石材加工:石材硬度越高 切割就越困難

發布時間:2020-02-28 09:14:06   編輯:石材網

    概述

    天然石材具有質地堅硬、色彩繽紛、古樸典雅、抗震耐壓、耐酸、抗風化和磨光性好等特點。由于其眾多的優點,石材的應用范圍越來越廣,用量越來越大,在人類生活中起著重要的作用。隨著世界上建筑業及裝飾業的發展,石材已成為世界性建筑材料。

    石材是自然的建筑材料,整個地球表層是由巖石所組成,而巖石是由許多礦物族群以各種方式結合而形成,—塊巖石中含有不同硬度的礦物。這就對對石材加工產生一定的困難,從而使得石材的加工工具也不同于普通的加工具。

    隨著六十年代中期以來,金剛石加工技術的興起,金剛石技術的應用給世界石材工業帶來了一場“革命”。金剛石俗稱鉆石是目前自然界中最堅硬的一種物質。在以相對刻劃為基礎的摩氏硬度級別中,被列為最硬的一級。將其與結合劑通過燒結、電鍍等方法結合起來做成的超硬材料工具,廣泛應用于地質勘探、石材、機械、汽車及國防工業等各個領域。各種金剛石工具及其它高新技術相結合,使石材開采和加工變得更加容易、成本更低。從而使石材生產從粗放形走上了自動化、機械化、連續化的大批量、大規模和文明、安全生產的道路上。

    影響石材加工性的主要因素

    石材的加工主要是鋸、切、磨、拋。石材的可加工性是指鋸、切、磨、拋加工的難易程度。鋸、切相同,磨、拋雖有差別,但很相近。因此一般石材的可加工性通常指可鋸性和可磨性。影響石材加工性的主要因素有:

   (1)硬度

    一般情況下,石材硬度越大,則加工越困難,對工具的磨損也越大。

   (2)礦物成分和化學成分

    石材的物質組分物質組分包括礦物組成和化學成分,不同的礦物成分和化學成分,加工性也不同。如大理石造巖礦物主要為方解石、白云石,其摩氏硬度分別是3和3.5-4,較花崗石硬度低,易于加工。花崗石的主要造巖礦物是石英、正長石、斜長石,它們的摩氏硬度為6.5-7。其可加工性在很大程度上取決于石英和長石的含量,含量越高,越難加工。在化學成分上,如SiO2含量愈高,加工愈困難。

   (3)巖石的結構構造

    一般來說,顆粒均勻比不均勻的石材易加工,細粒比片狀磨光質量高,致密石材比疏松石材光澤度高。礦物結晶程度好,且定向排列、光軸方向一致將大大提高拋光后的光澤度。巖石的解理、晶界和初始裂紋對加工性也是很重要的影響因素。

    此外,所選的加工工具以及工藝參數都是一個必須考慮的影響因素。

    建筑裝修用的飾面石材主要有大理石和花崗石兩大類。將飾面石材荒料加工成建筑裝飾板材,其主要工序為鋸切、研磨拋光、切割成品板材、修邊倒角開槽。其中鋸切工序最為關鍵,它決定著產品的產量與質量。而在鋸切加工中有以金剛石鋸片用的最多。據國內外統計資料估計,目前世界上工業金剛石50%左右用于制造石材加工工具,其中主要是石材加工鋸片。下邊就金剛石鋸片的相關問題展開討論。

    金剛石鋸片使用效果的影響因素系統分析

    判斷金剛石鋸片使用效果的好壞,主要依據三項指標,即鋸切效率、使用壽命、加工質量。上述三項使用效果指標,首先取決于鋸片本身的性能,例如鋒利性和耐用度。另一方面,還取決于是否合理選擇和正確使用。造成鋸片使用效果不佳的原因,絕不僅是鋸片本身的質量問題,很多情況下是由于使用不當造成的。就目前國內情況來看,雙方責任大致各占一半。

    金剛石鋸片性能和使用效果影響因素概括起來,包括制造因素(原材料、制造工藝與裝備)和使用因素(合理選擇和正確使用)兩個方面。

    金剛石鋸片的制造

    金剛石鋸片的本質是基體通過適當胎體材料將金剛石嵌鑲固定。它是在鋼的基體上焊接一種由金剛石顆粒與胎體材料組成的復合燒結體,常稱之為刀頭。目前,國內采用的連接方法主要是釬焊和冷壓燒結。冷壓燒結主要用于小片,釬焊鋸片的基體、刀頭結合面靠釬料熔化滲透而連接,抗彎強度低,其彎曲強度僅為350~600N/mm2,承載能力差,特別是干切時,鋸片由于受熱到高溫時釬料軟化,常導致刀頭脫落,而引起傷害操作人員的危險,所以,國外從80年代后期就發展激光焊代替釬焊。激光焊與釬焊比較,有許多顯著優點,由于激光受熱面積小,熱影響區小,故大大減少了應力和基體的變形;對金剛石沒有影響,保證了產品的最佳性能,特別是激光焊屬于熔化焊,結合強度高,其彎曲強度達1800N/mm2,可應用于干切場合。

    對金剛石鋸片切割的相關研究

    石材加工工業的蓬勃發展,對金剛石切割工具的性能提出了更高的要求。不僅要求其切割速度更快,壽命長;而且要求工具切割石材的種類范圍更廣,切割質量更好。為此,國內外有關學者進行了大量的有針對性的工作。

    提高金剛石工具的性能

    添加稀土元素

    金剛石制品主要是由粉末冶金的方法制成,其胎體成分多為硬質合金,稀土元素對硬質合金性能的改善可望對金剛石工具的性能同樣發揮作用:(1)稀土元素的加入能提高胎體金屬對金剛石的浸潤性,增強粘結能力;(2)稀土元素的加入能提高胎體材料的抗彎強度、耐磨性、抗沖擊韌性等,提高金剛石工具的質量;(3)稀土元素能降低粘結金屬的熔點,降低金剛石制品的燒結溫度,從而減少熱壓法高溫造成的金剛石質量下降。

    自蔓延高溫合成技術的應用

    自蔓延高溫合成簡稱SHS也稱為燃燒合成,是近20年來發展起來的、依靠化學反應自身放熱來制備材料的新技術。通常,胎體中加入金剛石以后,由于金剛石的“夾雜”作用,胎體的抗彎強度下降,但通過反應熱壓在金剛石與胎體間形成碳化物過渡層后,胎體抗彎強度的下降幅度要小得多。

    采用預合金胎體金屬粉末

    胎體金屬粉末的預合金化有如下優點:(1)合金熔點比單元素熔點低,可使一些高強度金屬通過合金化后降低熔點,以達到燒結金剛石制品的要求;(2)合金和單元素金屬相比,具有較高的物理機械性能,易于滿足金剛石制品胎體性能要求;(3)合金抗氧化性比單元素強,燒結性能好,易于保存;(4)預合金粉末比機械混合粉末均勻,對金剛石的浸潤性好;(5)合金粉末具有單一的熔點,從而避免了機械混合粉末胎體燒結中最常出現的成分偏析和低熔點金屬先熔化并富集以及易氧化、揮發等缺陷,從而可保證金剛石制品的質量,制品的機械性能也大有提高。

    活化燒結的應用

    活化燒結是采用化學或物理的措施,是燒結溫度降低,燒結過程加快,或使燒結體的密度和其它性能得到提高。

    設計合理的結構

    金剛石表面金屬化

    在以Fe、Cu、Co、Ni等為主的結合劑制成的金剛石工具中,由于以共價結合的金剛石晶體與上述結合劑無化學親和力,界面不浸潤等原因,金剛石顆粒只能被機械地鑲嵌在結合劑基體中。在磨削力的作用下,當金剛石磨粒被磨露到最大截面之前,胎體金屬就失去了對金剛石顆粒的卡固而自行脫落,使金剛石工具的使用壽命和加工效率降低,金剛石的磨削作用得不到充分發揮。因此,金剛石表面具有金屬化特征,則可以有效地提高金剛石工具的使用壽命和加工效率。其實質是將成鍵元素如Ti或其合金直接鍍附在金剛石表面,通過升溫加熱處理,是金剛石表面形成均勻的化學鍵合層。

    通過鍍附處理的金剛石磨粒,在金剛石工具制造熱壓固相燒結或冷壓液相燒結過程中,鍍層與金剛石反應形成化學結合使金剛石表面金屬化。另一方面,金屬化的金剛石表層又能順利地與金屬胎體結合劑實現金屬間的冶金結合。因此,鍍鈦及合金的金剛石對冷壓液相燒結及熱壓固相燒結具有廣泛的適用性。這樣胎體合金對金剛石磨粒的固結力提高了,減少了金剛石工具在使用過程中磨粒的脫落,從而提高了金剛石工具的使用壽命和效率。目前用于改變金剛石表面性質的方法主要有化學鍍、真空蒸鍍和離子鍍等。

    采用超細或納米級材料

    粉末粒度越細,表面積越大,表面能越高,燒結過程越易進行,機械性能也越高。

    納米級材料使用納米技術制成的納米級尺度的物體。由于納米材料的顆粒極其微小,比表面積劇增,表面活性很強,在粉末冶金、石化、航天、軍工、能源、機械、電子和探礦等眾多領域有廣闊的應用前景。

    金剛石鋸片的磨損

    金剛石鋸片的磨損性能是反應鋸切工藝參數合理性、鋸切工具性能、石材可鋸切加工性的重要指標之一。

    金剛石鋸片的磨損狀況對其鋸切能力和鋸切過程的穩定性有著重要的影響,保持切削刃鋒利是獲得鋸切過程穩定的決定性因素。石材鋸切過程是磨粒切削加工過程,因此,在鋸切過程中應不斷有金剛石磨粒的機械微破碎及相應的胎體磨損,以產生新的鋒利的刀刃,保證一定的鋸切效率。

    金剛石磨粒從胎體中出刃到脫落而完全喪失切削能力要經歷一定的磨損過程。典型的金剛石磨損過程為:金剛石出刃→達到工作高度→破碎→結合劑磨蝕→金剛石再出刃→磨粒破碎→磨粒完全脫落。由于金剛石磨粒在鋸片工作面上分布不規則,所經歷的磨損階段有所差異。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,而正常磨損階段又可能有以下三種不同的磨損路線:

   (1)初期磨損→局部磨損→大面積破碎;

   (2)初期磨損→拋光→局部破損→大面積破碎;

   (3)初期磨損→拋光→整體破碎。

    金剛石鋸片的磨損可分為金剛石磨粒的磨損和金剛石結塊胎體的磨損,有關金剛石鋸片的磨損機理的研究大多集中在金剛石磨粒的磨損機理研究。M.W,Bailey等人通過顯微觀察鋸切工具上金剛石磨粒的磨損過程和磨損形貌,將金剛石磨粒的磨損形態分為:出刃良好、磨平、破碎、脫落四種形式。劉全賢等人則進一步將金剛石磨粒的磨損形態分為五種主要形式,即初期出刃、拋光、局部破碎、大面積或整體破碎、脫落,并認為鋸切過程中交變的機械載荷和熱載荷及金剛石的內部缺陷決定著磨粒磨損形態。

    王成勇等人通過研究,提出了新的金剛石磨損形態分類法,即把金剛石磨粒的磨損形態分為:良好及微破碎、端部破碎、磨平、局部脫落、脫落凹坑、出刃六種形態。這種新的分類方法可更好的描述鋸切過程中金剛石磨粒的磨損過程。金剛石的磨損形態決定著鋸片的鋸切性能鋸片工作面上微破碎、局部破碎的金剛石磨粒數越多,鋸片越鋒利,切削效率相應提高,但鋸片使用壽命低;磨平、拋光的金剛石磨粒越多,切削力越大,切削效率隨之降低,而鋸片使用壽命有所提高,因此,許多研究者都認為,鋸片工作面上各種金剛石磨損形態之間存在一個最佳比值,使得鋸片的鋸切性能最優,但比值大小取決于石材材質和對鋸切加工工藝的要求。

    金剛石磨粒的磨損過程中,不斷進行的微破碎、局部破碎過程使得新的切削刃不斷產生,鋸片處于鋒利切削狀態,切削效率高。切削功率消耗降低,但不斷的微破碎、局部破碎將導致金剛石磨粒大面積破碎,鋸片使用壽命降低;而金剛石的不斷磨平和拋光會使切削刃鈍化,切削力增大,切削效率降低,但鋸片的使用壽命有所提高。

    金剛石圓鋸片的受力分析

    鋸片的力學模型的建立

    一般情況下,圓盤鋸片的厚度相對直徑較小,因此對其受力分析時,可以按平面應力問題處理。鋸片放在鋸機主軸上并由法蘭盤加緊,因此鋸片中心孔的六個自由度都受到限制。鋸片受力主要瞬時與石材切割相接觸的金剛石鋸齒上。參與切割的鋸齒數與切割深度有關。

    鋸齒受力分析的靜力學方法

    鋸切力是衡量鋸切工藝參數合理性、金剛石鋸片耐用度、切割質量和石材材料的可切割性等方面的重要數據。

    鋸切時,金剛石鋸片的鋸齒對石材產生的切割力有兩個:一個是法向力Fn,另一個是沿線速度方向的切向力Ft。鋸切力Ft是鋸片的主切割力,直接影響鋸切功率。垂直力Fn則直接影響鋸片的剛度、穩定性和耐磨損等特性。但由于Fn和Ft直接測量比較困難,把切向力Ft和垂直法向力Fn分解成沿進給方向切割力Fx和切割深度方向的垂直力Fy。在某瞬時,可以把Fn和Ft投影到x、y軸上,通過上述幾何關系,可得到:

    FX=Fnsinθ+Ftcosθ,

    Fn=-Fcosθ+Ftsinθ

    式中θ是取某瞬時,切割石材中點直徑與垂直方向的夾角,也是鋸片從切割最低點沿切割軌跡轉到切削中點時的夾角,即

    θ=arccos(1-)

    對加工機理的研究

    石材加工是從傳統的金屬切削加工衍生出來的一個新的學科分支。多年來人們雖然圍繞石材的加工設備、工具以及工藝方法做了不少工作,但因石材加工的歷史不長,有關的機理研究工作還明顯落后于生產應用,再加上石材市場競爭激烈,一些有價值的研究成果多被視作商業機密極少公開交流,因此無論是在國外還是在國內,石材加工這一新的分支至今仍未形成一套有效指導生產實際的理論支撐體系。事實上,不論何種花崗石材,它們都可以被看作是一種非均質各向異性的硬脆性天然復合材料。

    實際鋸切花崗石材時其可能的狀態不外以下三種:(1)磨粒相對于石材的干涉切深過小,相應的干涉力不足以使石材產生需要的解理破壞,磨粒與石材間多為激烈的擠壓滑擦和耕犁刻劃,此時去除的材料多呈粉末狀。在這種狀態下鋸切,不僅材料去除率極低,且因鋸切比能高,溫升明顯,磨粒磨損極為嚴重,故鋸片壽命極低。(2)磨粒相對于石材的干涉切深過大,磨粒與石材間作用的干涉力過大,在這種狀態下鋸切雖可獲得高的材料去除率,但同時也會因超負荷工作導致磨粒過早地破碎和脫落,鋸片壽命同樣很低。(3)磨粒與石材間有比較合理和適宜的干涉切深以及相應的干涉力,在此種狀態下鋸切,不僅石材可因理想的解理性碎斷而獲得極高的去除率,而且由于以解理為主的鋸切過程輕松平穩,鋸片本身也可獲得最高的壽命。

    對鋸切加工機理的研究從早期開始使用的單顆粒化上表面形貌觀察方法,逐漸發展到綜合使用偏光顯微鏡和掃描電鏡觀察礦物成份及劃痕形貌、用聲發射信號評價切削狀態。近年來,這種加強了巖石礦物特征等對鋸切工程的各種現象如鋸切力、刀具磨損和鋸切工藝等的影響研究。

    對基體的研究

    鋸片以高速旋轉對石材進行切割,通常切割花崗石的線速度為25~40m/s,切割大理石為45~60m/s。具有一定振動頻率的基體,在切割過程中振動頻率增加,當附加的頻率和固有頻率一致時,產生共振,這就要求基體具有高的彈性極限和屈強比;其次,由于機體的不平度,或是鋸片安裝不良等,切割時產生側壓力使基體反復彎曲,導致基體剛度降低,或發生疲勞強度。所以,基體還應具有高的剛度和疲勞強度;再者,鋸片在切割過程中,基體要承受循環的切割壓力和沖擊力,因此,基體還用具有高的抗拉強度和一定的沖擊韌度。

    鋼的化學成分和熱處理狀態,決定制品的機械性能和使用壽命。對于要求具有鋸片基體這樣機械性能高的制品,通常采用含碳量較高的碳素鋼或合金鋼制造,并經淬火、中溫回火,以保證得到符合性能要求的回火托氏體組織。鋼中含碳量的高低對制品的機械性能影響很大。含碳量低時,使抗拉強度、彈性極限、疲勞強度等性能降低。反之,脆性增加。合金元素的種類和含量對制品的機械性能、工藝性能也有很大的影響。經研究和實踐探索可知,適宜制造鋸片基體的材料為硅錳鋼。

    熱處理規范是決定鋸片基體機械性能和使用壽命的關鍵因素之一。采用中頻感應加熱等溫淬火工藝有效地解決了基體采用65Mn鋼的金剛石鋸片的鹽浴淬火存在的問題。此外,去應力退火、穩定化處理也是基體制造過程中不可忽視的工序。

    金剛石鋸片的開發

    隨著技術的發展,金剛石鋸片的家族越來越龐大,新式鋸片不斷得應用到生產中。

    噪聲鋸片

    金剛石鋸片在切割硬脆材料時,由于與被加工件的相互摩擦及沖擊,基體產生劇烈振動,噪聲強度達到100~110dB,大大超過各國噪聲衛生標準要求的80~85dB。為降低噪聲,國外市場上很早就開始銷售低噪聲鋸片,而我國則處于剛剛起步的階段。研制開發低噪聲鋸片,大致遵循兩條途徑:一是改變基體結構,在基體上用激光加工特定溝槽,在溝槽中填入阻尼材料;二是將基體分成3層組合而成,中間層采用阻尼材料。據報道,世界上大型金剛石工具制造廠之一,芬蘭的LevabtoOy公司生產的低噪聲鋸片近期已開始供應世界上最大的混凝土制件生產商AddtekGroupCo。LevabtoOy公司的低噪聲鋸片,采用德國的基體,在基體上有激光加工的環槽,環槽中填入阻尼材料。它的刀頭設計成三明治形式。經檢測,噪聲強度可從100dB降至81~83dB。

    復合基金剛石鋸片

    復合基金剛石鋸片采用低溫電沉積合金胎體和金剛石鑲嵌工藝,有效地解決了胎體機械性能差及對金剛石把持力弱的問題。利用該技術工藝制備的胎體機械性能相當于用冶金方法制備的胎體,具有優良的抗彎強度并可根據各種石材特點,調整配方組成,使其具有適宜的硬度與韌性,適合金剛石的鑲嵌固定。
 

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