金刚石框架锯锯切研究1锯切加工运动学分析王成勇.docx

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金刚石框架锯锯切研究1锯切加工运动学分析王成勇

金刚石框架锯锯切研究-1-锯切加工运动学分析-王成勇

国家自然科学基金、国家留学基金委员会、教育部留学回国人员启动基金资助（59675062

金刚石框架锯锯切研究（1锯切加工运动学分析

*

510090（广州广东工业大学机电工程学院王成勇樊晶明魏昕

摘要金刚石水平式框架锯锯切是在大面积大理石板材加工中占主导地位的加工工艺。

在金刚石框架锯锯切中的加工运动学锯切破碎过程、锯切力、锯切结块磨损、锯条张紧力调整、锯切可加工性评定等问题,均是实现高效率低成本地加工出高质量石材大板的关键。

本文首先阐述了金刚石框架锯锯切过程中的运动学问题,提出了单颗粒金刚石在锯切加工过程中同石材接触的运动模型,以及结块和锯条平均切削厚度的概念;分析了金刚石结块同石材侧表面的接触面积和金刚石结块顶面同石材接触面积的变化特征,为研究锯切过程中的各种现象打下了理论基础。

主题词金刚石框架锯锯切加工

中图分类号:

TH33

ABSTRACTTheframesawingmovementconsistsofhorizontalcuttingandverticalfeed.Theequationstodescribethisprocessaregiven.Themodelsofcuttingdepthandcuttingmovementtraceofsinglediamondgrit,singlesegmentandtotalbladearepresented.Thecontactareabetweensegmentandstoneisanalyzed.Somefactorsthataffectthecontactareaarealsodiscussed.

KEYWORDSdiamond,framesawblade,cutting1前言

在天然石板材加工中,技术的进步带来的变革是巨大的。

例如在大理石的加工中,广泛采用金刚石锯条在框架锯上将大理石荒料锯切成板材,加钢砂的框架锯锯切目前仅用于硬质花岗岩的大板加工中。

金刚石框架锯有两种不同的概念:

垂直框架锯使用垂直框架锯锯条,水平框架锯使用水平锯条。

本项研究仅涉及在市场上占主导地位的水平式金刚石框架锯。

由于金刚石框架锯锯切是由若干长条锯条上处于不同加工状态的金刚石结块实现的,金刚石框架锯切加工过程远比金刚石圆锯锯切加工复杂。

锯条的张紧力、工件材料（石材种类、石材尺寸、切削条件（进给速度、切削速度、机器性能参数（往复次数、冲程、锯切速度、功率、金刚石结块性能（金刚石浓度、粒度、自锐性、耐磨耐冲击性能等、金刚石结块在锯条上的分布间距等因素,均会影响加工效果。

由于锯切加工机器体积庞大,使得实验测量工作很困难。

在实际生产中,开发和使用新型金刚石结块或在加工没有任何经验可供借鉴的新石材时,缺乏方向性的试切,通常既耽误宝贵的时间,又浪费大量的费用（石材和锯条。

这一切给石材加工厂和金刚石工具制造商带来了很大的困难。

尽管1998年以来,国内金刚石框架锯的数量有了飞跃上升,但尚未对金刚石框架锯的研究有足够的重

视。

在国外,目前也只有德国在这方面进行了一些研究工作

[1~3]

。

作者将以1995年和1999~2000年在德

国从事的金刚石框架锯锯切加工研究工作成果为基础[4~6],结合对石材加工机理多年研究的工作成果和德国的相关研究成果,在有关金刚石框架锯锯切加工研究的系列文章中,力图全面阐述金刚石框架锯锯切加工理论的各个方面,为金刚石框架锯锯切工具开发和加工工艺参数的优化选择提供一些理论参考。

本文首先阐述了金刚石框架锯锯切过程中的运动学问题,提出了在锯切加工过程中金刚石、金刚石结块和锯条同石材接触的运动特征,以及结块和锯条平均切削厚度的概念。

2金刚石框架锯锯切运动特征

在水平式框架锯切中,金刚石框架锯的锯切加工是通过主电机带动飞轮旋转,由连杆驱动带滑动支承的锯框带动其上的锯条往复运动（切削运动实现切削;同时进给电机可使锯框向下运动或荒料向上运动实现进给。

锯框上可装上25~150根锯条。

锯条上焊有烧结式金刚石结块,结块数通常在25~45之间,锯条长度在3m~4.5m之间（图1。

图1金刚石框架锯机与锯条

2.1基本参数

金刚石框架锯切中的主要运动有进给运动和切削运动。

设定本文中的起始切削方向是由左向右,几个重要参数解释如下:

（1冲程:

飞轮带动连杆和锯条进行往复运动时,锯条往复运动最大和最小点之间的距离称为单冲程长度lh;它使结块实现切削运动。

这些运动是由电机预定的,因此与切削过程和是否在锯切石材均无关。

在切削一块石料时,与锯条反向点有关的石材在切削方向上的尺寸,以及所处位置是很重要的。

它们和锯条尺寸一起,决定了在反向运动点处,露在石材外面的结块数和露出程度（图1,2。

（2往复次数:

连杆每分钟往复次数即飞轮每分钟转数nk（rPm。

（3t（s:

自切削开始经历的时间。

（4切削速度:

Vc（mPs。

（5进给速度（落刀速度:

Vf（mmPmin;

（6进给量f:

f=Vf（进给速度P连杆速度。

（7切削方向的石材长度:

lst（mm。

（8结块长度l2（mm（图1。

（9锯条移动距离lc（零点在锯框处于左侧死点B处（图2。

（10结块间距ln-1.n（mm;自锯条左侧计算第n-1个与第n个结块中线距离;为了适应锯条振荡,保持磨削均匀,ln-1.n是变化的（图1。

（11总结块长度:

起始结块与最终结块中线间距。

因为总结块长度通常大于石材尺寸。

露出来的结块称为边缘结块。

图2金刚石框架锯锯切飞轮和连杆运动

[3]

2.2

框架锯锯切运动方程

图5金刚石框架锯锯切中单颗粒金刚石运动轨迹与切削深度

[4]

框架锯切切削运动是一个曲柄连杆运动,锯条运动加速度和速度均是主正弦波振荡变化的,即切削速度在整个冲程过程中是变化的（图3。

锯条移动距离lc、切削速度Vc和锯条加速度ac可以用下列公式描述。

图3框架锯锯切运动曲线[4]

lc（t=lh

2（1-cos2Pnkt（1vc（t=Pnklhsin2Pnkt（2ac（t=2lhP2

nk2

cos2Pnkt

（3

上式中,t（s是从起始切削点开始的切削时间。

3金刚石框架锯锯切中的切削运动

x=lc=lh

2

（cos2Pnkt

（4

y=

Vf

60

t（5公式（1至公式（4是进一步分析金刚石框架锯锯切中各种现象的运动学基础。

锯条、锯条上的金刚石结块和金刚石颗粒的实际运动轨迹应是锯切进给运动Vf和切削运动Vc的合成运动。

设进程切削方向为X轴,向下进给切削为-Y轴方向,合成运动方程可由式（4、（5表示,在lh=500,nk=90min-1

时计算出的双冲程锯条运动轨迹如图4所示。

3.1金刚石结块上单颗粒金刚石的切削运动

金刚石结块上布满了呈不同出刃高度的金刚石颗粒。

这些金刚石颗粒的运动轨迹同样可用式（4、（5来表示。

式（1~（5给出了金刚石结块上各个单颗粒金刚石在锯切加工过程中的下列基本特征:

图4整个切削冲程中锯片运动轨迹

[4]

（1单颗粒金刚石在与石材起始接触和冲程（切

削方向改变时将承受冲击载荷的作用,在图4所示例中,金刚石将在33ms内切入2~6Lm。

（2各个金刚石结块上的有效切削刃数,以及其切

削深度将取决于金刚石结块在切削开始和结束时相对于石材表面的位置。

（3单颗粒金刚石的切削深度与Vf成正比,与nk

和lh成反比,单颗粒金刚石的最大切削深度将取决于该金刚石切削始点与单冲程终点相对于石材切削方向

两端的位置。

图5给出了三种典型的金刚石颗粒切削状态。

点与石材表面接触,因为其最先与石材表面接触,所以被定义为切削起始点。

在进程切削和回程切削中,它将承受两次切入冲击载荷。

它同NO.3磨粒均在石材长度之内切削,因此一直与石材存在接触,可以认为其切削形式为压入切削的循环。

这一常见加工条件下,单颗粒金刚石最大理论切削深度（apmax=vfP2nk为58Lm。

由图4、图5及公式（1~（5可以画出金刚石锯切结块侧面图如图6（a所示。

显然,因不同结块的切削运动距离与其相对于石材的位置有关,其侧面切削面积形状也是不同的,各结块的侧面切削面积Ac,i（i为结块号可通过简单编程计算求得。

单冲程单结块切削表面积是在平行于切削平面方向观察到的单个结块在单冲程中的整个切削面积,将它乘以切削（结块宽度,即为单冲程单结块的切削体积,它是加工性能的一个度量。

它可向我们提供单冲程单结块所承受的变化情况。

根据切削面积等效原理,我们可以由图6（b求得单个结块单位冲程长度上的平均切削深度af,这个参数将被用来评价单个结块的承载情况。

单个结块:

af=

Ac,i

l

（6

每个结块顶面和整个锯条结块顶面与工件的接触面积,对分析单个结块承载是十分有用的。

切削时部分结块未完全切入,其量相对较少,借助于计算机编程是可以精确计算这些值的。

平均结块顶接触面积将在分析计算金刚石分布荷载和比能时用到。

如图7所示在切削过程中,锯条和结块与石材表

面的接触面积是变化的,在lhP2处达到最大值。

结块

图6金刚石框架锯锯切结块侧面切削面积与单位冲程长度上的平均切削深度

[3]

图7

间距的分布、石材荒料的长度和冲程长度将影响其随时间的变化曲线。

图7的其他计算条件为:

锯条尺寸为l1=3950mm,l4=2990mm,l5=747.5mm,结块数30,金刚石结块间距等距分布间距BE1:

84.66mm;不等距分布间距BUE2:

120-60-115-60-115-60-110-60-110-60-95-55-75-55-95-60-110-60-110-60-115-60-115-60-120;石材长度lst=2300。

如3.1的分析结果所示,处于锯条两侧的金

刚石结块（例如图7中结块NO.28,NO.16均不能在整个切削冲程中处于切削状态。

因为这些结块的受力、磨损等对整个加工成本和加工质量、张力调整和金刚石结块间距分布优化均很重要。

这些结块将在后续研究中被当作典型结块。

3.3金刚石锯条的切削运动

整个锯条结块切削侧面积Ac,tot为:

Ac,tot=

En

i=1

A

c,i

=lst#f2（7

单位冲程长度上的整个锯条平均锯切切削深度:

af=Ac,totln#nk=

lst#f2#lh#nk

（8

图8冲程长度、石材荒料尺寸和结块间距对

锯条与石材表面接触面积的影响

如前所述,锯条和结块与石材表面的接触面积是变化的,整个锯条的变形和切削能耗、刀具磨损是由作用在各个金刚石结块（金刚石颗粒上的切削力引起的,因此结块间距分布的优化是十分重要的。

在优化结块间距分布时,必须同时考虑到冲程长度lh和结块长度lst。

采用与图7基本相同的计算条件,得到冲程长度、石材荒料尺寸和结块间距对锯条与石材表面接触面积的影响如图8、图9所示,可见锯条与石材表面接触面积受lh和lst的影响很大。

lh通常是由机器确定的,不易改变,因此lst与结块间距的优化更为重要。

锯条与石材表面的接触面积越大,切削过程越平稳,锯条上各个结块的磨损越均匀。

图8、图9表明,采用不等距形式的结块分布,有利于提高接触面积。

锯条和结块与石材表面的接触面积曲线对于分析不同结块间

距对加工过程的影响是重要的。

图9冲程长度、石材尺寸和结块间距分布对

平均锯条与石材接触面积的影响

4结论

1框架锯切切削速度在整个冲程过程中是变化的。

金刚石结块上单颗粒金刚石在与石材起始接触和冲程（切削方向改变时将承受冲击载荷的作用。

2单颗粒金刚石的切削深度与进给速度成正比,与连杆往复次数和冲程长度成反比。

单颗粒金刚石的最大切削深度还取决于该金刚石切削始点与单冲程终点相对于石材切削方向两端的位置和出刃高度。

3由单冲程单结块切削表面积,可求得单个结块单位冲程长度上的平均切削深度,来评价单个结块的承载情况。

4在优化结块间距分布时,必须考虑到锯条和结块与石材表面的接触面积、冲程长度和结块长度。

采用不等距形式的结块分布,有利于提高接触面积。

参

考

文

献

1Loens,H.H.,GrundlagenuntersuchungenzumGattersaeenmitDiamant-Werkzugen.Dissertation,TUHannover,1970

2GerlachD.BeanspruchungdesDiamant-WerkzeugsbeimSaeenvonAg-glomerat-Marmor.DissertationBergakademieFreiberg,1980

第一作者简介:

王成勇,男,1964年12月生,广东工业大学机电

学院教授、博士生导师。

主要研究方向为精密加工、超硬材料工具和CADPCAM。

承担、完成国家自然科学基金项目3项、广东省自然科学基金项目3项、广东省科技攻关计划项目5项、市局级和企业项目多项。

发表论文80多篇。

（收稿日期:

2001-12-15

（编辑:

王琴