（机械制造及其自动化专业论文）新型金刚石圆盘锯切系统优化设计研究.pdf

摘要 摘要 采用金刚石圆盘锯切系统生产石材板材具有成本低、效率高的特点，在石材 加工行业得到了广泛的应用；随着建筑装饰业和机械制造业对大幅面石材制品需 ， 求量的增大，使得幅面宽度在9 0 0 m m - 1 2 0 0 m m 的大幅面制品在石材加工中所占 的比重越来越大；传统的金刚石圆盘锯切系统的切割幅面仅能达到锯片直径的1 3 左右，且随着锯片直径的增大，锯片、设备及其使用成本都将呈指数倍数的大幅 增加，加工大幅面制品无法体现圆盘锯锯切加工低成本的优势；针对此问题，经 过大量的调研及深入的研究，提出了能够高效率、低成本的加工大幅面石材制品 的新型金刚石圆盘锯切系统，切割幅面达到锯片直径的2 3 左右。 通过功能分析，应用模块化设计技术，结合创新设计的理念提出了新型组 合结构金刚石圆锯片的基体设计方案，使新型组合结构金刚石圆锯片切割幅面 可达到其直径的2 3 左右；选用国内具有成熟技术的金刚石圆盘锯机，对其与 锯片的连接部位及传动装置进行简易改装后用于安装新型组合结构金刚石圆 锯片，实现新型金刚石盘锯切系统的总体结构设计；采用国际先进的动态测试 仪器对已有的金刚石圆盘锯切系统进行动态实验测试，获取金刚石圆盘锯切系 统各零部件的动态响应频率；以动态实验结果为依据j 利用有限元分析软件对 各关键零部件进行有限元模态分析，通过对比分析获取对新型金刚石圆盘锯切 系统各关键零部件进行有限元分析的正确的方法和模型；依据正确的有限元分 析方法和模型，对新型金刚石圆盘锯切系统的关键零部件进行有限元分析及结 构优化设计，研究、分析并优化新型金刚石圆盘锯切系统的结构和性能，降低 生产成本，最终实现结构合理、性能稳定、可靠性高的新型金刚石圆盘锯切系统。 对新型组合结构圆锯片创新设计方法的研究以及结合动态实验结果及有限元 理论分析进行结构优化设计的理论方法，对于各行业工具及加工设备的设计开发 和研究具有较高的理论借鉴意义。 新型金刚石圆盘锯切系统研究成功后，将很好的解决加工大幅面或超大幅面 石板材制品的问题，不必再选用价格昂贵的砂锯、框架锯和超大直径锯片锯机； 同时新型金刚石圆盘锯切系统，减小了锯机结构，显著降低了设备投资，使圆盘 锯在切割宽幅面板材制品的应用中也能充分体现其低成本、高效率的优势，具有 较高的经济效益和广阔的市场前景。 本文得到山东省自然科学基金资助( 项目编号：y 2 0 0 3 f 1 1 ，z 2 0 0 7 f 0 7 ) 。 关键词石材；金刚石圆盘锯；有限元分析；优化设计；动态实验 i x a b s t r a c t a b s t r a c t u s i n gd i a m o n dc i r c u l a rd i s cs a w i n gs y s t e mt op r o d u c es t o n ep l a t e sw a sw i d e l y a p p l i e di n t h es t o n ep r o c e s s i n gi n d u s t r y b e c a u s eo fi t sl o wc o s t ，h i g he f f i c i e n c y c h a r a c t e r i s t i c s a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fd e m a n do f a r c h i t e c t u r a ld e c o r a t i o ni n d u s t r y a n dm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yf o rl a r g ef o r m a ts t o n ep r o d u c t s ，t h ep r o p o r t i o n o fl a r g ef o r m a ts t o n ep r o d u c t sw h i c hf o r m a tw i d t hi sb e t w e e n9 0 0 m ma n d12 0 0 m m b e c o m i n gb i g g e ra n db i g g e r n ec u t t i n gf o r m a to ft r a d i t i o n a ld i a m o n dc i r c u l a rd i s c s a w i n gs y s t e mo n l yc a nr e a c ha b o u t11 3o ft h ed i a m e t e ro fs a wb l a d e ，a n dt h ec o s to f s a wb l a d e e q u i p m e n ta n di t su s ew i l lb eas u b s t a n t i a li n c r e a s ew i t hi n d e xm u l t i p l e sw i t h t h ei n c r e a s i n go ft h ed i a m e t e ro fs a wb l a d e ，c a n tr e f l e c tt h el o wc o s ta d v a n t a g eo f c i r c u l a rd i s cs a w i n gp r o c e s si nc u t t i n gl a r g ef o r m a ts t o n ep r o d u c t s a i m i n ga tt h i s q u e s t i o n ，a f t e ra l o to fr e s e a r c ha n dp r o f o u n ds t u d y ，p r o p o s e dt h en e wd i a m o n dc i r c u l a r d i s cs a w i n gs y s t e mw h i c hc a ne f f i c i e n t l ya n dc h e a p l yp r o c e s s e sl a r g ef o r m a ts t o n e p r o d u c t s ，i t sc u t t i n gf o r m a tc a n r e a c ha b o u t2 1 3o ft h ed i a m e t e ro fs a wb l a d e t h r o u g hf u n c t i o na n a l y s i s ，a p p l y i n gm o d u l a rd e s i g nt e c h n o l o g ya n dc o m b i n i n g w i t ht h ec o n c e p t so fi n n o v a t i v ed e s i g np r o p o s e dt h eb a s a ld e s i g np r o j e c to fn ，e w c o m b i n e ds t r u c t m ed i a m o n dc i r c u l a rs a wb l a d e ，m a k i n gt h ec u t t i n gf o r m a to fn e w c o m b i n e ds t r u c t u r ed i a m o n dc i r c u l a rs a wb l a d ec a nr e a c ha b o u t2 3o fi t sd i a m e t e r s e l e c t i n gt h ed i a m o n dc i r c u l a rd i s cs a wm a c h i n ew h i c hh a sm a t u r et e c h n o l o g yi nh o m e ， a n du s e df o ri n s t a l l i n gt h en e wc o m b i n e ds t r u c t u r ed i a m o n dc i r c u l a rs a wb l a d ea f t e r p r o c e s s i n gs i m p l ec o n v e r s i o nt oi t sc o n n e c t i o np a r ta n dd r i v i n ge q u i p m e n t s ，s or e a l i z e t h eo v e r a l ld e s i g no ft h en e wd i a m o n dc i r c u l a rd i s cs a w i n gs y s t e m a n dt h e na d o p t s i n t e r n a t i o n a l l ya d v a n c e dd y n a m i ct e s t i n ge q u i p m e n t st op r o c e s sd y n a m i ce x p e r i m e n t t e s tt ot h ee x i s t i n gd i a m o n dc i r c u l a rd i s cs a w i n gs y s t e m ，a t t a i n i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s e f r e q u e n c yo ft h ek e yp a r t so fd i a m o n dc i r c u l a rd i s cs a w i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t so fd y n a m i ce x p e r i m e n t ，u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o r w a r et op r o c e s sf m i t e e l e m e n tm o d a la n a l y s i st ot h ek e yp a r t so fd i a m o n dc i r c u l a rd i s cs a w i n gs y s t e m ， a t t a i n i n gt h ec o r r e c tm e t h o da n dm o d e lo fp r o c e s s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ot h ek e y p a r t so fn e wd i a m o n dc i r c u l a rd i s cs a w i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec o r r e c tf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sm e t h o da n dm o d e l ，p r o c e s s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n ds t r u c t u r a l o p t i m i z i n gd e s i g nt ot h ek e yp a r t so fn e wd i a m o n dc i r c u l a rd i s cs a w i n gs y s t e m ， r e s e a r c h i n g ，a n a l y z i n ga n do p t i m i z i n gt h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h en e w d i a m o n dc i r c u l a rd i s cs a w i n gs y s t e m ，s oa st or e d u c ep r o d u c t sc o s t s ，a n df i n a l l yr e a l i z e t h en e wd i a m o n dc i r c u l a rd i s cs a w i n gs y s t e mw h i c hh a sr e a s o n a b l es t r u c t u r e ，s t a b l e p e r f o r m a n c ea n dh i g hr e l i a b i l i t y r e s e a r c ho nt h em e t h o do fi n n o v a t i v ed e s i g nf o rt h en e wc o m b i n e ds t r u c t u r e d i a m o n dc i r c u l a rs a wb l a d ea n dt h et h e o r ym e t h o do fc o m b i n i n gt h er e s u l t so fd y n a m i c e x p e r i m e n tw i t h f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a v eah i g ht h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o r t h e x i 山东大学硕十学位论文 量皇鼍量曼鼍鼍量昌鲁舅曼皇曼鼍毫曼鼍鼍篁曼鼍皇量昌寡鼍曼量ii 蔓曼曼皇冀 d e s i g na n dr e s e a r c ho f t o o l sa n dm a c h i n i n ge q u i p m e n t si nv a r i o u sm a c h i n e r yi n d u s t r y 砀en e wd i a m o n dc i r c u l a r d i s c s a w i n g s y s t e mw i l ls a t i s f a c t o r i l yr e s o l v et h e p r o b l e mo fp r o c e s s i n gl a r g ef o r m a to ru l t r a - l a r g e - f o r m a ts t o n ep l a t ep r o d u c t s ，a n dn o n e e dt ou s ee x p e n s i v es a n ds a w , f r a m es a wa n du l t r a - b i g - d i a m e t e rd i a m o n ds a wb l a d e a n dm a c h i n e a n dt h en e wd i a m o n dc i r c u l a rd i s cs a w i n g s y s t e mr e d u c e st h es t r u c t u r eo f t h em a c h i n e ，s i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ei n v e s t m e n to ft h ee q u i p m e n t ，m a k i n gc i r c u l a rd i s c s a w i n gs y s t e ma d e q u a t e l yr e f l e c t st h ea d v a n t a g e so fl o wc o s t sa n dh i g l le f f i c i e n c yi n p r o c e s s i n gl a r g ef o r m a tp l a t ep r o d u c t s ，h a v i n gv e r yh i g he c o n o m i cb e n e f i ta n db r o a d m a r k e tp r o s p e c t s 1 1 圮p a p e ri ss u p p o r t e db yn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a n d o n gp r o v i n c e ( y 2 0 0 3 f 1l ，z 2 0 0 7 f 0 7 ) k e y w o r d ss t o n e s ；d i a m o n dc i r c u l a rd i s cs a w ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o n d e s i g n ；d y n a m i ce x p e r i m e n t x i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：御芭亳 日 期：o 笾笸：窆：2 a 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名堋导师签名：至乏日 第1 章绪论 1 1 金刚石圆盘锯切系统的发展与应用撅况 天然石材具有质地坚硬、色彩缤纷、古朴典雅、耐腐蚀、抗风化、抗震耐压、 环保和磨光性好等诸多优点。随着人们生活质量的提高各种天然石材日渐进入 到人们的日常生活当中，越来越受到人们的青睐。同时石材制品也以其天然的华 丽色彩和良好的物理性能在建筑装饰、精密机械及量具、工艺制品等方面得到了 广泛而大量的应用。但是由于石材的特殊质地( 坚硬、脆、易破碎) ，普通的金 属刀具加工方法无法满足要求，且加工成本相对较高，因而要用特殊的材料来加 工石材。金刚石由于具有很高的硬度、耐磨性和强度等物理特性，并且在石材加 工方面具有n r 效率高、加工质量好等优点。因而成为加工石材的首选材料。 金刚石圆锯片是一种将用粉末冶金的方法制成的金刚石刀头镶焊在金属基体 的周围，利用金刚石颗粒压裂压碎以及大面积剪崩被加工材料而达到切削目的的 整体上呈圆盘状的刀具，是目前石材加工行业最主要、应用最为广泛的加工工具 之一。金刚石圆盘锯机是以金刚石圆锯片为切割刀具将石材荒料锯切为具有一定 厚度的板材或块料的石材荒料加工设备，是石材行业最主要的加工设备之一，主 要由底座、横粱、托板系统和主轴等部分组成。 金刚石圆盘锯切系统是以金刚石圆盘锯机为工作母机，以金刚石圆锯片为切 割刀具将石材荒料锯切为具有一定厚度的板材或块料的石材荒料加工设备，如图 1 - 1 所示；采用金刚石圆盘锯切系统进行石材荒料加工具有加工效率高、加工质量 好等优点，在石材行业得到了广泛应用。 一底座2 - 横粱3 - 托板系统4 - 主轴5 金剐石圆锯片b ) 金刚石圆盘锯切系统 a ) 金刚石圆盘锯切系统 实际加工图 图1 - 1 金刚石圆盘锯切系统结构图 山东大学硕+ 学位论文 1 1 1 金刚石圆锯片的发展与应用概况 切割石材的金刚石圆锯片兴起于欧洲1 9 世纪，1 8 8 5 年法国制作出了直径为 2 0 0 0 m m 的金刚石圆锯片，这是世界上第一片金刚石圆锯片，它是全部用手工镶嵌 天然钻石的金刚石圆锯片；1 8 9 8 年金刚石圆锯片开始应用于石材切割【l 】。1 9 3 0 年以 后，随着粉末冶金技术的发展，产生了焊接式金刚石圆锯片。1 9 5 4 年美国g e 公司 研制成功了世界上第一颗人造金刚石：到1 9 6 5 年，人造金刚石逐渐大量供应市场， 使得金刚石工具逐渐成为石材加工行业最主要的加工工具，也使金刚石圆锯片的 应用迎来了今天的鼎盛期。 我国1 9 6 0 年1 0 月作为国家重点科研项目下达了人造金刚石的研制任务，到 1 9 6 3 年1 2 月6 日，在国产3 0 0 吨6 1 型两面顶超高装置上，以高纯石墨粉为原料，以 镍铬合金为触媒研制成功了我国第一颗人造金刚石。目前我国已有7 0 0 余家金刚石 厂，拥有4 0 0 0 多台金刚石压机，年产金刚石单晶5 亿c t ，成为世界上生产人造金刚 石的大国【2 1 。7 0 年代末至8 0 年代初我国开始研制使用金刚石圆锯片，9 0 年代以后， 随着我国城乡建设的蓬勃发展，石材的需求量大幅度增加，市场对金刚石锯片的 需求也随之迅速增加。如果以2 0 0 2 年为基数，2 0 0 5 年会翻一番，2 0 1 5 年将达到2 0 0 2 年的3 6 倍【3 】。目前我国石材产量业已位列世界前茅，作为主要加工工具的金刚石 圆锯片的消耗不断增加，我国经过上世纪7 0 年代初期逐渐引进消化吸收并不断改 进圆锯片技术，现已大大的推动了金刚石圆锯片制造技术的发展。 金刚石圆锯片目前已广泛应用于切割花岗石、大理石、陶瓷、耐火材料、玻 璃、铁氧体、碳素、混凝土等非金属材料，是石材、建材行业重要且普遍使用的 加工工具。随着建筑装饰和机械制造业对大幅面石材、木材制品需求量的增大， 使得幅面宽度在9 0 0 m m - 1 2 0 0 m m 的制品在加工中所占的比重越来越大，过去直径 为西1 6 0 0 衄西2 2 0 0 n ：l l i l 的圆锯片已不适应生产的需要，有关单位纷纷丌始研制大 直径圆锯片基体，国内研制的金刚石圆锯片的直径已达至u 3 6 0 0 m m 左右。另外一些 发达国家如意大利、德国、日本等石材加工大国早已广泛使用大型金刚石圆锯片， 意大利更是生产出了直径达0 5 0 0 0 m m 的特大锯片。 1 1 2 金刚石圆盘锯的发展与应用概况 目前国内市场现有的金刚石圆盘锯从使用的金刚石圆锯片数量上可分为多片 式金刚石圆盘锯和单片式金刚石圆盘锯；多片式金刚石圆盘锯最多可安装多达3 0 片或3 0 片以上的圆锯片，加工效率高，主要用于生产小规格的板材【4 1 。随着锯机制 造技术及锯机功率的提高，多片式金刚石圆盘锯的锯切幅面也在不断增大，目前 多片组合式的圆盘锯机是金刚石圆盘锯重要的发展方向【5 】。 单片式金刚石圆盘锯是目前国内石材板材加工厂家普遍采用的一种锯机，从 2 第l 苹绪论 结构上划分主要有三大类，分别为单臂式金刚石圆盘锯，龙门式金刚石圆盘锯和 桥式金刚石圆盘锯 6 1 。 第一类是单臂式金刚石圆盘锯，如图1 2 a 所示，该种类型的锯机其主机的主要 结构为横梁通过拖板安装在立柱上，横梁和主轴箱为一体式结构，拖板带动横梁 上下运动同时带动锯片上下运动实现纵向进给，拖板沿横梁的移动实现横向进给， 主电机带动锯片切割石材。该类型圆盘锯机结构紧凑，操作方便，但同时刚性差、 精度低，只在小规格板材加工及墓碑石和台阶石加工中得到充分使用。 第二类是龙门式金刚石圆盘锯，如图1 2 b 所示，该种类型的锯机其主要结构是 由左右两立柱、横梁、拖板等部件组成，采用横梁上下运动的方法来实现纵向的 切深进给，拖板沿横梁左右运动来实现横向进给，主电机带动锯片切割石材。该 类型圆盘锯机刚性好，加工精度高，但结构复杂、庞大，造价较高。 第三类是桥式金刚石圆盘锯，如图1 2 c 所示，该种类型锯机的主要结构由横梁 和组合拖板系统组成，采用拖板上下运动的方式来实现纵向进给，拖板沿横梁左 右运动来实现横向进给，主电机带动锯片切割石材，该类型圆盘锯机结构简单、 紧凑，造价低，生产效率高，适用范围广，因而在石材行业得到了广泛应用。本 文正是以桥式金刚石圆盘锯为研究对象展开的。 a ) 单臂式金刚石圆盘锯b ) 龙门式金刚石圆盘锯c ) 桥式金刚石圆盘锯 图1 - 2 单片式金刚石圆盘锯机 1 2 金刚石圆盘锯切系统研究概况 1 2 1 金刚石圆盘锯切系统锯切参数的选择 金刚石圆盘锯切系统的锯切参数对加工石材时的切割效率、刀具寿命以及加 工成本都具有直接的影响，因而针对不同的加工条件和环境选用合适的锯切参数 显得尤为重要。金刚石圆锯片的切割参数主要指锯切线速度、锯切深度和进给速 度三个方面。如何才能最大限度地发挥出金刚石的磨削作用，对于不同配方的圆 锯片，必须求得与之相应的合理的锯切参数。宜昌黑旋风锯业有限责任公司的王 忠义等人以直径为1 6 0 0 m m ，刀头数1 0 8 齿普通锯片为例研究了各个切削参数之间 的关系【7 1 。山东大洋机械制造有限公司的齐自成研究了金刚石圆盘锯切割线速度对 石材切割质量的影响，并针对不同硬度的石材提出了不同范围的切割线速度【引。 山东大学硕士学位论文 锯切线速度的影响因素很多，主要有设备条件、锯片质量和被锯切石材的性 质三个方面。进给速度主要决定于加工材料的性能，对每一种材料当切深一定时 有一定范围的进给速度，如果速度过高，则会使金刚石加快磨损甚至脱落，造成 锯片过快消耗。如果速度过低，则会使锯片自锐过程不能正常进行，从而“磨钝、 打滑，失去切割能力。锯切深度对于中等硬度的石材( 如大理石、石灰石) 可 以一次切透，对于硬石材及研磨性大的石材( 花岗石、砂岩) 应分步切割。对于 某些具体的石材来说，切割深度和进刀速度应结合起来考虑。 目前，国内外主要是通过实验来选取合理的锯切参数。据国外有关锯切不同 石材的实验结果可知，对于每一种切割率，各有个与之相对应的最佳线速度， 在最佳线速度时，可得到锯片最佳寿命。随着石材硬度的提高，线速度则降低； 在线速度不变的情况下，增加切割率，锯片寿命则降低；如果增加切割率，则与 之相对应的最佳线速度要随之增加，但同时锯片最佳寿命在降低。依据国内外的 研究成果【9 】【1 0 】，对于大理石及按照磨耗因数硬度法分类的石材，金刚石圆盘锯切 系统实际进行切割时的锯切参数推荐值如表1 1 所示： 表1 1 金刚石圆盘锯切系统推荐锯切参数 切割率锯切线速度锯切深度 石材 ( c m 2 m i n )( m s )( m m ) 大理石1 0 0 0 1 5 0 04 0 - 一4 55 0 - 1 0 0 软花岗石 ( 磨耗因数三级及以下) 2 0 0 3 0 0 3 4 - 4 0 2 0 5 0 硬花岗石 ( 磨耗因数四级及以上) 1 0 0 - - - , 1 5 02 5 3 01 0 2 0 1 2 2 金刚石圆锯片的研究概况 金刚石圆锯片是最早用来加工石材的金刚石工具之一，八十年代中期，石材 切割锯片的品种比较单一，主要用于大理石的锯切。八十年代后期，随着石材工 业的发展，锯切花岗石的锯片得到很大的发展。用金刚石圆锯片锯切石材具有锯 切工艺参数容易控制，锯切效率高，加工精度高，加工稳定性好等诸多优点，因 而成为石材行业应用最为广泛的工具之一，在金刚石工具中占有绝对的地位。为 了降低石材加工的成本及质量，提高加工效率，延长刀具寿命，国内外许多学者 围绕金刚石圆锯片进行了诸多方面的研究。 ( 1 ) 金刚石圆锯片刀头的研究 金刚石圆锯片刀头即为实现切割作用的金刚石结块，金刚石节块由金刚石和 结合剂组成。对于金刚石圆锯片刀头结块的研究目前主要集中于对于刀头结块成 分、金刚石颗粒的粒度和浓度以及刀头结构的研究。对于金刚石颗粒的粒度和浓 4 第1 章绪论 度的研究主要是根据不同的切割对象和切割工况来进行金刚石粒度、强度、浓度 的选择和配置，详细内容可参照参考文献【l1 1 1 2 1 3 。 要使锯片具有一定的强度、硬度及抗冲能力，结合剂的配比显得尤为重要。 结合剂的作用是把持金刚石，通过添加材料成分，提高胎体对金刚石的浸润和粘 结能力，从而增加胎体对金刚石的把持力1 1 4 1 。 目前，金刚石锯片的金属胎体主要有钴基、铜基、镍基、铁基以及高耐磨的 w c 基胎体等。其中铜基胎体的烧结性能和成形性能都很好，但它对于金刚石的润 湿性差，对金刚石的握持能力较差，机械强度偏低，因此在石材加工中，以铜基 胎体结合的金刚石圆锯片主要用于耐磨性要求较低的大理石或软质花岗岩的加工 中；c o 基胎体的综合性能最好，国外应用比较普遍，在国内由于钴基结合剂价格 较高，其应用受到了一定限制。铁基胎体由于其金属粉末价格较低廉、制造成本 低、使用性能居中，随着金刚石表面金属化技术的进步和铁基胎体配方体系的改 进，正在大量取代钴基胎体而在切割石材、水泥等建筑材料中得到普遍应用。铁 基胎体成本仅为钻基胎体成本的1 5 ，大大降低了锯片生产成本【l 引。 目前我国石材加工行业多采用f e 基结合剂，徐西鹏f 1 6 1 1 7 】等针对f e 、c u 粉末 容易氧化，严重影响结合剂本身的机械性能，提出了添加稀土合金的方法。华侨 大学的陈建亚i l 3 】 l8 】针对我国南方夏秋季节，铁基结合剂易氧化从而失去胎体强度 和金刚石把持力的情况，提出采用球墨( f e c 合金) 铸铁加工经2 0 0 目过筛，代 替铁粉，同时加入一定量的硅粉作为新型金属结合剂使用。 苏云【1 9 j 通过对强碳化物形成元素对金刚石工具质量的影响的研究，得出在胎 体中加入适当的强碳化物形成元素，可大大改善结合剂对金刚石浸润性，明显增 加结合剂对金刚石的镶嵌能力，并可以提高胎体的耐磨性。 李焰【2 0 】等人认为针对切割材料的研磨性，采用碳化钨、钨、铁粉作为骨架材 料，通过加以适量的铸造碳化钨来控制胎体的耐磨性，使锯片使用寿命增长、切 割效率高，无掉齿现象，发挥了较好的经济效益。 大量的实验结果表明刀头结构形状对刀头的使用性能、锯切质量、锯切效率 和加工成本有明显的影响。改善刀头结构就是最大限度地发挥刀头的潜在效力， 抑制不利条件。常见的刀头形式主要有如下几种，如图1 3 所示： 普通刀头即为常见的传统金刚石锯齿刀头，制造简单，寿命较长，加工前为 长方体，锯切一段时间后，由于锯齿刀头两侧尖角磨损较快，逐渐形成如图1 3 a 所示圆弧面形的残块，圆弧面与石材的接触面积大，磨损阻力大，每颗金刚石不 能充分获得切削力，容易磨钝，出刃性差，且刀头两侧面受力不均，锯片基体很 容易发生振动变形，导致j 口- r 板材厚薄不均匀，以及钢基体重复使用次数减少【2 1 1 。 正是基于对普通刀头上述缺点的改善，才出现了后面几种结构形式的刀头。 山东大学硕士学位论文 禽鞫田冒 露蘑鹤睿 c ) a ) b ) c )d )f ) a - 普通刀头b 凹形刀头c i l 形刀头d 阶梯形刀头c 多节线形刀头f - o f j 面开槽刀头 图l - 3 金刚石锯齿刀头的形状结构【1 8 】 普通刀头即为常见的传统金刚石锯齿刀头，制造简单，寿命较长，加工前为 长方体，锯切一段时间后，由于锯齿刀头两侧尖角磨损较快，逐渐形成如图1 3 a 所示圆弧面形的残块，圆弧面与石材的接触面积大，磨损阻力大，每颗金刚石不 能充分获得切削力，容易磨钝，出刃性差，且刀头两侧面受力不均，锯片基体很 容易发生振动变形，导致加工板材厚薄不均匀，以及钢基体重复使用次数减少f 2 。 正是基于对普通刀头上述缺点的改善，才出现了后面几种结构形式的刀头。 ( 2 ) 金刚石圆锯片基体的研究 对于金刚石圆锯片基体的研究，主要是研究锯片的工作条件对其性能的要求， 如何选择适宜的材料制造及对基体进行必要、严格的强化处理等。 李定乾田】认为对于金刚石圆锯片基体的性能应满足以下几点要求： 1 ) 具有一定振动频率的基体，在切割过程中振动频率增加，当周围的激振频 率和基体固有频率一致时，产生共振，这就要求基体具有高的弹性极限和屈强比。 2 ) 由于基体的不平度或是锯片安装不良等，切割时产生侧压力使基体反复弯 曲导致基体刚度降低，或发生疲劳破坏，所以基体还应具有高的刚度和疲劳强度。 3 ) 锯片在切割过程中，基体要承受高速旋转产生的离心力。水槽部位承受循 环的切割压力和冲击力，因此，基体还应具有高的抗拉强度和一定的冲击韧度。 锯片基体在制造和切割石材的过程中，由于诸多因素的影响会产生应力和变 形。锯片基体在应力作用下产生的变形属于波浪式的，即使基体翘曲，平面度严 重超差，导致锯片在切割时周边剧烈摆动，偏离转动平面，造成s 形切削径，使 石材切口增宽，切割面质量降低，锯齿磨损加快。严重的摆动还使基体强度降低、 发生疲劳、水槽底部产生裂纹。因此，要研究锯片基体在制造和使用过程中，各 个环节产生应力的性质，以及这些应力导致基体变形的规律，采取必要的措施减 小应力和变形，严格控制其平面度符合国家标准的规定。这就要对基体进行校正 处理。桂林矿产地质研究院的王智慧【2 3 】在其锯片基体校正原理及应用一文中对锯 片校正的原理和方法进行了分析。 6 第1 苹绪论 ( 3 ) 金刚石圆锯片切割石材机理的研究 从切削原理上讲，金刚石圆锯片对石材的切割同金属材料的磨削非常相似， 即用分布于锯片圆周上的金刚石颗粒，通过和被加工材料相互接触和相对运动来 进行切削。 郭柏林、卢洁明、张立三f 2 4 】通过对切割后的石材表面进行观察，指出从断口 形貌观察，可清晰地看到方向有序的条条划痕，花岗石和大理石断口均显示出脆 性破坏状态，金刚石颗粒对石材的切割作用主要表现为挤压、滑擦( 犁沟) 和压 碎。同时还通过对标定的金刚石结块进行连续观察分析指出金刚石颗粒的损耗过 程可分为正常损耗和异常损耗两种情况。正常损耗的过程为金刚石切刃的微钝化、 轻度破裂、断切刃出现、颗粒逐渐损耗、脱落；异常损耗现象为切刃局部破碎、 高温碳化、整体破碎、过早脱落【2 5 】【2 6 】。j a n u s zk o n s t a n t y 2 7 1 也对石材切割进行了理 论分析。国外有关学者还对花岗石的可锯性进行了分析研究，提出了依靠模糊数 学的方法将花岗石的可锯性进行分类，并提出不同类型的石材应由相应类型的金 刚石圆锯片进行切割加工【2 。 ( 4 ) 金刚石圆锯片受力分析研究 沈冰、赵刚3 2 1 等对圆锯片进行了静态的受力分析，建立了切削力模型，并根 据几何关系建立了参与切削的锯齿数z 与切割深度的数学模型。 华侨大学的李远、黄辉、徐西鹏【3 3 | 等用实验的方法，通过测量和分析锯切花 岗石过程中锯切力以及锯切功率，对锯片所受单位宽度法向力和切向力以及单颗 金刚石磨粒所平均承受的法向力和切向力进行了研究。通过将实验所得到的数据 进行回归分析后得到单位宽度的法向力f n 和切向力f t 与进给速度v ，及切割深度 口。关系的数学模型。 卢金斌、王志新、席燕君【3 4 】也通过试验的方法，采用测力仪对金刚石磨粒上 所承受的载荷进行了研究，分析了锯片在锯切不同石材时锯切力的特征、锯切力 比、锯切比能、单颗磨粒的载荷以及磨粒的破坏形态。 ( 5 ) 金刚石圆锯片有限元分析 有限元法是随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。应 用有限元分析软件对金刚石圆锯片进行理论性的研究在国外开展的比较早，国内 相对滞后一些。由于有限元分析的强大功能和优势，将有限元分析软件应用于金 刚石圆锯片基体的研究开发，将是金刚石圆锯片研究的一个重要的方面，在很大 程度上可以取代实验，从而节约大量的资源。 大连理工大学的吴雪松、张明霞、刘培德【3 5 】等人采用有限元法分析计算了金 刚石圆锯片锯切岩石时锯切力引起的锯片基体上的应力分布。计算结果表明：在 锯切力作用区域，随着圆锯片半径的增加，压应力值增加；随着锯切功率增加， 7 山东大学硕十学何论文 压应力增加。这些结果将有助于锯片的张力处理及锯切参数优化。刘会宁、胡映 宁、王成 3 6 1 对节块向基体内延伸的金刚石圆锯片进行了有限元应力、变形和模 态分析，并与普通锯片比较，研究了不同长度和周向分布数量的延伸节块对锯片 变形、应力、模态及固有频率的影响效果。汤宏群【3 7 1 等则利用有限元软件a n s y s 对圆锯片进行了应力分析计算；广西大学的仇军【3 8 j 等也对降噪减振结构的金刚石 圆锯片进行了有限元模态建模和分析。 h d j e r r o 3 9 采用有限元法，对普通节块的单齿锯切、一齿锯切及下一齿刚进 入锯切和二齿同时进行锯切的三种状态进行了应力分析，当锯片直径为2 0 0 m m 、 切深2 m m 、锯片厚1 8 m m 、槽宽7 m m 、水槽底孔到锯片外圆周的距离s h = 8 5 m m 时，得出具有较佳综合效果的水槽结构。该文揭示了有限元法在分析锯片受力状 态方面的可行性，但分析的广度和深度还有待进一步研究。l i ，y 即】对圆锯片大切 深切割时进行了相应的有限元分析。 沈阳建工学院的赵民、郑春岐、张丽秀【4 l j 对巾1 6 0 0 m m 的普通金刚石圆锯片 应力及振动进行了系统的有限元分析。计算结果表明，锯片的最大应力主要集中 在中心孔下边及金刚石锯齿切入石材的前端，锯片受到的应力一般都较小，对锯 片影响不大。对锯片影响较大的是锯片的振动及变形。锯片的振动随其固有频率 的增加而加大同时出现弯扭变形。在锯片切割过程中应采取相应的措施，避免外 界对锯片的冲击，同时锯片本身平整度要好，以减小偏摆，提高锯片的使用寿命。 边柯柯、赵东、胡试宇 4 2 1 利用a n s y s 分析了圆锯片滚压适张后应力的分布情 况，并与x 射线衍射法的实验结果进行对比，结果表明应力分布的有限元法计算 结果与实验结果比较一致。 ( 6 ) 金刚石圆锯片动态性能的研究 对于圆锯片动态稳性的研究主要集中在圆锯片稳定性机理和提高稳定性的方 法等方面。 2 0 世纪5 0 年代末，前苏联的拉宾将转动圆盘的振动理论用于圆锯片的振动研 究，对圆锯片在各种材料强度和固有频率条件下的临界转速进行了系统的分析和 实验。美国的莫特、司葛尔等自七十年代以来，对圆锯片动态失稳机理、影响圆 锯片动态稳定性的因素、提高圆锯片动态稳性的方法等多方面进行了理论探讨和 实验研究，发展并完善了辊压适张工艺。日本学者从2 0 世纪8 0 年代至今对圆锯 片的静态和动态振动特性、控制动态稳定性的辊压、锤击和喷丸适张工艺等方面 进行了较为详细的研究。 国内习宝田教授领导的研究小组自1 9 8 7 年以来就圆锯片的稳定性及影响因 素、动态稳定性的间接和直接评价系统的研究与开发进行了较为系统的工作。王 均玺教授曾在应用声发射技术测量圆锯片辊压应力方面进行过实验研究。张占宽 第1 章绪论 博士进行了圆锯片多点加压适张理论与实验研究。李黎博士主要针对温度场对圆 锯片动态稳定影响进行了理论分析和实验研究。天津大学张大卫博士就辊压适张 对固有频率的影响，北京科技大学邹家祥、郭兴旺等就圆锯片的动态特性、振动 模态的准确解等进行了相关的研究，北京科技大学的臧勇、李同进 4 3 l 等针对锯片 在锯切过程中出现的振动问题，利用有限元软件计算分析了各种参数对锯片模态 的影响。 1 2 3 金刚石圆盘锯的研究概况 桥式金刚石圆盘锯是目前石材行业应用最为广泛的圆盘锯机，对于桥式金刚 石圆盘锯的研究目前主要集中在对于金刚石圆盘锯关键零部件的结构设计方面1 6 j 。 横梁和拖板系统是桥式金刚石圆盘锯的关键零部件，其结构设计和制造精度将直 接影响到设备的成本和性能，对横梁和拖板的研究主要是对于其导向方式、加工 方法和润滑方式的选择。 横梁和拖板的主要研究内容之一是其导向方式。目前国内石材机械厂家出产 的桥式金刚石圆盘锯所采用的导向方式有两种，一种为单v 型槽和矩形导轨相配 合的导向方式，另一种为双v 型槽的导向方式。前者加工简便、定位精度一般， 目前被广泛采用；后者加工复杂，但定位精度和稳定性要高。采用单v 型槽和平 轨相配合的导向方式时应将型轨放置在锯片的后端一侧，将平轨放置在锯片上方 一侧。因为当锯片切割石材时将产生很大的切削抗力，其向上的切削抗力将托起 靠近锯片一侧的导轨。若将型轨放置锯片一侧势必会影响到锯片的横向运行精度， 继而影响到石材产品的质量1 6 】。 对于金刚石圆盘锯横梁导轨最终加工工艺的选择一般有两种，精刨和精磨， 精磨后的横梁导轨经过了表面的加工强化，硬度有了一定的提高，研究结果表明 精磨后的横梁比不磨削的横梁使用寿命要长二至三年。 横梁导轨润滑结构的设计是在设计横梁的结构形状时，应注意挡油槽的高度 足够，使导轨完全浸人润滑油中，同时在拖板运行时润滑油还不会溢出。如若挡 油槽高度较低，润滑油较少，导轨没有完全浸人润滑油中，当冬季天气较冷时， 润滑油的黏度变大，油的流动速度将远小于拖板的运行速度，造成拖板在运行时 不能充分润滑，不但会加速横梁的磨损，还会因润滑不良引起组合拖板的运行振 动，从而影响所加工石材的质量。因而应适当设计挡油槽的高度保证横梁导轨的 充分润滑。 山东省石材工程技术研究中心在研究分析桥式金刚石圆盘锯结构、功能的基 础上采用有限元分析的方法对桥式金刚石圆盘锯横梁进行了仿真分析研究，取得 了优化结构，降低生产成本的效果m l 。 9 山东大学硕十学位论文 ，1 3 课题研究的必要性及主要研究内容 1 3 1 课题产生的背景 2 0 世纪9 0 年代以后，我国石材工业的发展突飞猛进，曾一度出现了全国范围 大办石材厂的热潮，使我国在世界上进入石材生产大国和贸易大国的行列。石材 工业的发展极大地促进了金刚石工业的发展，金刚石需求量急剧增加，使全国各 类金刚石工具制造厂家如雨后春笋般地涌现出来，据估计生产厂家可达4 0 0 0 - - - - 6 0 0 0 个。据国内外统计资料估计，目前世界上工业金刚石7 0 左右用于制造石材 加工工具，其中占绝大多数的是金刚石圆锯片。据中国石材工业协会统计，目前 全国各类石材企业拥有并使用锯片直径1 6 0 0 2 2 0 0 m m 的金刚石圆盘锯机数 万台，金刚石圆盘锯机成为了石材制品加工行业的最主要、应用最广泛的设备， 每年纯消耗的圆锯片基体达数十万张。 由于市场竞争激烈，各厂家为了争取市场份额，获取最大利润，对金刚石 工具的性能提出更高的要求，各个锯片生产厂家纷纷改进生产技术，提高市场 竞争力。但由于急功近利，没有必要的科研资金投入，国内金刚石