花岗岩外形对电镀金刚石线锯的磨损研究*

陈家荣，林 峰，陈 超，肖乐银，秦建新，彭少波，谢德龙，潘晓毅

(1.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西 桂林 541004； 2.国家特种矿物材料工程技术研究中心，广西 桂林 541004； 3.广西超硬材料研究开发重点实验室，广西 桂林 541004)

花岗岩外形对电镀金刚石线锯的磨损研究*

陈家荣，林 峰，陈 超，肖乐银，秦建新，彭少波，谢德龙，潘晓毅

(1.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西 桂林 541004； 2.国家特种矿物材料工程技术研究中心，广西 桂林 541004； 3.广西超硬材料研究开发重点实验室，广西 桂林 541004)

文章主要研究了花岗岩外形对电镀金刚石线锯的磨损影响，采用了不同规格的金刚石线锯切割花岗岩以检验使用寿命，通过扫描电子显微镜观察了电镀金刚石线锯的受损情况。大量实验分析了切割花岗岩过程中金刚石线锯的磨损因素和机理，并指出了延长线锯使用寿命的方法。

电镀金刚石线锯；磨损；花岗岩

1 引言

随着科学技术的发展，特别是贵重单晶材料的人工合成及生产的扩大和其他大尺寸硬质材料的广泛应用，人们对大尺寸材料的切割提出了新要求，既要达到高效切割目的又要实现被切割工件切口的最小损失[1,2]。大直径圆锯片由于其切割加工时切口损失较大，已经不能适用于大尺寸的单晶硅，蓝宝石和贵重石材等的切割[3-5]。金刚石线锯的应用实现了高效率、低消耗要求以及对大尺寸材料的切割目的[6]。金刚石线锯是用固结剂将金刚石磨料固结在金属丝上制成的一种线性超硬材料切割工具[1]。金刚石线锯主要分为两大类型，分别为树脂粘合金刚石线锯和电镀复合金刚石线锯[7,8]。电镀金刚石线锯以其涂层结合力牢固及其使用寿命长而被广泛应用[9,10]。电镀金刚石线锯直径小、能耗低、切缝小、平整性好及对切割贵重的人工晶体具有非常好的适应性等特点而迅速占领了贵重材料切割市场[11,12]。为了满足市场要求，不同规格的电镀金刚石线锯应运而生。然而，早期的电镀金刚石线锯在使用过程中会出现金刚石破损、金刚石镀层剥落、钢丝断裂等缺陷，这阻碍了其在工业化大生产中的进一步推广应用。因此电镀金刚石线锯还需做大量的改进及性能测试。对于电镀金刚石线锯的改进从来就没停止过，同时对于电镀金刚石线锯的性能测试以往常常是直接去切割贵重材料[13,14]。然而，人造晶体和天然宝石属于贵重材料，直接用于测试电镀金刚石线锯会大大增加其研发成本，因此自然界存在的质地坚硬、价格便宜的花岗岩就成了测试电镀金钢石线锯的首选材料[15]。电镀金刚石线锯测试过程经常会出现一些异常情况，同种工艺下的电镀金刚石线锯测试时很大一部分会出现突然损坏，为了避免这种情况的出现，一是要稳定制备电镀金刚石线锯的工艺，二是要稳定电镀金刚石线锯在测试时被切割材料的一致性。然而电镀金刚石线锯使用过程中受到被切割材料外形影响的尚未见报道。

本文主要研究电镀金刚石线锯应用于切割花岗岩时其遭受磨损的影响因素，分别使用了不同粗细的电镀金刚石线锯去切割具有不同角度外立面的花岗岩，并分析了电镀金刚石线锯的失效机理。

2 实验材料、设备及方法

2.1 材料及设备

同一个采石场开采出来的花岗岩石材一批；直径分别为0.7mm、1.0mm、1.3mm、1.6mm、1.9mm连续分别镀层闭环金刚石线锯一批，规格3.5m；中型圆锯片切割机一台，取芯车床一台，配用3.5m闭环线锯机一台，场发射扫描电子显微镜一台。

2.2 实验方法

由于电镀金刚石线锯在使用过程中会受到被切割物不同外形的影响而遭受损伤，所以在切割过程中对被切割物件的外观形状有要求。将市场上采购的同种类型的花岗岩用中型圆锯片切割机加工成具有不同坡度的梯形和用取芯车床加工成圆柱形(Φ5cm)备用，使用电镀金刚石线锯对具有不同外立面的花岗岩材料进行切割实验，线速度为35m/s，进给速度为20mm/s，同时喷水降温。扫描电子显微镜观察电镀金刚石线锯的受损情况。

3 实验结果与讨论

3.1 不同坡度进刀对金刚石线锯的影响。

图1所示为对具有不同切割角度(α)的花岗岩进行切割的示意图。由于小直径电镀金刚石线锯对花岗岩的切割能力有限，金刚石线锯的切割测试直到其不具备切割能力为止，计算切割面积，每种切割角度测试10根直径为0.7mm的电镀金刚石线锯，求平均值。

图1 金刚石线锯切割花岗岩示意图Fig1 Schematic diagram of diamond wire saw cutting granite

坡度角α30°50°70°90°110°130°150°切割面积(dm2)41.240.139.940.533.526.822.6

由表1可知切割角度α小于90°时，电镀金刚石线锯切割花岗岩的切割寿命在39.9～41.2dm2的狭小范围内。其可认为是切割角度α在30～90°时花岗岩的形状对电镀金刚石线锯切割的影响不大。当切割角度α越过90°时电镀金刚石线锯的切割寿命就会大幅降低。造成电镀金刚石线锯切割寿命下降的原因是线锯始终保持着一定的弯曲度去挤压花岗岩。当线锯处于切割体状态的部分与花岗岩切割角度大于90°时，就会出现很薄的花岗岩与电镀金刚石线锯的接触位，而花岗岩具有硬脆性，这个位置的花岗岩在线锯的挤压下容易向外崩离破损，此时会在线锯与花岗岩之间留下一个很坚固的陡坡面，这个坚固的陡坡面像一把刀在不断切削及碰撞金刚石线锯表面的金刚石根部和镀层，致使金刚石破损加快及粘合层剥落，从而使线锯不具备切割能力而损坏。本实验很容易观察到这种具备薄弱位切割角度的花岗岩石材被金刚石线锯挤压时容易被挤破同时留下陡坡面并碰撞损伤电镀金刚石线锯。

图2展示的是电镀金刚石线锯在花岗岩切割角度α为50°和130°下使用并切割了相同面积的花岗岩20.0dm2后的SEM图，图2a所示金刚石线锯表面剩余大量金刚石而且分布均匀，而图2b所示金刚石线锯表面出现了大量的金刚石脱落而且镀层出现褶皱处于严重损坏状态，这说明切割角度α大于90°时呈现出的陡坡面使图2b所示电镀金刚石线锯金刚石在剥落的同时还损坏了镀层的结合剂。

3.2 不同直径的电镀金刚石线锯切割花岗岩

电镀金刚石线锯切割花岗岩的影响因素与金刚石线锯类型也有一定的关系，实验选用了不同直径大小的金刚石线锯去切割花岗岩以检验切割角度α对电镀金刚石线锯寿命的影响。分别使用了1.0mm、1.3mm、1.6mm、1.9mm的连续镀层闭环金刚石线锯。

由表2可知，α为50°时电镀金刚石线锯越粗切割面积越大，α为130°时也显示出随着电镀金刚石线锯越粗切割面积越大的趋势。然而两个不同的切割角度都显示出很大的差异，切割角度α小于90°和大于90°切割面积有明显的相距。说明了花岗岩外立面形状对电镀金刚石线锯寿命影响极大因而不可忽略。

3.3 电镀金刚石切割自转圆柱面花岗岩

为了避免花岗岩与电镀金刚石线锯的接触点出现薄弱位置，研究者设计了避开薄弱位置切割的方法，将旋转工作台固定在线锯机的万向台上，旋转工作台夹持圆柱状花岗岩进行旋转切割。

表3 不同直径金刚石线锯切割柱形花岗岩的面积

对比表1、表2和表3可知金刚石线锯对花岗岩的切割受花岗岩本身形状影响非常大，主要原因是平行推进的切割方法会遭遇花岗岩外表面边界切削力而损坏金刚石线锯。当不存在薄弱点时电镀金刚石线锯与花岗岩正常磨切而延长了寿命，说明电镀金刚石线锯的使用应该考虑事先加工整平被切物体，同时选择切割角度小于90°的面进行切割。为延长金刚石线锯的使用寿命可以边旋转被切物体边切割。

在花岗岩自旋转切割过程中由于被切割位置与电镀金刚石线锯为几何形式的相切关系，金刚石在花岗岩表面的滑动磨切，使得其切割过程没有像上述花岗岩具有角度的切割方式那样使金刚石根部碰撞被切物体而损坏，几何形式的相切使得容屑空间小的电镀金刚石线锯能快速排除切割出来的花岗岩碎屑。

根据金刚石工具设计原理[16]，砂轮正常切割条件下金刚石的吃入深度用方程式(1)及图4所示砂轮磨削切割模型可以推导出电镀金刚石线锯金刚石吃入深度方程式。

(1)

式中T为吃入深度，U为进刀速度，Nc为单位唇面有效金刚石数量，vs线速度，γ切削底部半夹角，α切割深度，D工具直径.

图3 砂轮磨削切割模型Fig.3 Cutting model of grinding wheel

根据砂轮磨削切割模型，砂轮直径增大时，γ角和β角变小，当砂轮直径无穷大的时，砂轮的边缘就无限接近为一条直线，这样等效为一根电镀金刚石线锯，可以推导出电镀金刚石线锯中金刚石吃入深度方程式为(2)

(2)

由电镀金刚石线锯中金刚石吃入深度方程式(2)可以计算出理想情况下其切割花岗岩的吃入深度为0.433μm，然而金刚石颗粒大小为106μm，其正常的出刃高度为42μm。当出现碰撞切割时其吃入深度成倍增加甚至会达到42μm，碰撞切割时吃入深度是正常磨切的吃入深度的96.67倍。这样的吃入深度远远大于正常切割时的数值，必然给电镀金刚石线锯造成不可估量的损坏。当存在碰撞切割时碰撞点出现了损伤，其损伤正是因为吃入深度太深，阻力太大造成了金刚石破裂，出刃高度降低，容屑空间减小，粉屑进入空隙将结合剂磨损进而使金刚石脱落。通过模型计算和上述实验证明，碰撞切割会加速金刚石线锯中金刚石镀层的损坏，避免碰撞切割可以延长电镀金刚石线锯的使用寿命。

4 结论

(1)电镀金刚石线锯的使用寿命与花岗岩进给的切割角度有关，切割角度大于90°会加速电镀金刚石线锯的损毁。

(2)旋转被切物体切割可以延长电镀金刚石线锯的使用寿命，柱形花岗岩被动旋转切割可以有效减缓其对金刚石线锯的损伤。

(3)在一定范围内金刚石线锯的直径越大其使用寿命越长，即其对花岗岩的切割面积越大。

(4)模型计算和实验证明碰撞切割会加速金刚石线锯中金刚石镀层的损坏，避免碰撞切割可以延长电镀金刚石线锯的使用寿命。

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Influencesofgraniteshapeonwearofelectroplateddiamondwiresaw

CHEN Jia-rong, LIN Feng, CHEN Chao, XIAO Le-yin, QIN Jian-xin, PENG Shao-bo, XIE De-long,PAN Xiao-yi

(1.ChinaNonferrousmetal(Guilin)GeologyandMiningCo.,Ltd.,Guilin541004,China;2.NationalSpecialMineralMaterialsEngineeringResearchCenter,Guilin541004,China;3.GuangxiKeyLaboratoryofSuperhardMaterialsResearchandDevelopment,Guilin541004,China)

This paper mainly studies the influence of granite shape on wear of electroplated diamond wire saw. Electroplated diamond wire saws with different specifications are used to cut the granite to test their service life. Scanning electron microscopy was also used to observe the damage of electroplated diamond wire saw. The wear factors and mechanism of the electroplated diamond wire saw in the process of cutting granite are analyzed by a large number of experiments, and the method of prolonging its service life is pointed out.

electroplated diamond wire saw, wear, granite

2017-09-04

陈家荣(1987-)男，硕士。主要从事线性金刚石工具开发及钛合金表面处理研究。E-mail：chenjiarong32@163.com

陈家荣，林峰，陈超，等.花岗岩外形对电镀金刚石线锯的磨损研究[J].超硬材料工程，2017，29(5)：43-46.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0043-04