第ｚ３卷第６期 ２０１１年１２月 超 硬 材 料 工 程 ＳＵＰＥＲＨＡＲＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏ１．Ｚ３ Ｄｅｃ．２Ｏ１１ 环形金刚石线锯切割大理石试验研究① 刘莹 ，王进保 ，陈超 ，吕智 （１－桂林理工大学材料科学与工程学院，广西桂林５４１００４；２．桂林矿产地质研究院，广西桂林５４１００４） 摘要：选用环形电镀金刚石线锯切割大理石，分析了锯丝线速度、工件进给速度和锯丝张紧力对大理石 表面加工质量的影响，研究了金刚石锯丝的磨损机理。结果表明：．３－件进给速度对大理石表面粗糙度的影 响最大，锯丝线速度对大理石表面粗糙度的影响次之，锯丝张紧力对大理石表面粗糙度的影响再次之。在 本试验参数范围内，最优工艺参数为：工件进给速度为１Ｏｍｍ／ｍｉｎ，锯丝线速度为３０ｍ／ｓ，锯丝张紧力为 １００Ｎ。 关键词：环形金刚石线锯；失理石；正交试验；表面粗糙度 中图分类号：ＴＧ７４；ＴＱ１６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１４３３（２０１１）０６—０００１—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｅｎｄｌｅｓｓ ｄｉａｍｏｎｄ ｗｉｒｅ ｓａｗ ｆｏｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍａｒｂｌｅ ＬＩＵ Ｙｉｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｊｉｎ－ｂａｏ ，ＣＨＥＮ Ｃｈａｏ ，ＬＵ Ｚｈｉ。 （１．Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４。Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｕｉｌｉｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｃ，．ｕｉｌｉｎ ５４１００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｍａｒｂｌｅ，ｔｈｅ ｅｎｄｌｅｓｓ ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｗｉｒｅ ｓａｗ ｉｓ ｃｈｏｓｅｎ ｆｏｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍａｒｂｌｅ Ｉ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅ— ｔｅｒｓ ｏｆ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｒｅ ｓａｗ，ｔｈｅ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｍａｒｂｌｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ。１ｉｎｅ— ａｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｗｉｒｅ ｓａｗ ｏｎ ｍａｒｂｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｒａｎｋｅｄ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗｅｒｅ １０ｍｍ／ｍｉｎ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ－３０ｍ／ｓ ｌｉｎｅａｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｌＯｋｇ ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｒｅ ｓａｗ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｄｌｅｓｓ ｄｉａｍｏｎｄ ｗｉｒｅ ｓａｗ；ｍａｒｂｌｅ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ 引言 目前，国内外对环形电镀金刚石线锯的研究报道 较少。１９９３年日本进行了环形电镀金刚石线锯的研 石线锯，其锯切线速度可达２０ｍ／ｓ￣引。高伟、刘镇昌 等人［３ 采取复合电镀的方法用西０．８ｒａｍ的６５Ｍｎ钢 丝作基体材料研制了环形电镀金刚石线锯，并在自制 的试验设备上进行花岗岩锯切。孟剑锋Ｌ４］通过进口 环形电镀金刚石线锯加工单晶硅和ＬＴ５５陶瓷的试 究，并提出了如何把钢丝基体焊接成环形的方法 ¨。 Ｗｅｌｌ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｗｉｒｅ ｓａｗｓ公司研制的环形电镀金刚 验，建立了切片表面粗糙度Ｒ 模型，提出改善切片表 ①收稿日期：２０１１—１０—１３ 作者简介：刘莹（１９８６一）女。桂林理 大学材料科学与工程学院在读硕士研究生，主要从事超硬材料的应用研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｘｉｎ７９２＠１６３．ｃｏｍ 基金项目：国家科技部科研院所技术开发研究专项：高速超细环形金刚石线锯的研制，２０１ｌＥＧ１１５００７。 面粗糙度的措施，同时还提出减小锯丝磨损的措施。 贺东溥［５］对环形电镀金刚石线银切割ＳｉＣ的加工质 量进行了研究，分析了锯切工艺参数对ＳｉＣ表面粗糙 度和表面形貌的影响规律。总之，环形电镀金刚石线 ３试验结果与分析 表２是锯切工艺参数正交试验设计表。表中的 大理石表面粗糙度Ｒａ值是用时代公司生产的 锯具有锯切表面质量好，锯切效率高，切缝窄，锯切力 小，污染小等优良特性，尤其适合贵重硬脆材料的切 割加工。本文采用 ０．５ｍｍ的不锈钢丝作为基体 材料，通过电镀的方法研制出环形金刚石线锯，并在 自制的试验设备上对大理石进行了切割。试验表明： ＴＲ２００手持式粗糙度仪测量的。Ｋ 、Ｋｚ、Ｋｓ分别表 示各因素１、２、３水平所对应的大理石表面粗糙度测 量值之和，Ｋ 、Ｋ 、Ｋ。分别表示各因素１、２、３水平所 对应的大理石表面粗糙度测量值的平均值，Ｒｊ表示 极差值。 工件表面粗糙度随锯丝速度增加和进给速度的减小 而降低，随锯丝张紧力的增加先降低后增大。 表２锯切工艺参数正交试验设计表：Ｌ９（３。） Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ：Ｌ９（３。） ２ 试验设计 本试验采用的天然大理石工件尺寸为１２０ｍｍ× １ １ ２ ３ １．６７４ １２０ｍｍ×４００ｍｍ，邵氏硬度为３６．４～４４．２，使用自 制的环形电镀金刚石线锯切割，切片厚度为２ｍｍ。 环形金刚石线锯锯丝以直径 ０．５ｍｍ的不锈钢丝 为基体材料，金刚石磨粒大小为１２Ｏ～１４０目，线锯直 径约０．７５ｍｍ，锯丝最大张紧力为１５０Ｎ。 ２．１ 试验设备 。 ０ １ ２ ３ １．８１５ １．９５３ ０ 一一 一 Ｚ ２ ２ ３ ３ １ ２ ３ ２ ３ ｌ ３ ｌ＿５３Ｏ １．７６３ １．９０４ １ ２ ３ １．５０３ 本试验所采用的试验设备是自制的环形金刚石 １ ２ ５．１４０ ４．９７８ ５．２１９ １．７１３ １．６５９ １．５６２ １．６３３ 线锯切割机床，锯切线速度最高可达５０ｍ／ｓ，进给速 度可达２０ｍｍ／ｍｉｎ，但是受工作条件及精度的， 切割稳定线速度在３０ｍ／ｓ，进给速度可达１５ｍｍ／ ｍｉｎ。 ３ ５．４４２ ５．１９７ ４．６９８ ４．７０７ ５．１４０ ５．４９０ １．５６９ １．７１３ ２．２试验方案 ｌＩ ８１４ １．７３２ 影响大理石表面粗糙度Ｒａ的锯切工艺参数有 锯丝线速度、工件进给速度、锯丝张紧力三个因素。 为了得到切片表面粗糙度最优时的工艺参数，本试验 设计了正交试验，取锯丝线速度、工件进给速度、锯丝 张紧力３个因素，每个因素水平都为３，见表１。 １．５６６ Ｏ．７４４ １．８３０ ０．７８３ １．７４０ Ｏ．２４１ 从表中可以看出：Ｒ：＞Ｒ ＞Ｒ。三个参数对表面 质量都有不同程度的影响，其中ｕＴ件进给速度对大理 石表面粗糙度的影响最大，锯丝线速度对大理石表面 表１ 锯切工艺参数因素及水平表 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｌｅｖｅｌｓ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 粗糙度的影响次之，锯丝张紧力对大理石表面粗糙度 的影响再次之。为了进一步确定锯切大理石表面粗 糙度的最优工艺参数，根据正交试验结果分别做出了 锯丝线速度、工件进给速度和锯丝张紧力对大理石表 面粗糙度的影响，如图１、图２和图３ ２０ ７ ８０ １００ 由图１可以看出：随着锯丝线速度的增大，大理 ３０ ４０ １０ 石表面粗糙度值减小。这是因为锯丝速度增加使得 １３ １２０ 单个磨粒的切削深度减小，这样单个磨粒的材料去除 ２ 。＼Ｅ ． 越５．０ 姆 桀 ｆ ｆ ｉ Ｊ Ｉ ４．０｛ ‘ ｌ ２０ ３０ ４０ 线速度（ｍ／ｓ） 图１ 线速度对表面粗糙度影响 Ｆｉｇ．１ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ５－７ ５．４ ，、 高 翥５・１ ４．８ ６ ８ １０ １２ １４ 进给速度（ｍｍ『ｍ｝ｎ） 图２ 进给速度对表面粗糙度的影响 Ｆｉｇ．２ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ５．４ Ｅ ０ 霹 ５．Ｏ １００ １２０ 张紧力（Ｎ） 图３ 张紧力对表面粗糙度的影响 Ｆｉｇ．３ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ 率减小，表面质量得到改善。但是随着线速度的增 大，锯丝振动也越来越大，当线速度超过３０ｍ／ｓ时， 工件处锯丝振幅约为０．３ｒａｍ，张紧轮处锯丝振幅约 为０．５ｒａｍ，显然对锯丝的工作寿命造成一定程度的 影响。 从图２的曲线可以看出：随着工件进给速度的增 大，大理石表面粗糙度值增加。造成这一现象的原因 是工件进给速度的增大使得锯丝与工件之间的作用 力增大，这样就增加了单个磨粒的切削深度，表面质 量降低。 从图３中得知：随着锯丝张紧力的增加，大理石 表面粗糙度先降低后升高。增加锯丝张紧力，有利于 减小锯丝的振动，降低表面粗糙度值。当张紧力超过 １００Ｎ时，锯丝与工件问的应力增大，使得单个磨粒的 切削深度增加，又加上锯丝磨损也较快，磨损和脱落 的金刚石颗粒随机械冲击力被压人到工件表面，大理 石表面粗糙度又开始增加。所以调节张紧力时要留 有一定的余度，不要过紧。 根据上述分析，用环形电镀金刚石线锯锯切大理 石时，要获得较好的表面粗糙度，又要得到较高的切 割效率，在本试验参数范围内，工件进给速度为 １０ｍｍ／ｍｉｎ，锯丝线速度为３０ｍ／ｓ，锯丝张紧力为 １００Ｎ是最好的切割工艺。 ４金刚石锯丝磨损分析 锯丝的磨损包括磨粒磨损和镀层磨损两方面。 为了锯丝制作工艺的进一步改进，降低锯丝的磨损， 延长锯丝的使用寿命，必须弄清锯丝的磨损机理。借 助ＪＳＭ一６３８０ＬＶ扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观察切割 后锯丝的磨损情况。图４是环形电镀金刚石线锯使 用前和使用后ＳＥＭ图。 ４．１金刚石磨粒磨损 锯丝锯切过程中，磨粒与材料表面接触，不断受 到工件和切屑对它的冲击、摩擦以及锯丝引起的热冲 击作用，使金刚石磨粒不可避免地出现磨损、破碎和 脱落。磨粒磨损可分为磨粒局部破碎、局部折断、磨 平、整体破碎和磨粒脱落等形式。磨粒局部破碎使金 刚石磨粒产生新的切削刃，提高了金刚石线锯的切削 能力，属正常磨损。随着切割过程的进行，磨粒受工 件和切屑对它的冲击、摩擦以及锯丝引起的热冲击作 用影响越来越大，金刚石磨粒被磨平或整体破碎，有 效切削刃的数量越来越少，线锯的切削能力随之下 降，可见它们属于有害的磨损形式。 ３ （ａ）线锯使用前 （ｂ）线锯使用后 图４ 环形电镀金刚石线锯使用前和使用后ＳＥＭ图 Ｆｉｇ．４ ＳＥＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄｌｅｓｓ ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｗｉｒｅ ｓａｗ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｕｓｉｎｇ 锯丝在使用一段时间后出现磨粒脱落（图４ｂ）现 象，这往往是由于金刚石磨粒在摩擦和冲击作用并加 上镀层把持力降低的情况下从基体上直接脱落的。 ４．２镀层的磨损 镀层是把金刚石磨粒固结在钢丝基体上的媒介， 所以镀层对磨粒的把持力是非常重要的。镀层的磨 损（图４ｂ）会降低对磨粒的把持力，造成磨粒的脱落， 缩短锯丝的使用寿命，镀层的磨损主要发生在磨损的 后期，它的表现形式为镀层局部与完全脱落、镀层裂 纹和磨损。在锯丝磨损的初期，主要是金刚石磨粒的 脱落和破碎，随着磨损的加剧，镀层也开始受到工件 材料的直接摩擦。由于镀层的硬度较低，镀层急剧磨 损，这就降低了它对磨粒的把持力，使磨粒迅速脱落， 锯丝整体进入急剧磨损阶段，此时线锯失去切割能 力。 ４．３减少锯丝磨损措施 锯丝的主要磨损形式是磨粒的脱落，要想减少 ４ 锯丝磨损，延长锯丝的使用寿命，应采取以下措施： （１）增加镀层的强度，提高镀层对金刚石磨粒的把持 力，减少锯丝磨损。（２）在现有的实验条件下尽可能 提高机床的精度，以减小锯丝的振动，延长锯丝使用 寿命。（３）在切割工艺参数范围内进一步提高锯丝线 速度，因为随着线速度增大，锯切力减小，锯丝磨损也 减少。 ５ 结论 通过正交试验，利用环形电镀金刚石线锯对大理 石进行了切割，并详细分析了锯切线速度、工件进给 速度和锯丝张紧力等锯切工艺参数对大理石表面粗 糙度的影响，得出如下结论： （１）工件进给速度对大理石表面粗糙度的影响最 大，随着工件进给速度的增大，大理石表面粗糙度值 增加。同时进给速度还影响大理石的锯切效率，两者 兼顾，最优工件进给速度取１０ｍｍ／ｍｉｎ。 （２）锯丝线速度对大理石表面粗糙度的影响没有 工件进给速度的影响大，随着线速度的增大，大理石 表面粗糙度值减小。但是随着线速度的增大，锯丝振 动也越来越大，影响了线锯的工作寿命。考虑到线速 度对大理石表面粗糙度的影响不是最大的，所以最优 锯丝线速度取３０ｍ／ｓ。 （３）锯丝张紧力对大理石表面粗糙度的影响最 小，随着锯丝张紧力的增加，大理石表面粗糙度先降 低后升高。锯丝张紧力为１００Ｎ，大理石表面粗糙度 最好。 （４）锯丝的磨损机理是磨粒的脱落，要想减少磨 粒的脱落，必须提高镀层的把持力，减小锯丝的振动 和提高锯丝线速度，从而减少锯丝磨损，延长锯丝的 使用寿命。 参考文献： ［１］１ Ｋａｏ ｅｔ ａ１．Ｗａｆｅｒ Ｓｌｉｃｉｎｇ ａｎｄ ｗｉｒｅ Ｓａｗ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈ— ｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｔｈｅ ＮＳＦ Ｇｒａｎｔｅｅｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．１９９７． ［２］ｈｔｔｐ：／ｗｗｗ．ｗｅｌｌ ｄｉａｍｏｎｄ ｗｉｒｅ ｓａｗｓ．ｃｏｒｎ． ［３］高伟，刘镇昌．用复合电镀法制造环形电镀金刚石线锯［Ｊ］．金刚 石与磨料磨具工程．２００４（２）：４８－５１． ［４］盂剑峰．环形电镀金刚石线锯加工技术及加工质量研究［Ｄ］．山 东大学博士论文．２００６，９． ［５］ 贺东溥．金刚石线锯切割ＳｉＣ的加工质量研究［Ｄ］．山东大学硕 士学位论文．２０１０，５．
