金刚石工具在石材和土木工程中的切割原理和磨削应用0



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摘要：金属结合金刚石工具在几十年前引入天然石材和土木工程行业加工中。毋容置疑，它们的使用为材料去除以及加工生产率提高带来了革命性的变化。然而，虽然工具性能显著提高，但金刚石工具被限制广泛使用的主要因素是价格昂贵。因此，人们需要充分掌握车削加工的原理和磨削性能显得尤其重要。诚然，人们可以预测得到最佳的加工条件，但加工过程中磨削知识是实现最佳加工尺寸和提升金刚石性能为最根本条件。该文章对于加工原理以及相关工具和加工过程设计进行了简要概述。考虑到石材和土木工程行业，对于一些金刚石工具发展方向也做了简略地描述。

一、介绍

在天然石材行业以及相关行业中，人们广泛使用金刚石工具进行切割加工作业。金刚石工具最为广泛使用的加工方法之一被称作“锯切”，不仅广泛应用于石材领域，而且还普遍应用于土木工程当中。因此，上面这些行业加工条件中都要使用回旋工具。其他该领域中加工也都要应用金刚石材料。

二、切割原理

使用金刚石工具加工材料从而使金刚石切削端成型。切割所有材料都会出现该现象。在切割石材中，会有一些突出特点，第一：虽然“锯切”术语广泛使用，但开始加工作业为磨削过程。以切割边缘以单一几何模型来进行分割，从而得到两个物体，该加工模型如例图1。

金刚石切割加工模型中直接或间接影响的因素有：

1、石材的物理材料性能，例如：颗粒尺寸和强度

2、金刚石和材料之间的力

3、石材中张力分布

4、工件接触面的工具温度：

切割边缘处由于塑料工件弹性从而出现变形的状况

石材和金刚石摩擦力

石材和基体之间的摩擦力

切割碎屑和基体之间的摩擦力

在加工过程中金刚石颗粒前部，张力由切向力而引起。在该区域中，切屑是由于拉伸和压力产生出来。该模式称作为最初金刚石切削端形成。切割碎屑通过前部的沟槽和颗粒中部溢出。

切割过程中石材表示出来伸缩性能从而增加到最大张力，最重要的是达到最小切割厚度。切除掉的材料是由于金刚石下部导出的压力从而变形。工具上固结的金刚石颗粒去除后，将出现弹性恢复现象，从而出现临界应力，导致坚硬外形破碎。由拉伸压力而出现的模式被命名为第二金刚石切屑尖端形成。切削过程的结果是出现大量的碎屑，它们为加工过程起到了冷却的作用。

三、石材切割工具

大块天然石材加工过程中，将大块石材加工为模块化型材，例如：瓷砖，今天主要是使用圆型金刚石工具来加工（见例图2）。这些金刚石工具主要有两大部分：一个钢心和配件。

工具设计和合适地相关车削部件尺寸，均属于常识和工具，使用人的经验以及终端用户需要仔细考虑。

3.1钢芯

钢芯的材料采用不同的钢铁等级，需要考虑将不同的部分采用铜焊或激光焊接方法相连接。钢核都比较坚硬且耐断裂为43至45HRC（HRC：High-Rupturing Capacity 高断裂力，洛氏硬度）。通常情况下，钢芯部件成型最后均需要采用激光切割或者铣削加工。孔洞最后需要珩磨制成，因为能够得到圆滑外观且误差最小。最为重要点是最细度（最小变量为正负0.01毫米）超过了总几何外型。上述这些技术要求需使用特殊研磨机床加工。为了避免在切割过程中工具发生颤动，工具的残余应力处理办法是要对刀片中心用热处理或机械处理（张力调整）。平行刀头组必须采用相似的处理方法，以此确保刀片实际使用能够超过工具的使用寿命。

3.2切割部设计

切割部采用黄铜焊接或激光焊接在钢芯上。基体耐磨性能是要调整金刚石耐磨速度：如果基体磨削速度过快，金刚石的磨削性能就不能充分发挥出来；如果基体磨削速度比金刚石要慢，切刃和基体空间将会不断减少。若出现上述情况，碎屑将不能及时排出，切割部也将不断地丧失切削性能。因此，相对的软性基体可以应用于硬度较高的石材加工，如：花岗岩。总体上，软基体也能保持住优良的金刚石。

金刚石工具切割部的发展方向，一个关注于其在加工过程中的作用，另一个关注于其材料（金刚石和金属粉末）以及它们的性能。包括金刚石的切割部技术主要采用热等压处理，最后将被称作绿色环保型预制铸造部件进行压制成型。近几年，一项新技术问世：采用非锻压热烧结技术来加工工具，这种优良新技术称作“冷压烧结”。与传统的热等压处理过程相比，该新技术拥有一些突出优点，包括甚至有中频热压烧结加工过程。冷压烧结能够尽可能地发挥金属粉末的闭孔孔隙度性能。另一个冷压烧结的独特方面是切割过程中冷却或（缩小）后金刚石容量减少，金刚石颗粒将深入到切割部分中。随着烧结部件密度增加，金刚石容量退缩状况会逐渐消减，所以将会部分显露出磨削颗粒，能够实现正常的磨削作用而不磨损工具本身。

审视金刚石颗粒和基体材料的最新技术发展，金刚石工具将采用钛或铬来涂附高质量金刚石颗粒，使用低钴耐磨结合材料连接。现今金刚石涂附技术成功实现了把持基体上的金刚石材料。

为了满足日新月异的环保和经济要求，新引入市场的金刚石结合部中新型金属粉末能部分替代钴。这些新型金属粉末性能上接近纯钴。它们为超精细合金粉末，每种磨粒由三种基本金属（铜、铁和钴）组成。烧结过后，金属粉末呈现出单一性超精微型结构。最特别的方面是这些金属粉末具有兼容性，与金刚石和涂层金刚石相结合后金刚石工具性能将大幅度提升。

四、金刚石工具耐磨性

受石材中矿物成分的影响，金刚石结合部耐磨指数由切割部的组成以及加工参数决定。对于以上讨论的技术应用，结合部的耐磨性一方面为基体耐磨性能，另一方面为金刚石耐磨性能。

一种磨削加工情况：由于石材加工高位机械以及加工过程中，特别是热应力负荷磨削条件下石材磨削处理从而会影响到金刚石颗粒。另一方面，碎屑堆积在磨料中间从而导致基体结合部磨损发生。两种加工方式均会对工具耐磨性能和加工结果产生影响。

碎屑引起的工具磨损均取决于石材组成成分。不同于切割工具，碎屑组成的粒子包含变形的和以更小颗粒的深部岩。在切割过程中，水成岩破裂处紧贴于金刚石颗粒底部，主要是因为工具结合材料强度低。切割过程后会出现小块和硬度高的石材碎屑。在该例中，与高磨削性的石材碎屑相比金刚石颗粒耐磨效果并不显着，只是金刚石工具基体磨损率出现明显提高。

4.1金刚石磨削

磨削模式影响金刚石颗粒情况分为下列四种形式：

1、粘合磨削：金刚石接触石材表面和颗粒发生挫裂；

2、摩擦磨削：非常坚硬的石头颗粒刮擦金刚石表面；

3、扩散磨削：工件和金刚石表面之间会发生化学反应将会降低金刚石的强度或硬度；

4、金刚石颗粒破裂、金刚石的破裂是由于机械、热过载、疲劳原因。

上面的调查研究粘合和扩散的磨削并不是石材加工过程中最为显着的。金刚石的破裂和摩擦主要原因是发生磨削，从而导致金刚石颗粒减少。在低速向上切割同质石材条件下，金刚石颗粒将会磨成平型。在高速向下切割方式，加工一种硬度石材，由于冲击负荷将会使金刚石破裂。

普通条件下金刚石磨削特点由舒尔茨（音译）来进行描述，证明两种不同的磨削状态：平滑和出粒。

磨削出平面

破裂出磨粒

磨平金刚石颗粒是因为颗粒尖端高热力负荷，同时机械冲击并不能造成其破裂，例如：金刚石颗粒表面太小或者切割速度太低。金刚石颗粒破裂需要一定金刚石颗粒面积或切割速度而产生机械冲击。

4.2基体磨削

除了金刚石颗粒磨损外，冷却后的磨削碎片和石材颗粒能够侵蚀结合物。考虑石材的切割，结合材料需要仔细选择。除此之外，基体磨削分为以下两种情况：

如果基体磨削过快，在金刚石颗粒还未露出其加工能力不能完全发挥。

如果基体磨削速度慢于金刚石，切割刃和基体之间的空隙将会减少。碎片不能更好的排出，合成体随后丧失切割能力。

基体磨削典型特点是一个单晶磨粒前部为环形。除了金刚石颗粒外，基体很少出现磨损，所以结合物末尾形成，所以在加工过程中金刚石在结合体中得以保持。

4.3加工参数和运动的影响

材料移动率通常受到金刚石所能承担的最大热负荷和机械负荷的限制。金刚石所能承受的负荷受到加工参数的影响。作为一个加工工件材料去除率，需要考虑以下加工环境条件：

ae： a是巨大切割深度，e是磨粒正接触面面积。因为巨大的接触深度，金刚石尖端热负荷就会提升。

vft： v为进给速度，ft为磨粒正面面积。这个符号表明金刚石热负荷。

vc：v为磨削速度，c为金刚石颗粒尖端热负荷。金刚石颗粒正接触面变的越来越小，但是磨粒尖最初磨除时机械冲击脉冲变得缩短和更加明显。

除了加工参数，加工运动中也会有影响。如果加工过程采用上下切割模式，单晶颗粒的最初接触面能够达到最大颗粒尖厚度（见例图3）。相反当保持上下模式，在加工过程中金刚石颗粒厚度增加到最大值。在该条件中，金刚石颗粒拉伸变形主要出现在最初阶段，最佳适合颗粒尖端厚度达到并形成了。上切割和下切割模式就会出现截然不同的磨削特点。在下切割过程中，考虑到磨料和结合剂的类型以及像金刚石破裂或露出，高机械冲击脉冲就会出现。在上切割模式中金刚石尖端厚度从零增加到最大，刚开始时只是金刚石尖端接触石材，最后会以磨削的和磨平的金刚石颗粒接触到石材。

五、加工设计和优化技术

在一系列不同的实验中，切割过程最后金刚石都不能达到最佳的性能，或者不能得到最为满意的效果。在这些实验中不匹配的工具、车削加工和过程设计是需要统计的因素，以及系统的加工方法需要考虑，还有与加工过程相关的全部调查数据也要考虑。材料性能、加工力度、温度和振动的测量和分析是改进工具和机床第一手资料（参见例图4）。特别是，工件与工件接触面上的机械负荷和热负荷需要详细考虑。这些方面不仅要依靠加工的参数，而且要考虑到加工过程中同级别的材料的切割和振动的发生。

对于薄弱点进行成功实现基本研究，工具性能才能改进。这些研究对于提高工具和机床最有必要。为了获得金刚石工具的磨削知识，人们需要对于基体和金刚石磨削的变化进行调查。为了得到加工参数和工具部件最佳性能，加工人员必须要掌握磨削过程的知识，包括在切割过程中对于金刚石和结合物的诸多影响。对于这些调查研究，当然还要考虑减少购买昂贵工具的费用支出。总体上讲，要想得到满意的工具，需要具备刀片高振动稳定性以及最佳的磨削阻力的特点。

我们要实现这些目标，一方面需要借助模式分析方法来提升机床和工具振动特性。对于材料结果，这些结果能够避免以严格的切割速度来提高振动强度。另一方面，在提高生产效率时进给速度要尽可能高。磨削速率能够被利用来提高刀片的动态稳定度以及改变金刚石颗粒的热负荷和机械负荷，但降低金刚石颗粒正面面积和切向力。若要实现这样的一种合适的平衡：需在不同的车削加工情况下才能够达到加工力度和磨削量。

除此之外，车床部件例如车床结构、主轴传动机构、大梁和轴承等都需要进行检查和改进或满足必须的要求。

六、总结和展望

对于该文章中的切割总结和展望天然石材金刚石工具应用，是通过一套不同的影响因素来描述的一套复杂的系统。此外，如果要解释上述部分，需要考虑基本加工过程（着重强调的是磨削过程）以及全部相关特点和切割应用中解决问题所需要的相关方法。在大多数例子中，仅仅这种系统方法尽可能的来寻找薄弱点，而不是单单考虑一方面问题。

（该文章除讨论的技术观点之外，社会经济学和社会生态观点也着重考虑进去了。这些观点更加适合高度工业化国家，不仅是技术而且是人与环境的和谐相处。）

作者：H.K. To nshoff, H. Hillmann-Apmann , J. Asche (德国汉诺威大学生产工程和车削工具系)；翻译：王晗

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来源：磨商网

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