石材锯切机理与金刚石工具磨损机理的研究现状

1 引言

硬脆材料是指具有高硬度、高脆性的材料，通常为非导电体或半导体，如各种石材、玻璃、硅晶体、石英晶体、硬质合金、陶瓷等。随着科学技术和现代工业的发展，硬脆材料的应用领域日益扩展，硬脆材料加工技术也不断发展。在各种硬脆材料加工方法中，切割加工占有重要地位。例如，在建筑装饰板材和岩石材质精密零部件的加工中，锯切加工是机械加工的**道工序，锯切加工成本占整个加工成本的 50%以上。目前，石材等硬脆材料的切割加工主要采用各种金刚石切割工具。由于金刚石是自然界已知的**硬物质，其优异性能决定其在石材等硬脆材料切割加工领域具有广阔的发展前景。

应用金刚石工具锯切硬脆材料的加工方式主要有：圆锯片切割、金刚石带锯切割、金刚石框架锯切割、金刚石串珠锯切割等。尽管每种方法各有其不同特点和应用范围，但其切割机理和金刚石磨损机理都大致相同。由于岩石切割是金刚石切割工具**主要的用途，因此，深入研究石材锯切机理和金刚石切割工具的磨损机理对于金刚石切割工具的合理制造与正确使用具有重要意义。长期以来，国内外**学者对金刚石工具锯切花岗岩的加工机理、金刚石工具的磨损机理以及锯切加工过程中的锯切力作了大量试验和研究，取得了令人瞩目的成果，对岩石锯切加工以及金刚石工具的研究开发起到了积极的理论指导作用。

2 金刚石切割石材锯切机理的研究

金刚石磨料通常通过烧结或电镀的方式制成切割工具。金刚石工具的切割过程类似于磨削加工，但由于受材质影响，岩石、陶瓷等硬脆材料的加工机理与金属加工机理不同，且加工过程更为复杂。由于金刚石切割工具**早应用于石材切割，因此对金刚石切割石材的机理研究较多。国内外学者对金刚石工具锯切花岗岩的加工机理进行了长期研究：从早期应用岩石在压头侵入下的断裂理论、单颗粒金刚石划伤表面形貌观察法逐渐发展到综合应用偏光显微镜和扫描电镜观察岩石加工表面形貌以及裂纹的产生和扩展规律、用声发射信号评价岩石的切削状态等。但由于岩石等硬脆材料的切割状态及切割过程非常复杂，因此对其切割机理的研究至今尚未形成统一的认识。

与磨削加工的研究类似，人们首先研究了切割加工时单颗金刚石颗粒与石材之间的作用机理。早期的试验研究表明：单颗粒金刚石在不同条件下切削花岗岩时，岩石的破坏方式主要以脆性崩碎为主；同时，根据不同的矿物成分，岩石中仍有塑性变形产生。

图1 单颗粒金刚石切割岩石的P.Bienert模型

图2 经M.Meding改进后的单颗粒金刚石切割岩石模型

P. Bienert在以混凝土加工为研究对象的博士论文中提出了单颗粒金刚石切割岩石的模型(见图1)。该模型将锯切岩石的过程概括为：

①在金刚石颗粒的前方，由于压应力产生的剪切作用，岩石材料被破碎，形成主切屑，并被崩出和挤出切削区；

②在磨粒下方，由于高压作用以及可能存在的温度影响，岩石材料产生塑性变形而形成二次切屑，在一定的薄层内形成光滑表面；

③在磨粒后方，由于突然的弹性应力释放，导致较大切屑的形成，它由松散的块状切屑和二次切屑组成。

P. Bienert 模型对金刚石磨粒切削岩石的切屑形成过程作了详细描述，但未能深入研究切屑形成过程中切削区的应力分布及其引起裂纹的产生和扩展规律，也没有反映刀刃前下方压实体的情况。 M.Meding对P. Bienert模型进行了改进(见图2),认为切削过程存在三个变形区：

①**变形区位于磨粒前方及其附近区域。负前角刀刃产生的压应力使岩石发生剪切破坏，碎裂的岩石颗粒从磨粒前部飞出，岩石向磨粒两边挤压。

②第二变形区位于磨粒下方。对于石灰岩和大理石，在与磨粒接触的表面上形成一个塑性变形区，工件表面光滑(主要由压应力引起)，强烈的塑性变形只有几微米厚；花岗岩在接触区高温高压作用下也会产生局部塑性变形。

③第三变形区位于磨粒后方。在与磨粒邻近区域形成一些由细小的岩石颗粒组成的尾巴，由试验结果推断，这主要是由于磨粒划过后划痕表面应力由压应力转变为拉应力所致。

国内也有不少学者对花岗岩等石材的锯切机理进行了研究。徐西鹏等通过对花岗岩锯切表面的扫描电镜观察认为：石英岩的断裂形式主要为沿晶断裂和穿晶断裂，其变形方式主要由岩石主要成分???石英的变形方式决定；其它花岗岩的主要构造成分为石英、正长石和斜长石，因此其变形特征由三者共同决定。其中，云母的解离**完整，**易去除，其次是正长石和斜长石，而石英几乎不发生解离断裂，因此**难切割。金刚石切割花岗岩时的挤压作用将引起花岗岩的脆性断裂，这是因为花岗岩石中存在各种缺陷和应力集中，在挤压作用下引起裂纹产生及扩展，导致花岗岩的脆性破坏。作为一种无损检测方法，声发射测量法已被用于切削加工刀具的破损和磨损监控、金属以及岩石断裂过程分析等方面。一些研究认为，声发射均方根值(AErms)与岩石的可加工性有良好的对应关系，岩石硬度与 AErms 值成正比。试验表明，AErms值越大，用金刚石圆盘锯锯切岩石的可加工性越差。王成勇采用DIN50103 测量用洛氏硬度金刚石压头在TypFP3 NC 铣床上进行了单颗磨粒磨削试验，分析了声发射信号与磨削深度、岩石种类、矿物成分等因素的关系。研究表明：单颗粒金刚石磨削花岗石时的声发射信号受到花岗岩种类、矿物成分、磨削深度等因素的影响。磨削和锯切可加工性好的花岗岩、石英(或磨削深度较大)时，AErms 平均值较大，处于高峰值范围的信号较多。AErms 值还反映了磨削过程中的断裂方式，对花岗岩而言，AErms 平均值小，处于低峰值范围的信号多，则表示微破碎成分多、破碎能耗高。虽然人们从不同角度对石材锯切机理进行了大量研究，但由于岩石锯切过程相当复杂，人们对锯切过程物理本质的认识尚需进一步深入。岩石锯切过程犹如一个黑箱，只能通过合适的测量仪器，建立输入与输出参数的对应关系。因此，目前建立的一些锯切模型虽然在一定程度上反映了锯切过程的规律，但还不能完全说明锯切过程的物理本质

1.基体与切屑间的摩擦 2.基体被切屑和薄片磨蚀 3.**薄片区4.石材与磨粒摩擦 5.塑性变形 6.弹性变形
图3 切割石材时刀具与工件之间的机械作用

3 金刚石工具磨损机理的研究金刚石工具在锯切石材等硬脆材料时，由于较高压力、剧烈摩擦以及可能出现的高温作用，金刚石磨料和基体均不可避免地会产生磨损。金刚石磨粒的磨损、脱落及基体的磨损决定了锯切效果和工具寿命。Balogh指出，影响金刚石锯片寿命和使用效率的主要因素包括切割速度、被切割材料的特性、锯片质量和操作者技术水平等。Liao Y. S.研究了金刚石圆锯片切割花岗岩时金刚石烧结块的磨损特性。

研究表明：烧结块的失效形式主要为冲刷腐蚀、气穴腐蚀和磨损。英国学者Luo S. Y.对金刚石圆锯片的磨损进行了卓有成效的研究。他早在1991年就进行了金刚石锯片磨损的实验研究。实验所用锯片直径为205mm，片芯厚度为5mm，金刚石烧结块的尺寸为40×7×10. 5(mm)；锯片外圆速度为30m/s，进给速度为1m/min，切割深度为0.2mm；冷却液为水；工件材料为印度红花岗岩；用SEM 分析了金刚石磨粒的磨损情况，测量了锯片磨损量及作用力。实验结果表明：刀块上的金刚石表面刻蚀凹坑很小时，工作面的磨损主要表现为金刚石颗粒的微观破损和磨光，此时切割力较小，锯片比较耐磨。相反，当金刚石表面有大量扩展性凹坑时，磨损形式主要为微观破损和颗粒拔出，此时切割力较大且锯片不耐磨。

1996 年Luo S. Y.进一步研究了圆锯片切割时金刚石的磨损特性，研究表明：锯片失效主要是由于磨粒破损和拔出造成的，当超过三分之一的磨粒发生破损或拔出时，切割效率明显降低，严重时甚至导致锯片失效。H. K. Tönshoff 和J.Asche 研究了金刚石工具切割石材时的磨损，建立了单颗金刚石切割石材的模型

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