 1 4 0 0 W，转速 5 0 0 0 r mi n 最大切深 2 5 本研究以粒度为 2 9 7 4 2 0岬 优质金刚石为主磨 料，采用 5种不同粒度的金刚石微粒作为辅磨料，设 计及制各 1 3种不同配方的金刚石锯片。锯片尺寸为： 外径 1 1 5 mi l l 、厚 1 8 ml n ，工作层高度 1 0 mn l 。锯片 的具体配方列于表 l 。 F为未加入辅磨料的锯片。 1 2 切割实验 用这 1 3种锯片切割统一制作的同一批次混凝土 板 ，混凝土板 的尺 寸为 6 0 0mn l x 6 0 0 n m x 2 1 ra n 1 。各 锯片在 自制挂重试切台上进行试切，每片锯片切割过 程 中挂重相等 ，即牵引力相同，均为 7 0 N，用 秒表记 录锯片切割一定长度、厚度混凝土所耗用的时间。切 割前和切割后，用游标卡尺测量锯片的外径( 精确到 0 0 1 mm ) 。锯片外径消耗= 切前直径一 切后直径，由下 式计算锯片理论寿命和磨损比： 锯 片 理 论 寿 命 = 翟 嘉 度_ 切 割 长 度 磨损 比 锯片的锋利度用锯片切割石材的速度表示： 切割速度 切割速度越快，表明锯片锋利度越好， 切割效率 越高。试切结果列于表 2 。 表 1 1 3 种锯 片的设计 配方 T a b l e 1 P r e p a r a t i o n p a r a me t e r s o f 1 3 k i n d s o f d i a mo n d b l a d e s ma d e o f d i a 2 9 7 4 2 0 v r n o p t i mu m d i a mo n d a s ma i n a b r a s i v e a n d fiv e k i n d s o f a u x i l i a r y a b ras i v e - -fin e r d i a mo n d wi t h d i ff e r e n t g r a i n s i z e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 4 粉末冶金材料科学与工程 2 0 1 0年 8月 2 结果与分析 2 1 不同锯 片切割混凝土对 比分析 试切实验结果列于表 2 。从表 中可知随着辅磨料 粒度及浓度的变化，锯片的寿命与切割速度发生较大 的改变 。在一定参数范围内，所添加 的辅磨料粒度越 细，浓度越高，锯片的寿命与切割速度提高越快3 】 ； 当二者数量超出此范围时，锯片的切割效率出现下降 的趋势。锯片的寿命和锋利度分别如 I 和图2所示。 A、B、C 、D、F 5类锯片的胎体成分完全相同， 而辅磨料( 金刚石) 的粒度依次减小 、浓度依 次增大 。 从 图 1 可看 出，添加辅磨料的 A、B、C 、D 4类锯片 的寿命均大于未添加辅磨料 的 F类。 由图 2可看 出， 除 D 2 、D3外 ，其余添加辅磨料 的锯片锋利度均 比 F 类 的高 。 加入细颗粒 金刚石 作为辅磨料后 ，锯片的锋利度 之所 以提高主要有 以下几个原 因：一方面是加入辅磨 料后 ，细颗粒金刚石同样具有刻磨混凝土的能力，因 此可与粗颗粒金刚石搭配工作，达到辅助切削的作 用 ，使得锯片单位工作端面上 的切削点增多，从而提 表 2 1 3种锯 片湿切混凝土实验数据 T a b l e 2 T e s t d a t a o f 1 3 k i n d s o f d i a mo n d b l a d e s f o r we t c u t t i n g c o n c r e t e d i a m 。 一 n db l a ；d e s 。 ： p r e p a r e d C u tt i n g d e p t h mm C u tt i n g t i me m i n We ar r a t i o ( m ml n ) T h e o r e t i c a l l i f e l m C u t t i n g s p e e d ( m mi n - ) 1 2 21 当 = 兽 专 300 4 0 0 550 3 4 0 425 6 0 0 36O 440 6 6 0 3 7 0 4 7 0 6 7 0 2 7 0 图 1 各锯片寿命对比柱状图 F i g 1 L i f e c o r r e l a t i v e c o l u mn ar d i a g r a m o f d i ffe r e n t d i a mo n d b l a d e s 加 H 船 叮 3 3 3 4 4 4 4 3 3 3 2 2 3 钳 如 勰 诣 m 3 3 3 2 2 2 2 3 3 3 4 4 3 ； 阱 ； F 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 5卷第 4期 张绍和，等：金刚石辅磨料对混凝土锯片使用寿命和切割效率的影响 3 8 5 Al B1 Cl Dl A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 F 图2 各锯片锋利度对比柱状图 Fi g 2 Cu t t i n g e ffi c i e n c y c o r r e l a t i o n d i a g r a m o f s a w b l a d e s 高 了整体切削效率。另一方面，混 凝土中含有很多砂 子与碎石 ，比一般岩 粉颗粒 粗，而 且有棱 角，这 些砂 石中又含有较 多的石 英成分，硬度 较大。在相同的冲 击速度 ，砂石颗粒对胎 体的冲量远大 于一般岩粉 J ， 当锯 片在切割过程 中面对砂石 时，粗颗粒金 刚石 的粒 度逐渐减 小，以致到某一 临界值 时，其包镶 能力越来 越 小，粗颗粒金刚石开始迅速消耗 ，切削 能力减弱直 至完全丧 失。此 时逐渐过渡到 由细颗粒金 刚石小体积 破碎砂石 ，因其单位抗压强度较高 ，在压力不变 的情 况下，接触面积减小 ，压强增大 ，总比出刃大 。又 因 胎体裸露少 ， 自由面增 多，与混凝土 的摩擦力也相应 增大 ，同样可 以达到高效率破碎混凝土 的 目的。如此 循环往复，辅磨料与主磨料搭配产生的接力特性使得 胎 体 的新陈代 谢加 快 ，二者 共 同提 高 了锯 片 的切割 效率 。 由于 D 2 和 D3 这两类锯片 中加入 的辅磨料粒度与 主磨料粒度相差更悬殊 ，加入相应浓度的主、辅磨料 后 ，锯片刀头 内的金刚石分布密集程度太高 。欲使锯 片正常破碎混凝土，需要给予非常大的水平作用力， 然而过大的作用力会导致锯片基体变形，影响正常使 用 ，因此 D 2和 D3 锯 片的锋利度相对 F要低一些 。 加入金 刚石辅磨料 能提 高锯 片的寿命 ，一方面 是 因为磨料浓度增大 。在一 定范围内，磨料浓度增大 ， 金刚石寿命 提高。另一方面 ，由于混凝土 中的砂石对 锯片胎 体的冲蚀 比一般岩粉更严重 ，导致胎体 的磨损 速率加快 。加入金刚石微粉后 ，锯片单位工作刃面上 的切 削点增 多， 减小 了金刚石颗粒之间的距 离【 ， 混 凝土 中大于金刚石颗粒 间距的砂粒无力腐蚀胎体 ，从 而减少了砂粒对胎体的磨损，使得锯片寿命提高。 2 2 辅磨 料对锯 片影响的理论 分析 加入适 当粒度 、适 当浓度 的细颗粒金 刚石作 为辅 磨料，配合原有主磨料共 同参与切割混凝土 ，可大幅 度提高锯片的使用价值。下面通过理论计算进行分 析 。 为 了计算简单和讨论方便 ，将金刚石颗粒看成球 状，设 1 c m 胎 体 内的金刚石颗粒数为 n ， 按下式计算 出金刚石颗粒数为： ； 1 0 0 0 一C ： 6 0 0 0 C n ( 1 ) =一=一 I l - 7 c 6 n d 式中：C 为金刚石锯片中的金刚石浓度( 体积分数， ) ： d为金 刚石颗粒直径 ， mm，每颗金刚石的体积为 6。 在 1 c m 胎体体积 中有 粒金刚石 ，则在 1 0 m m 的高度 内应有 r 层金刚石 ，每层金刚石 的厚度 h即金 刚石颗粒之 间的距 离为 = 1 0 ， ? 将普通 锯片 1 与加入辅磨料 后 的锯 片 2 对 比分 析 ， 通过查表得 ， 主磨料金刚石平均粒径约为 0 4 2 mm， 辅磨料粒径为 0 1 2 5 mi 1 ，由式( 1 ) 和( 2 ) 计算出未添加 辅磨料的锯片中金刚石颗粒间距为 h l # = 1 1 9 n l l n ， 而添 加了辅磨料的锯片中金刚石颗粒间距为 2 ： 0 3 5 m m。 切割对象混凝土所用砂石为中砂 ，其粒径约为 0 2 5 0 5 m l n 。金刚石在胎体 内的分布可用 图 3 、图 4 表示 。 图 3中，砂石粒径 d h 此时砂 石中的主要成 分石英 因硬度较大 ，可直接通过锯 片中金 刚石颗粒 间 5 4 3 2 1 0 一 l _ I I g 暑一 3 u o IJ J o I I l 1 善u 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 6 粉末冶金材料科学与工程 2 0 1 0 年 8 月 一 ， 、 ， 、 ， 、 ， 、 、 ， 、 ， 、 ， 、 ， 、 ， 、 ， 一 图 3 普通 锯片金刚石在胎体 内的分布 Fi g 3 Di a m o n d i n ma t r i x o f 1 b l a d e 图 4 实验锯片金刚石在胎体内分布 F i g 4 Di a m o n d i n m a t r i x o f 2 b a l d e 距腐蚀胎体，令胎体磨损速度加快； 2 金刚石锯片因 加入辅磨料 ，大大减小了金刚石颗粒间距，使得大于 厅 的石英颗粒无法直接磨损胎体，从而提高了锯片的 使用寿命。 对于普通锯片 1 与加入辅磨料后的锯片2 锋利度 的对比分析如下： 金刚石在工作时的脱落高度可用 d 来表示，其 中 为常数。 越小，金刚石的脱落高度越大 1 们 。当 一 个新锯片在开始工作时，锯片胎体每磨损一个 ， 就有一颗金 刚石 出露 。胎体磨损至金刚石 的脱落高度 邪时，再磨损 一个 ，即在 出露一颗新金刚石 的同 时，就有一颗旧金刚石脱落( 出露高度超过脱落高度 。达到这一状态后，锯片胎体工作面上的金刚石 颗粒数则不再增加，故有： N=( d 6 a ) t ( 3 ) 将式( 1 ) 、( 2 ) 代 入式( 3 ) 得 ： d 6O 0 0 Cd = 昔 1 = n d o 8 8 、 根据上述讨论可以判定，代表锯片胎体工作面 上金 刚石 的平面密度 ， 而 1 为锯片胎体工作面上的 纵 向密度 ” 。用 表示胎体工作面上金刚石的纵向密 度 ，即有 ： 1 ： ：6 0 0 C ( 5 ) 一 = 一= 一 I) - 1 0 将 C ，d代入式( 5 ) 得到 x i # = 5 9 3 4 ， X 2 # = 2 3 3 2 ， X 2 X l # = 3 9 可见添加辅磨料 的 2 锯片胎体 内金刚石的纵向密 度远远大于普通 l 锯片，因此切割对象混凝土中小于 厅 2 的细粒径砂石在腐蚀胎体的同时， 也加速了2 锯片 中辅磨料 的脱落 ，使得锯片工作时胎体新陈代谢迅速 提 l ，下一出刃层的细颗粒 金刚石可迅速 出刃 ，虽 然粒度很小，但仍然具备一定刻取岩粉的能力，实现 辅磨料与胎体原有主磨料共 同参与破碎混凝土，使得 锯 片切割效率 明显加快 。 3 结论 1 1采用与主磨料粒度相差较大的金刚石微粉作 为辅磨料 ，可以有效提高锯片寿命以及锋利度。在一 定范围 内，磨料 浓度越 大，金 刚石工 具寿命越高 。又 由于锯片加入适量细粒度金刚石后能够配合粗颗粒金 刚石共同工作，大大提高了锯片工作时的新陈代谢能 力 ，因此切割效率随之提 高。 2 1研究发现添加合适粒度和浓度的辅磨料， 不仅 可以提高锯片寿命，还能提高其锋利性，金刚石锯片 的使用寿命最 多可提高 1 5 0 以上 ，切割效 率提 高约 4 0 。 REFERENCES 【 l 】 周建桥 提高混凝土切割锯片使用寿命的研究【 J 1 湖南冶金， 1 9 9 9 ， 2 4 ( 1 ) ： 1 4 1 6 ZHOU J i a n- q i a o I n v e s tig a tio no n l o n gl i v e d s a w we b of c u t t i ng c o n c r e t e J Me ta l l u r g y Ma t e r i a l R e s e a r c h I n s ti tut e o f Hu n a n P r o v i n c e ， 1 9 9 9 ， 2 4 ( 1 ) ： 1 4 1 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 l 5卷第 4期 张绍和，等：金刚石辅磨料对混凝土锯片使用寿命和切割效率的影响 3 8 7 【 2 张绍和，丁星好， 周家香 切割混凝土的金刚石锯片研究【 J 金刚石与磨料磨具工程， 2 0 0 5 ， 3 6 ( 6 ) ： 4 3 - 4 5 ZHANG S h a o - he ，DI NG Xi n g y u，ZHOU J i a - x i a n gS t ud y o n t h e d e s i g n o f d i a mo n d s a w b l a d e f o r c o n c r e t e c u t t i n g J 】 Di a mo n d&Ab r a s i v e s E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 5 ， 3 6 ( 6 ) ： 4 3 4 5 3 】 王风荣，刘 少华，陈 哲，等金 刚石浓度 对金刚石锯 片切割 性能的影响研 究 J 超硬材料工程， 2 0 0 7 ， 1 8 ( 6 ) ： 1 4 1 7 W ANG F an g r o n g ，LI U S h a o - h ua ,CHEN Zh e ， e t a 1 Effe c t s o f d i a mo n d c o n c e n t r a t i o n o n c u tti n g p r o p e r t y o fd i a mo n d s a w bl a d e 【 J S u p e r h a r d Ma t e r i a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 1 8 ( 6 ) ： l 4 _ 1 7 【 4 】 张桂 全单颗 金刚石磨粒 锯切运动学 分析【 J 浙江工业 大学 学报， 2 0 0 3 ， 3 l ( 1 ) ： 1 0 5 1 0 8 ZHANG Gu i - q ua n Ki n e ma t i c s a na l y s i s o f s i n g l e d i a mo n d g r i t s a wi n g J J o u r n a l o f Z h e j i ang Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 3 ， 3 l ( 1 ) ： 1 0 5 1 0 8 5 】 张绍和，陈 平，马 欢，等 干切花岗岩的金刚石小锯 片试验 研究【 J 】 金刚石与磨料磨具工程， 2 0 0 9 ， 4 O ( 1 ) ： 2 9 3 2 Z HANG Sh a o he ，CHEN P i n g ，M A Hu a n ，e t a 1 Re s e arc h o n s ma l l d i a me t e r d i a mo n d s a w b l a d e f o r d r y - 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h e Di a mo n d and Di a mo n d T o o l s【 M】 Ch ang s h a ： Ce n t r a l S o u th Un i v e r s i ty Pr e s s ， 2 0 05 ： 21 8 33 6 ZHANG S h a o - h e ，YANG Ka i - h u a ， LU Fan Re s e a r c h i n t o b i t f o r e x t r a h ard r ock【 J 】 - Ke y E n g i n e e ri n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 1 ， 2 0 2 2 0 3 ： 4 8 5 - 4 88 ZHANG S h a o h e Re s e ar c h o n q ua n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p be t we e n p r o p e r t y o f d i a mo n d s a w bl a d e an d f o r mul a param e t e r s o f s e g me n t【 J 】 Ke y E n g i n e e ri n g Ma t e ri a l s ，2 0 0 4 ，2 5 9 2 6 0 ( 1 4 ) ： l 5 9-1 6 4 张绍 和，杨 凯 华主辅 磨料双 切 削作用 金 刚石钻 头研 究【 J 地质 与勘探 ， 2 0 0 1 ， 3 7 ( 5 ) ： 8 8 9 0 ZHANG S h a o - h e YANG Ka i - h u a Re s e ar c h i n t o t h e d i a mo n d b i t o f tw o f o l d g r i n d i n g b y u s i n g p r i ma r y a n d a s s i s t a b r asi v e J Ge o l o g y and P r o s p e c t i n g , 2 0 0 1 ， 3 7 ( 5 ) ： 8 8 9 0 ( 编辑高海燕) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m