1 引言

     硬脆材料是指具有高硬度、高脆性的材料，通常為非導電體或半導體，如各種石材http://www.stonebuy.com/、玻璃、硅晶體、石英晶體、硬質合金、陶瓷等。隨著科學技術和現代工業(yè)的發(fā)展，硬脆材料的應用領域日益擴展，硬脆材料加工技術也不斷發(fā)展。在各種硬脆材料加工方法中，切割加工占有重要地位。例如，在建筑裝飾板材和巖石材http://www.stonebuy.com/質精密零部件的加工中，鋸切加工是機械http://www.stonebuy.com/machine/加工的第一道工序，鋸切加工成本占整個加工成本的50%以上。目前，石材http://www.stonebuy.com/等硬脆材料的切割加工主要采用各種金剛石切割工具。由于金剛石是自然界已知的最硬物質，其優(yōu)異性能決定其在石材http://www.stonebuy.com/等硬脆材料切割加工領域具有廣闊的發(fā)展前景。www.stonebuy.com 
     應用金剛石工具鋸切硬脆材料的加工方式主要有：圓鋸片切割、金剛石帶鋸切割、金剛石框架鋸切割、金剛石串珠鋸切割等。盡管每種方法各有其不同特點和應用范圍，但其切割機理和金剛石磨損機理都大致相同。由于巖石切割是金剛石切割工具最主要的用途，因此，深入研究石材http://www.stonebuy.com/鋸切機理和金剛石切割工具的磨損機理對于金剛石切割工具的合理制造與正確使用具有重要意義。長期以來，國內外專家學者對金剛石工具鋸切花崗巖的加工機理、金剛石工具的磨損機理以及鋸切加工過程中的鋸切力作了大量試驗和研究，取得了令人矚目的成果，對巖石鋸切加工以及金剛石工具的研究開發(fā)起到了積極的理論指導作用.

2 金剛石切割石材http://www.stonebuy.com/鋸切機理的研究
     金剛石磨料通常通過燒結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，但由于受材質影響，巖石、陶瓷等硬脆材料的加工機理與金屬加工機理不同，且加工過程更為復雜。由于金剛石切割工具最早應用于石材http://www.stonebuy.com/切割，因此對金剛石切割石材http://www.stonebuy.com/的機理研究較多。國內外學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，人們首先研究了切割加工時單顆金剛石顆粒與石材http://www.stonebuy.com/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，根據不同的礦物成分，巖石中仍有塑性變形產生。
  
     圖1 單顆粒金剛石切割巖石的P.Bienert模型

     圖2 經M.Meding改進后的單顆粒金剛石切割巖石模型

 
     P. Bienert在以混凝土加工為研究對象的博士論文中提出了單顆粒金剛石切割巖石的模型(見圖1)。該模型將鋸切巖石的過程概括為：①在金剛石顆粒的前方，由于壓應力產生的剪切作用，巖石材http://www.stonebuy.com/料被破碎，形成主切屑，并被崩出和擠出切削區(qū)；②在磨粒下方，由于高壓作用以及可能存在的溫度影響，巖石材http://www.stonebuy.com/料產生塑性變形而形成二次切屑，在一定的薄層內形成光滑表面；③在磨粒后方，由于突然的彈性應力釋放，導致較大切屑的形成，它由松散的塊狀切屑和二次切屑組成。P. Bienert 模型對金剛石磨粒切削巖石的切屑形成過程作了詳細描述，但未能深入研究切屑形成過程中切削區(qū)的應力分布及其引起裂紋的產生和擴展規(guī)律，也沒有反映刀刃前下方壓實體的情況。 
     M.Meding對P. Bienert模型進行了改進(見圖2)，認為切削過程存在三個變形區(qū)：①第一變形區(qū)位于磨粒前方及其附近區(qū)域。負前角刀刃產生的壓應力使巖石發(fā)生剪切破壞，碎裂的巖石顆粒從磨粒前部飛出，巖石向磨粒兩邊擠壓。②第二變形區(qū)位于磨粒下方。對于石灰?guī)r和大理石，在與磨粒接觸的表面上形成一個塑性變形區(qū)，工件表面光滑(主要由壓應力引起)，強烈的塑性變形只有幾微米厚；花崗巖在接觸區(qū)高溫高壓作用下也會產生局部塑性變形。③第三變形區(qū)位于磨粒后方。在與磨粒鄰近區(qū)域形成一些由細小的巖石顆粒組成的尾巴，由試驗結果推斷，這主要是由于磨粒劃過后劃痕表面應力由壓應力轉變?yōu)槔瓚�力所致�?FONT color=#ffffff>daiyun333.com 
     國內也有不少學者對花崗巖等石材http://www.stonebuy.com/的鋸切機理進行了研究。徐西鵬等通過對花崗巖鋸切表面的掃描電鏡觀察認為：石英巖的斷裂形式主要為沿晶斷裂和穿晶斷裂，其變形方式主要由巖石主要成分———石英的變形方式決定；其它花崗巖的主要構造成分為石英、正長石和斜長石，因此其變形特征由三者共同決定。其中，云母的解離最完整，最易去除，其次是正長石和斜長石，而石英幾乎不發(fā)生解離斷裂，因此最難切割。金剛石切割花崗巖時的擠壓作用將引起花崗巖的脆性斷裂，這是因為花崗巖石中存在各種缺陷和應力集中，在擠壓作用下引起裂紋產生及擴展，導致花崗巖的脆性破壞。 
     作為一種無損檢測方法，聲發(fā)射測量法已被用于切削加工刀具的破損和磨損監(jiān)控、金屬以及巖石斷裂過程分析等方面。一些研究認為，聲發(fā)射均方根值(AErms)與巖石的可加工性有良好的對應關系，巖石硬度與AErms 值成正比。試驗表明，AErms值越大，用金剛石圓盤鋸鋸切巖石的可加工性越差。王成勇采用DIN50103 測量用洛氏硬度金剛石壓頭在TypFP3 NC 銑床上進行了單顆磨粒磨削試驗，分析了聲發(fā)射信號與磨削深度、巖石種類、礦物成分等因素的關系。研究表明：單顆粒金剛石磨削花崗石時的聲發(fā)射信號受到花崗巖種類、礦物成分、磨削深度等因素的影響。磨削和鋸切可加工性好的花崗巖、石英(或磨削深度較大)時，AErms 平均值較大，處于高峰值范圍的信號較多。AErms 值還反映了磨削過程中的斷裂方式，對花崗巖而言，AErms 平均值小，處于低峰值范圍的信號多，則表示微破碎成分多、破碎能耗高。 
     雖然人們從不同角度對石材http://www.stonebuy.com/鋸切機理進行了大量研究，但由于巖石鋸切過程相當復雜，人們對鋸切過程物理本質的認識尚需進一步深入。巖石鋸切過程猶如一個黑箱，只能通過合適的測量儀器，建立輸入與輸出參數的對應關系。因此，目前建立的一些鋸切模型雖然在一定程度上反映了鋸切過程的規(guī)律，但還不能完全說明鋸切過程的物理本質。
  
     1.基體與切屑間的摩擦 2.基體被切屑和薄片磨蝕 3.第一薄片區(qū)4.石材http://www.stonebuy.com/與磨粒摩擦 5.塑性變形 6.彈性變形
     圖3 切割石材http://www.stonebuy.com/時刀具與工件之間的機械http://www.stonebuy.com/machine/作用

 
3 金剛石工具磨損機理的研究

     金剛石工具在鋸切石材http://www.stonebuy.com/等硬脆材料時，由于較高壓力、劇烈摩擦以及可能出現的高溫作用，金剛石磨料和基體均不可避免地會產生磨損。金剛石磨粒的磨損、脫落及基體的磨損決定了鋸切效果和工具壽命。Balogh指出，影響金剛石鋸片壽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、鋸片質量和操作者技術水平等。Liao Y. S.研究了金剛石圓鋸片切割花崗巖時金剛石燒結塊的磨損特性。研究表明：燒結塊的失效形式主要為沖刷腐蝕、氣穴腐蝕和磨損。英國學者Luo S. Y.對金剛石圓鋸片的磨損進行了卓有成效的研究。他早在1991年就進行了金剛石鋸片磨損的實驗研究。實驗所用鋸片直徑為205mm，片芯厚度為5mm，金剛石燒結塊的尺寸為40×7×10. 5(mm)；鋸片外圓速度為30m/s，進給速度為1m/min，切割深度為0.2mm；冷卻液為水；工件材料為印度紅花崗巖；用SEM 分析了金剛石磨粒的磨損情況，測量了鋸片磨損量及作用力。實驗結果表明：刀塊上的金剛石表面刻蝕凹坑很小時，工作面的磨損主要表現為金剛石顆粒的微觀破損和磨光，此時切割力較小，鋸片比較耐磨。相反，當金剛石表面有大量擴展性凹坑時，磨損形式主要為微觀破損和顆粒拔出，此時切割力較大且鋸片不耐磨。1996 年Luo S. Y.進一步研究了圓鋸片切割時金剛石的磨損特性，研究表明：鋸片失效主要是由于磨粒破損和拔出造成的，當超過三分之一的磨粒發(fā)生破損或拔出時，切割效率明顯降低，嚴重時甚至導致鋸片失效。H. K. Tönshoff 和     J.Asche 研究了金剛石工具切割石材http://www.stonebuy.com/時的磨損，建立了單顆金剛石切割石材http://www.stonebuy.com/的模型。該模型描述了金剛石圓鋸片切割石材http://www.stonebuy.com/時刀具與工件間的機械http://www.stonebuy.com/machine/作用(見圖3)，包括工件在切削力作用下產生的彈性和塑性變形、石材http://www.stonebuy.com/與金剛石之間的摩擦、石材http://www.stonebuy.com/與基體間的摩擦、切屑與基體間的摩擦等。研究認為，金剛石的磨損機理可分為四種類型：①粘著磨損：金剛石粘著在石材http://www.stonebuy.com/表面，并被剪切掉一部分；②摩擦磨損：巖石中的極硬顆粒刮擦金剛石表面；③擴散磨損：工件與金剛石之間的化學反應降低了金剛石的強度和硬度；④磨粒破碎：機械http://www.stonebuy.com/machine/過載、熱過載或疲勞引起的金剛石破碎。 
     國內也有不少學者對金剛石鋸片的磨損及失效形式進行了研究。北京有色金屬研究總院的宋月清等人通過對不同金剛石鋸片的切割性能和磨損表面形貌的觀察，分析了工具中金剛石顆粒的磨損形態(tài)與工具胎體磨損性能的關系以及對工具切割性能的影響，認為工具中磨平或拋光的金剛石對工具的切割性能不利，而新出刃和微破碎金剛石顆粒的增多則有利于提高工具的切割性能。北京市粉末冶金研究所的楊偉光等人對金剛石工具的磨損機理進行了研究。掃描電鏡觀測結果表明：金剛石工具的磨損包括輕微磨損和嚴重磨損兩種類型。輕微磨損包括金剛石的犁溝磨損、剝層磨損和點蝕磨損等形式；嚴重磨損包括金剛石碎裂磨損、胎體與金剛石界面擠出、離隙和整體脫離等形式。研究表明，金剛石工具的出刃高度h隨輕微磨損而減小，隨嚴重磨損而增大。金剛石的嚴重磨損雖可提高加工效率，但卻影響工具使用壽命。中南工業(yè)大學的王殿將研究了切割硬石料時金剛石鋸片的磨損機理。研究表明，金剛石鋸片有四種磨損機理：沖擊剪切、疲勞失效、顆粒拔出和熱影響。表面侵蝕是熱影響造成的，沖擊剪切和疲勞會導致金剛石顆粒的微觀破碎，而顆粒拔出會使單個顆粒的切削力增加。華僑大學的徐西鵬等通過對金剛石工具磨損機理的研究，認為金剛石在承受與花崗巖的直接摩擦、磨損的同時，還要受到花崗巖切削碎屑的沖擊與磨損，因此金剛石的磨損類型可歸納為磨粒磨損、沖擊磨損和流體中固體微粒引起的沖擊磨損。金剛石的實際磨損過程可經歷不同路徑，既可以是從完整晶型開始，經歷微破碎再到宏觀破碎，最后發(fā)生脫落，也可以是一開始就發(fā)生脫落。具體以何種方式磨損則取決于金剛石品質、所承受載荷和結合劑性能等。此外，還有不少學者對金剛石鋸片切割石材http://www.stonebuy.com/時的摩擦、磨損特性進行了研究，獲得了一些有價值的結論。

4 鋸切力的研究pic.stonebuy.com
     在石材http://www.stonebuy.com/鋸切過程中，鋸切力是一個非常重要的參數，鋸切力的大小不僅決定了加工機床的功率，而且還決定了工具所受的載荷，從而決定了工具的鋸切能力。由于金剛石工具所受鋸切力是作用于每個金剛石顆粒上的鋸切力的總和，因此有必要研究鋸切力、切屑與金剛石磨粒幾何形狀之間的關系，同時研究工藝參數對單個金剛石顆粒及整個工具切削性能的影響。 
     在對鋸切力的早期研究中，Tönshoff通過試驗獲得了單個金剛石磨粒上的作用力以及磨粒尺寸、進給量和進給壓力之間的關系。Tönshoff認為，進給壓力與切向力之比為5～15，因此進給壓力是主要的鋸切力分量；磨粒越大，作用于磨粒上的進給壓力越大；隨著進給量的增加，進給壓力將減小，這是由于切屑斷面積的增加導致金剛石磨粒破碎，產生的自銳效應使磨粒更為鋒利。 
     陳先通過研究認為，鋸切力包括巖石的破碎阻力、金剛石與巖石之間的摩擦力、鋸屑與金剛石和金屬胎體之間的摩擦力。顯然，巖石的破碎阻力與巖石的物理性能、化學成分、礦物組成以及鋸切工藝參數有關。盡管對花崗巖的破碎機理尚不完全清楚，但人們普遍認為，鋸屑的形成過程屬于脆性破壞，消耗的能量并不大，因此破碎阻力分量很小，僅占鋸切力分量的15%左右，而摩擦力造成的功率損耗約占鋸切功率的82%～87%。徐西鵬對鋸切力的研究也證明了這一點，研究結果表明：鋸切過程中的斷裂能及切屑動能均可忽略不計，其能量主要消耗在摩擦方面。 
     Jerro等人用有限元法分析了金剛石鋸片的切割過程，建立了切割硬脆材料的切削力計算模型。該模型除包括加工工藝及工具參數，如鋸片的圓周速度、進給速度、鋸片直徑、切割深度、磨粒尺寸、金剛石燒結塊的密度及分布情況外，還包括工件材料性能參數，如彈性模量、泊松比等。可利用有限元法先計算出單個磨粒的切割情況，然后計算出單個結塊及整個鋸片的切割力。 
     由于鋸切過程的復雜性和隨機性，對鋸切力的研究大都基于試驗以及根據試驗得到的經驗公式，理論研究相對較少。北京石油化工學院的周燦豐從理論上研究了金剛石圓鋸片鋸切石材http://www.stonebuy.com/時的鋸切力，通過借鑒G.Wener推導的有關公式得到了相關的理論公式，該公式反映了工件材料微觀結構分布不均勻和非線性特征對鋸切力的影響，但沒有考慮鋸切脆性材料時的特殊性。

5 結語
     綜上所述，迄今為止人們對金剛石工具鋸切石材http://www.stonebuy.com/等硬脆材料的鋸切機理和金剛石工具的磨損機理進行了大量研究，取得了不少成果。但由于鋸切過程的復雜性，這些研究大都處于探索階段，還有許多重大理論問題如鋸切過程的微觀機理、鋸切力的理論計算、金剛石磨粒的微觀磨損機理、金剛石磨粒與燒結基體或電鍍鍍層的微觀界面分析等亟待人們進一步深入探討和研究。