第二節(jié) 金剛石切割石材的研究

第一個用于鋸割石材的金剛石圓鋸片是法國人Felix Fromholt在1885年研制的。14年后金剛石鋸片在Euville采石場得到應(yīng)用。最早的金剛石鋸片是在鋸片的圓周上使用黑金剛石，并在巴黎的建筑過程中利用這種鋸片鋸割石灰?guī)r和大理石。在1940年，由于粉末冶金技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，產(chǎn)生了金剛石燒結(jié)結(jié)塊鋸片。金剛石鋸片技術(shù)的發(fā)展歸結(jié)于合成金剛石的發(fā)明。天然金剛石的使用已經(jīng)有幾百年歷史了，在這幾百年中人們一直在努力尋找一種合成晶體的方法。一直到1953年瑞典的ASEA公司一個研究小組發(fā)明生產(chǎn)人造金剛石方法。美國DE公司在1955年開始在工業(yè)上大規(guī)模地生產(chǎn)人造金剛石。在過去40年間基于現(xiàn)代金剛石工具制造技術(shù)發(fā)展，金剛石工具已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到石材加工領(lǐng)域。目前金剛石工具市場連續(xù)地增長，用于切割石材的金剛石工具占整個歐洲金剛石工具的 50%。目前的發(fā)展趨勢是大范圍地采用金剛石線鋸加工花崗巖和石材表面磨削和拋光。

金剛石磨料通常通過燒結(jié)或電鍍的方式制成切割工具。金剛石工具的切割過程類似于磨削加工，但由于受材質(zhì)的影響，石材的加工機理與金屬加工機理不同，且加工過程更為復(fù)雜。由于金剛石切割工具最早應(yīng)用于石材切割，因此對金剛石切割石材的機理研究較多。國內(nèi)外學(xué)者對金剛石工具鋸切花崗巖的加工機理進行了長期研究：從早期應(yīng)用巖石在壓頭侵入下的斷裂理論、單顆粒金剛石劃傷表面形貌觀察法逐漸發(fā)展到綜合應(yīng)用偏光顯微鏡和掃描電鏡觀察巖石加工表面形貌以及裂紋的產(chǎn)生和擴展規(guī)律、用聲發(fā)射信號評價巖石的切削狀態(tài)等。但由于巖石等硬脆材料的切割狀態(tài)及切割過程非常復(fù)雜，因此對其切割機理的研究至今尚未形成統(tǒng)一的認識。與磨削加工的研究類似，人們首先研究了金剛石工具切割石材時單顆金剛石與石材之間的作用機理。早期的試驗研究表明：單顆粒金剛石在不同條件下切削花崗巖時，巖石的破壞方式主要以脆性崩碎為主；同時，根據(jù)不同的礦物成分，巖石中仍有塑性變形產(chǎn)生。

石材切削力的研究對石材設(shè)備設(shè)計、石材工具使用和制造具有重要意義。石材切削力主要來源于金剛石顆粒受到石材斷裂應(yīng)力、刀頭與石材的摩擦力。石材切削影響石材加工設(shè)備的主軸剛度、結(jié)構(gòu)機構(gòu)的強度和剛度、主電機功率等，同時還影響工具壽命、工具基體的強度和剛度等力學(xué)性能。影響石材切削力的因素主要有三方面構(gòu)成：第一是石材性能，包括石材強度、硬度、化學(xué)成分、石材結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等；第二是石材加工工藝參數(shù)，包括切削深度、進給速度、切割線速度、冷卻水流量等；第三是工具參數(shù)，包括金剛石粒度、金剛石強度、金剛石濃度、結(jié)合劑類型等。加工石材方式不同，所產(chǎn)生的切削力也不同。切削力采用各種傳感器進行測量。

切削熱主要是金剛石刀頭與石材摩擦產(chǎn)生。由于石材導(dǎo)熱性差，大部分熱量傳到工具中，使工具表面溫度升高，造成金剛石工具金剛石石墨化，金剛石切削能力降低，同時導(dǎo)致工具基體產(chǎn)生熱疲勞，強度和剛度降低，加工石材時噪聲增加，振動加劇，金剛石刀頭早期破損，工具壽命降低。測量切削溫度主要采用熱電偶和紅外線測溫儀。

金剛石工具的磨損對其工具切削能力和加工過程的穩(wěn)定性有著重要的影響。同時對切削力、切削溫度和加工表面質(zhì)量有很大影響。石材鋸切過程是磨粒切削加工過程，因此，在鋸切過程中應(yīng)不斷有金剛石磨粒的機械微破碎及相應(yīng)的胎體磨損。金剛石磨損過程可以分成正常磨損和非正常磨損。金剛石正常磨損指金剛石顆粒在加工石材過程中受到石材摩擦力和斷裂應(yīng)力作用，金剛石體積不斷減少，最終導(dǎo)致金剛石磨粒從胎體中出刃高度降低或脫落而完全喪失切削能力。非正常磨損是金剛石沒有達到使用壽命而產(chǎn)生破損或脫落。金剛石磨損整個過程可以分為初期磨損（出刃）、正常磨損、急劇磨損三個階段。金剛石磨損形式主要有表面磨平、表面破碎、整體脫落等。其中金剛石表面磨平和脫落使金剛石失去切削能力，而金剛石表面破碎降低金剛石切削能力。金剛石工具的磨損可以通過切削力和切削溫度反映出來。影響金剛石工具磨損因素主要包括石材因素、工具因素和加工因素等。