维普资讯 http://www.cqvip.com １７ · 金刚石绳锯的锯切轨迹及锯切机理研究 １３００２６ 吉林大学建设工程学院 刘宝昌 张祖培摘要孙友宏 王建阳 本文从理论上分析了金刚石绳锯的锯切轨迹及锯切机理，并对大理石和花岗石进行了锯切试验，以 验证理论分析的结果。理论分析和锯切试验均表明：（１）金刚石绳锯的锯切轨迹近似为圆的渐开线，锯切过程中 单位长度绳锯对石材的压力、绳锯张紧力决定了该渐开线的形状；（２）金刚石绳锯锯切线速度高，锯切过程中单颗 粒金刚石施加在石材上的压力很小，不足以使石材产生体积破碎，切屑细小。其主要碎岩方式是赫兹破碎（Ｈｅｒｒ— ｚｉａｎ ｆｒａｃｔｕｒｅ），通过高速磨削实现锯切。根据金刚石绳锯的碎岩机理，锯切时应适当控制绳锯拉力和绳锯线速度， 选用耐磨蚀性好的金刚石和胎体，保证良好冷却，以提高锯切速度，延长绳锯寿命。 关键词金刚石绳锯天然石材锯切轨迹锯切机理 ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｓａｗｉｎｇ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ｗｉｒｅ ｓａｗ ａｒｅ ｈｅｏｒｔｅｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓａｗｉｎｇ ｅｘ— ｏｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｍａｒｂｌｅ ａｎｄ ｇｒａｎｉｔｅ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｄｒａｗｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｎ— ｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：（１）Ｓａｗｉｎｇ ｔｒａｉｅｃｔｏ￣ｒ ｏｆ ｄｉｍｏｎｄ ｗａｉｒｅ ｓａｗ ｉｓ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ ａｎ ｉｎｖｏｌｕｔｅ ｏｆ ｃｉｒｃｌｅ．Ｗｉｒｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｅｅ ｅｘｅｒｒｅｄ ｏｎ ｓｔｏｎｅ ｂｙ ｕｎｉｔ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｗｉｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｓａｗｉｎｇ ｄｅｔｅｎｎｉｎｅ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｏｌｕｔｅ．（２）Ｌｉｎｅａｒ ｉｒｅ ｓｐｅｅｄ ｉｗｓ ＳＯ ｈｉｇｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｘｅｒｔｅｄ ｏｎ ｓｔｏｎｅ ｂｙ ｓｉｎｇｌｅ ｄｉｍｏｎｄ ｔａ ｉｓ ＳＯ ｌｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｏｎｅ ｃａｎ ｎｏｔ ｂｅ ｖｏｌｕｍｉｎｏｕｓｌｙ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ．１１１ｅ ｍａｉｎ ｒｏｃｋ——ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｄｉｍｏｎｄ ａｗｉｒｅ，ｓａｗｉｎｇ ｉｓ Ｈｅｒｔｚｉｎ Ｆｒａａｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉｌｓａ ｒｅｍｏｖａｌ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｎｄｉｎｇ ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓａｗｉｎｇ ｄｅｂｒｉｓ ｉｓ ｖｅｒｙ ｆｉｎｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｏｃｋ—ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｄｉｍｏｎｄ ｗａｉｒｅ ｓａｗｉｎｇ，ｗｉｒｅ ｔｅｎ— ｓｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｎｅａｒ ｗｉｒｅ ｓｐｅｅｄ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｓｏ ａｓ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｓａｗｉｎｇ ｒａｔｅ ａｎｄ ｗｉｅ ｌｉｆｒｅ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｇｏｏｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｏｎ— ｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉ ｈ ａｂｒｇａｓｉｖｅ ｒｅｓｉｓｔｎｃｅ ａｏｆ ｄｉｍｏｎｄ ａｎｄ ｍａａｔｉｒｘ ａｒｅ ａｌｏ ｉｓｍｐｏｒｔａｎｔ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ Ｄｉｍｏｎｄ ｗｉａｒｅ ｓａｗ；Ｎａｔｕｒａｌ ｓｔｏｎｅ；Ｓａｗｉｎｇ ｔｍｊｃｔｅｏｒｙ；Ｓａｗｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ １前言 金刚石串珠绳锯１９世纪７０年代在意大利问世， 最初用于石材开采。现在其应用领域扩大到荒料整 形、板材切割、异型石材制品加工以及建筑施工领域。 和其它石材开采和加工方法相比，金刚石绳锯技术具 图１所示。图中ｒ为ＡＢ段的曲率半径，Ｔ为绳锯拉 力。由于ＡＢ段很小，故忽略其所受的重力。 Ｔ＋ｄＴ ＇ 、圭ｄｅ ● ／ １ 有石材损耗小、锯切效率高、荒料质量好、适用石材范 ／／ ＼ 围广、设备易安装、人工成本低、振动和噪音小、粉尘少 Ｏ／ｆｆ－ｄＯ ｒ ＼Ｉ １ ｆ ｆ ｄＮ 等优点，因此具有广阔的发展前景～ 。 为了提高金刚石绳锯的生产效率和加工质量、降 低成本，选用合理的工艺参数是至关重要的。本文在 理论分析及锯切试验的基础上，研究金刚石绳锯的锯 ～ ～～～～、、 Ｊ — Ｔ － ‘ｄＯ 切轨迹和锯切机理，并对实际加工中合理选择锯切工 艺参数提出建议。 ２金刚石绳锯的锯切轨迹研究 ２．１理论分析 １ 绳锯分离俸ＡＢ受力分析Ｊ奎Ｉ ＡＢ段绳锯所受的岩石的支承力为： ＤＮ： ·ｓｉ“ ｄＯ＋（ ＋ｄＴ）·ｓｉ“ ｄＯ 金刚石绳锯是一根具有一定弹性的连续体，在锯 切过程中不会产生折点。因此，开始锯切时绳锯和岩 石只在局部的棱角处相接触。随着锯切的进行，接触 点变成切割线，最后形成一条连续光滑的锯切曲线。 ｄＮ：Ｔ·ｄｅ＋ｌ ｄＴ（１） 因为 很小，故ｓｉ“ ｄＯ ｄＯ则 （２） ０ 为简化起见，把金刚石绳锯看作一条连续的锯切 线，在其上取出一段微量分离体ＡＢ进行受力分析，如 ￣（２）ｅｐｌｄｒ· 为高阶微量可以忽略，则 维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ８ · 《金刚石与磨料磨具工程》 ｄＮ＝Ｔ·ｄＯ （３） 图２所不。 设单位长度绳锯对岩石的压力为ｄ尸（称为单位线 ２．２试验验证 压力），则绳锯对岩石的压力ｄＮ＇为 为了验证上述理论分析结果，利用自行研制的金 ｄＮ＇＝ｄＰ·ｒ· （４） 刚石绳锯机和金刚石串珠绳进行了锯切试验。试验所 由于ｄＮ和ｄＮ＇大小相等，方向相反，则由式（３）、 采用的主要技术参数见表１。试验石材选用雪花白大 （４）得： 理石和花岗闪长石，其物理力学性质见表２。 ｄＰ＝ （５） 在锯切后的大理石锯面上，很容易地找到了两组 ｒ 渐开线和理论分析的锯切曲线相吻合，如图３中实线 由（５）可知： 所示。图３中锯切曲线的上部和下部虚线部分未能与 （１）绳锯拉力 和绳锯的弯曲是产生线压力ｄ尸 同一渐开线吻合，其原因可能是： 的必要条件； 表１金刚石锯切试验主要技术参数 （２）绳锯对石材的线压力ｄＰ与绳锯在该点所受 金刚石绳锯机参数 金刚石绳锯参数 的拉力 成正比，与绳锯在该点的曲率半径ｒ成反比； 型号 ｓＪ一８９ 绳锯长度（ｍ） ３ （３）若在锯切过程中，绳锯上某点对石材的线压力 绳锯线速度（ｍ／ｓ） ２２～２５ 串珠长度（ｍｍ） ６ ｄＰ大于其它点，则在该点处锯切速度加快，绳锯曲率 主电机功率（ｋＷ） ３０ 串珠直径（ｍｍ） １２ 冷却水流量（１／ｎｆｌｎ） １．５ 每米串珠数 ３２ 半径变小，从而使绳锯上该点对石材的线压力ｄＰ减 绳锯拉力（ｋｓｆ） ２１０ 串珠类型 烧结法，孕锑 小，直至和相邻点处的相等。锯切开始时就是这种情 给进速度（ｎｒｎ／ｍｉｎ）８～２５０ 龛刚石 （ＵＳ ｍｅｓｈ） ５一 ０／６０ 况的特例。 由以上讨论可知，金刚石绳锯工作曲线稳定的必 表２试验用石材及其物理力学性质 要条件是绳锯上各点的线压力ｄ尸都相等，即在锯切 （ｇ／￣ｍ３）密度 抗压强度 摆球硬度 （蛐Ｐａ） （次） 塑性系数 纵波速度 （ｍ／ｓ） 的任一瞬时： 雪花白大理石 ２．２３ ３４０ ２０．２ Ｏ．５５０５ ５３４ｏ 花岗闪长石 ２．５６ ６３０ ３５．８ Ｏ．３８７５ ５２０５ ｄＰ＝ ＝ｃ（常量） （６） ｒ＝ｃ·Ｔ （７） 式（７）中，ｃ＝去。 在锯切过程中，绳锯上各点所受拉力 并不相 等，在绳锯松边 值较小，而从松边到紧边， 将随绳 锯长度的增加而增加。此外，绳锯曲率半径变化大的 部位 值增加的也大。 ＪＹ 图３石材锯机上的锯切曲线 １）绳锯松边拉力不等于零； ２）底部曲率很大，拉力较小，故离心力作用较明 显： ３）工作时下部和上部绳锯振动较大，工作不平稳。 Ｍ利用公式（５），假如我们得出锯切曲线任一点的曲 率半径ｒ和绳锯拉力Ｔ，则可推出绳锯上该时刻的线 压力ｄＰ值；或选定绳锯上单位长度最佳压力值ｄＰ，估 算出锯切曲线上最大曲率半径ｒ，从而得出锯切所需 工作拉力Ｔ，并由Ｔ计算出锯切所需功率ｗ。 图２渐开线 ３金刚石绳锯的锯切机理研究 很明显，（７）式就是金刚石绳锯工作曲线的数学表 ３．１理论分析 达式。由解析几何可知，（７）式是一条圆的渐开线方程 在金刚石钻进中，为提高钻进效率，除需施加给钻 式，其中Ｃ为基圆半径， 为发生线所对的圆心角，如 头足够的压力以使岩石产生体积破碎外，还要保证钻 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２．４（１３２） 头具有足够高的线速度。但过高的钻头线速度不利于 岩石体积破碎的产生，故一些金刚石钻头制造商推荐 的钻头线速度为２．５米／秒左右，最高不超过７．７米／ 秒 ］。而金刚石绳锯锯切石材时绳锯的线速度可达 ２５ ３０米／秒，大大高于金刚石钻头的极限线速度，从 时间效应上看不利于岩石的体积破碎。此外，金刚石 绳锯用钢绳作为动力和运动的载体，用金刚石作为磨 料高速磨削岩石，所以金刚石绳锯的工作拉力并不大， 这也不利于岩石产生体积破碎。 由式（５）可得到在某一瞬时，单位长度绳锯对岩石 的压力 。若考虑到金刚石串珠为间隔排列，则实际 的线压力ｄＰ 需乘上一个加密系数０： 。： ０＝—— ｂ （８）式中，卜一串珠间距，６——串珠长度，在本试验 中Ｚ＝２５，腓，ｂ：６ｍｍ。 ：口． ：０． ：善． ｒ Ｄ ｒ （９） 则单个串珠对岩石的压力为： Ｐ，：ｄＰ，．ｂ：丁ｌＴ ｂＺ． （１０） Ｄ ｒ ｒ 金刚石串珠的直径为Ｄ，长度为 ｂ，则绳锯工作平 稳后单个串珠的锯切面积为： Ｓ＝寺７ｒ·Ｄ·ｂ （１１） 由式（１０）和（１１）可得串珠锯切面上单位面积对石 材所施加的压力为： Ｐｓ－ ＝ ） 根据文献［４］，一平方厘米面积上的金刚石数量 为： Ｎｓ＝０．４４１。 ｄ３ （１３） 式中卜胎体中金刚石的浓度（％）；ｎ——每 克拉中金刚石颗粒数；ｄ，——颗粒的加权平均立方尺 寸。不同粒度金刚石的ｎ值和ｄ，值可从文献［４］中查 得。 由式（１２）和（１３）可得单颗粒金刚石施加在石材上 的压强为： Ｊ—ＮＳ·Ｓｄ 、 （１４） 金刚石与岩石的接触面积，不同粒度金刚 石的 值可从文献［４］中查得。 试验所用金刚石串珠中的金刚石粒度为５０／６０ 目，浓度为７５％，代人上述公式，经计算得切割大理石 时 ＝０．９１４ＭＰａ。而由表１可知，试验用大理石的抗 · ｌ９· 压强度为３４０ＭＰａ，前者不足后者的０．３％，锯切花岗石 时就更小了。可见绳锯锯切时岩石很难产生体积破 碎。 图４滑动的压力在物质内产生的张应力场 图５赫兹破碎产生的条状切屑 直到目前，在金刚石钻进领域，许多作者都认为金 刚石侵入岩石或使岩石表面形成永久刻痕——这两种 情况都使岩石产生体积破碎——是实现钻进的最基本 条件，即单颗粒金刚石施加于岩石上的力必须大于岩 石的抗压强度，否则钻进将无法进行。但金刚石绳锯 的锯切过程和金刚石钻进过程并不完全一样，主要表 现在金刚石绳锯锯切时具有更高的线速度，绳锯施加 于岩石的压力也较金刚石钻头小得多。在这种情况 下，岩石的破碎主要是由赫兹碎裂（Ｈｅｒｔｚｉａｎ ｆｒａｃｔｕｒｅ）引 起的。由文献／５］可知，假如物质的表面被一个滑动的 压头弹性地压下，则在压头滑移轨迹后面的物质中产 生张应力场（见图４），当其超过临界的正常负荷时，就 会产生局部圆锥形裂纹。这个负荷比使物质表面形成 永久刻痕所必需的力要小得多。这说明在较低的压力 下岩石仍可被破碎。由于压头与物质接触区外物质表 层内的张应力分量随深度而迅速消失，故物质的破碎 将仅在压头后面紧靠接触区外面的一薄层内，这将导 致在压头滑移线后面产生向上翘曲的经过压实的长条 形切屑（见图５）。但由于压头滑动速度较高，再加上 接下来的金刚石的循环破碎，该长条形切屑将被打碎， 故最终获得的岩屑粒度将仍然很小。 ３．２试验验证 在金刚石绳锯锯切试验过程中，在不同的锯切回 次测量了串珠上金刚石的出刃高度和出露数，结果见 表３。对锯切大理石和花岗石后的切屑进行了粒度分 布测定，结果见表４。由表３可见，锯切大理石时，金 维普资讯 http://www.cqvip.com ２０· 《金刚石与磨料磨具工程》 保证一定的绳锯线速度（锯切软岩或锯面较大时，线速 刚石出刃量较小，为１５ｐ＿ｍ，可能是胎体较硬。锯切花 岗石后，出刃量稳定在３０ｔａｎ左右，这与金刚石钻头钻 进花岗岩时的出刃量基本一致。 表３金刚石的出刃情况表 锯切 串珠号 切割面积（ｃｍ２） 金刚石出刃 金刚石 度可高些；锯切硬岩或锯面较小时，线速度应低些，以 降低离心力对绳锯拉力的影响），选用耐磨蚀好的金刚 石和胎体，有利于提高锯切速度。此外还应注意绳锯 的冷却，以延长绳锯寿命。 ４结论 回次 ｌ ２ ｌｌ５ ｌｌ２ 大理石 ４１３５ ５ｌ６９ 花岗石 ， ５ｌ８ 高度（／ａｎ） ｌ５ ２６ 出露数 ２６３ ３４３ ３ ４ ２ ｌｌ０ ５ｌ６９ ５ｌ６９ ｌ３６０ １９４４ ３ｏ ２９ ３３４ ３３８ （１）金刚石绳锯的锯切曲线近似为圆的渐开线，绳 锯拉力及单位长度绳锯施加给石材的压力决定了该渐 开线的形状； （２）金刚石绳锯锯切线速度高，锯切过程中单颗粒 金刚石施加在石材上的压力很小，不足以使石材产生 体积破碎，其主要碎岩方式是赫兹破碎（Ｈｅｒｔｚｉａｎ Ｆｒａｃ． ｔｕｒｅ），主要以高速磨削的方式实现锯切，故切屑粒度细 小； 表４切屑粒度分布 石材 类型 ２ ４ 切屑粒度（舯）及其所占比例 ６ ８ ｌＯ ｌ２ ｌ４ ｌ６ ｌ８ ２０ 花岗石 ２４．３％ ｌ８．１％ ｌ５．９％１９．６１％ ７．３ｏ％ ８．４０％ ２．６７％ ５．９６％ ２．３ｌ％ ５．３３％ 大理石 ３０．１％Ｊ９．３４％ １１．７％ １４．１％ １３．１％ ３．１９％１２．７０％ ３．６７％ ２．３６￣１９．５７％ 由表４司见： １）锯切花岗石后的切屑粒度主要分布在２～６ｔａｎ 之间，占５８．３％。随着切屑粒度增大，所占比例减少， 粒度大于１４ｐ＿ｍ的只占１３．７％； （３）根据金刚石绳锯的碎岩机理，锯切时应适当控 制绳锯拉力，保证一定的绳锯线速度，选用耐磨蚀性好 的金刚石和胎本，保证良好冷即，以提高锯切速度，延 长绳锯寿命。 参考文献 ２）锯切大理石后的切屑粒度分布更集中，主要在 ２～ｌＯｔａｎ之间，占７８．４％。粒度大于ｌＯｔａｎ的切屑所占 比例很少。 综合表３和表４可知，无论锯切大理石或花岗石， ｌｌｊ Ｒ．Ｇａｒｒａｒｄ，Ｓ．Ｒ．Ｐｅａｃｏｃｋ ａｎｄ Ｍ．Ｈｏｒｉ．１ｒｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｏｎｓｔｅｒｕｃｔｉｎ ｉｏｎｄｕｓｔｒｙ．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｒｅｖｉｅｗ，２００１．２：１２１～ｌ２９ 其切屑粒度均小于金刚石的出刃高度，可见切屑不是 由于体积破碎或剪崩所产生的。 通过以上分析可知，金刚石绳锯锯切线速度高，绳 锯（串珠）施加于岩石的载荷较小，导致锯切过程中单 颗粒金刚石施加在石材上的压强小，不利于石材的体 积破碎。同时从金刚石出刃高度和切屑粒度分布看， 大部分切屑粒度细小，粒径超过金刚石出刃高度的很 少。可见金刚石串珠碎岩的主要方式是磨削和刮削， ｌ２ｊ Ｅ．Ｓｐｉｅｌｖｏｇｅ１．Ａｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ ｏｆｗｉｒｅ ｉａｍｏｎｄ ＲｅｖＤｉｅｗ，１９９９，３：ｌ７８～ｌ８２ ．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｌ３ｊ Ｋ．ｓｐｉｎｋ．１ｒｈｅ ｎａｔｕｒｅ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ｄｒｉｌｌｉｎｇ．Ｉｎｄｕｓｔｒｉｌ Ｄａｉａｍｏｎｄ Ｒｅｖｉｅｗ． １９７２．６：２３０～２４２ ［４］Ａ．Ａ．布加耶夫著，人造金刚石在地质勘探钻进中的应用．李孔兴， 唐华生译．北京：地质出版社．１９８１ 【５］Ｆ．Ｃ．Ｆｒａｎｋ ａｎｄ Ｂ．Ｒ．Ｌａｗｎ：Ｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙ ｏｆＨｅｒｔｚｉａｎｆｒａｃｔｕｒｅ．Ｐｒｏｃｅｅ－ ｄｉｎｇｓ ｏｆｔｈｅ Ｒｏｙａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ．Ａ．Ｖ０１．２９９（１９６７），Ｐ．２９１ 是利用金刚石绳锯线速度高，锯切线上工作的金刚石 数量多，来进行反复的高速磨削来破碎岩石实现锯切 的。岩石破碎的机理主要是赫兹碎裂。 针对绳锯的破岩机理，锯切时适当控制绳锯拉力， 第一作者简介： 刘宝昌，男，１９７５年３月出生，吉林大学在读博士研究生，目前主要从事 超硬材料、硬质材料及工具，以及硬脆材料加工方面的研究。 （收稿日期：２Ｏ０２—０８—１２） 【编辑：王琴） 研 文
