花岗石锯切过程中的锯切力特征

２００２．４（１３０）　・　１５　・　

花岗石锯切过程中的锯切力特征　

３６２０１　１　华侨大学石材加工研究省高校重点实验室　李远　黄辉　朱火明　徐西鹏　

摘要　本文通过测量和分析锯切花岗石过程中锯切力以及锯切功率，对锯片所受的单位宽度法向力　

和切向力Ｆ．　以及单颗金刚石磨粒所平均承受的法向力和切向力进行了研究。实验过程中在保持金刚石节块表　

面状态基本不变的情况下，对锯切深度　、进给速度ｖ　和锯片圆周线速度ｖ　进行了较大范围的变化。另外还对　

锯片磨损过程中锯切力的变化进行了跟踪测量。　关键词花岗石金刚石圆盘锯锯切锯切力特征　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｆｏｒｃｅｓ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｄｕｒｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｓａｗｉｎｇ　ｏｆ　ｇｒａ　ｎｉｔｅ　ｗｅｒｅ　ｍａｄｅ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｎｏｒｍａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ（Ｆｎ　）ａｎｄ　ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ（　）ａｃｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｅｇ－　

ｍｅｎｔｅｄ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｓａｗｂ｜ａｄｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅａｎ　ｎｏｒｍａｌ　ａｎｄ　ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ（　ａｎｄ　）ａｃｔｅｄ　ｏｎ　ｓｉｎｇｌｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｄｉａｍｏｎｄ　

ｇｒａｉｎ．１１１ｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｃｕｔ（ａ。），ｆｅｅｄ　ｒａｔｅ（　ｒ）ａｎｄ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｌｉｎｅａｒ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆｔｈｅ　ｓａｗｂｌａｄｅ（　），　

ｖａｒｉｅｄ　ｏｖｅｒ　ａ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｗｉｄｅ　ｒａｎｇｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｂｅｉｎｇ　ｋｅｐｔ　ａｔ　ａ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｓｔａｂｌｅ　ｓｔａｔｅ．Ｉｎ　

ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｆｏｒｃｅｓ　ｗｅｒｅ　ｔｒａｃｋｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｅａｒ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓａｗｂｌａｄｅ．　

ＫＥＹＷＯＲＤＳ　ｇｒａｎｉｔｅ；ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｓａｗｂ｜ａｄｅ；ｓａｗｉｎｇ；ｃｕｔｔｉｎｇ　ｆｏｒｃｅｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　１引言　的前提下，在很宽的锯切参数范围内通过测量锯切力　

花岗石板材的生产过程中，锯切加工是极为重要　和锯切功率来研究锯切过程中锯切力的变化特征；其　

的一道工序，其加工成本占了总成本的大部分，锯切加　次，再在节块从开始修锐到长时间连续切割的整个过　工的好坏不仅关系到本工序的加工成本，还直接关系　程中，研究锯切力的变化特征。并尝试通过建立有关　

到后续加工工序的效率和质量，从而很大程度上影响　锯切力的数学与物理模型，为进一步定量化描述与评　

了总成本的高低。目前锯切加工绝大部分采用金刚石　价锯切过程提供基础数据。　圆盘锯，相对于传统的砂锯而言，具有加工效率高，加　２实验方法　工质量好以及相对成本低等优点。　实验装置如图１所示，采用动态测力仪Ｋｉｓｔｌｅｒ　

锯片锯切花岗石的过程是锯片对花岗石不断磨削　９２５７ＢＡ监测锯切过程中的垂直力Ｆ　和水平力Ｆ＾，并　

的过程，锯片除了受到主轴传人的扭矩的作用外，还要　同时采用带模拟电压输出的ＧＸ３型三相功率电能表　

承受锯切弧区内花岗石对锯片的作用力。该作用力的　来监测加工中主轴电机所消耗的功率Ｐ，这些信号由　大小将影响锯片节块上金刚石的使用寿命、锯片基体　美国ＮＩ公司的ＤＡＱＣａｒｄ．ＡＩ．１６Ｅ．４型Ａ／Ｄ转换器采集　

和机台刚性以及主电机消耗的功率，从而最终决定锯　后传输并存储到微机中。　切毛板的质量和加工成本。　

切削力是包括磨削、切削以及锯切在内的几乎所　

有加工过程研究中最常用的一个过程参量。然而锯切　实验结果跟锯切系统有很大的关系，不同学者所得到　

的数据相互间的可比性比较差，因此只有在同样的锯　切实验系统下得到的有关加工过程的规律才具有代表　

性。本论文的实验研究过程中，采用两种不同的手段　分开来评价锯切参数和锯片节块表面状态变化对锯切　

力的影响。首先在保证金刚石节块表面形貌基本一致　

国家自然科学基金资助项目（５０１７５０３０）　图１锯切实验装置示意图　实验中采用的锯片直径ｄ。为３５０ｍｍ，锯片节块的　

尺寸为４０×８×３．６ｍｍ，金刚石粒度为５０／６０，

体积浓度　维普资讯 http://www.cqvip.com ・　ｌ６・　《金刚石与磨料磨具工程》　

为３０％。为了使实验过程中锯片节块表面状态保持　

一致，每次锯切行程后都用耐火砖对锯片进行修整。　进行变化锯切深度ａ　和进给速度　，实验时，锯片的　

转速固定为１　６００　ｒ／ｍ，工件的长度为１３０ｍｍ。实验中　采用清水冷却，每种实验参数组合都重复进行３次实　验以提高实验数据的可靠性。　实验采用了较易锯切的Ｇ６０３和较难锯切的Ｇ６５７　

两种天然花岗石作为工件材料，从结果的分析发现锯　

切这两种花岗石时锯切力的变化特征基本上相似，限　于篇幅，本论文只讨论锯切Ｇ６５７的情况。　

３实验结果与讨论　

实验中测得的典型信号经滤波后如图２所示。计　算时采用各信号的净增值的平均值。　

亭　一　簪　

图２典型锯切垂直力、水平力与功率信号图　实验过程中测量得到的是水平力和垂直力，而和　

加工过程实际相关的参量却是切向力和法向力，但在　

锯切深度比较大的实验过程中所测的水平力、垂直力　与切向力、法向力之间存在很大的差别。以往的关于　

锯切力的研究中存在着根本性的问题，那就是在将所　测的水平与垂直力转化为相应的切向与法向力时，如　

何确定锯切弧区内合力的作用点位置。在过去的研究　

中，一直借鉴磨削加工中的结果将此位置视为固　定“　。可实际上，这一位置随加工条件以及加工过　程的进行，是个变化的量，而且对锯切力的分析影响很　

大。为了准确转化所测锯切力，最可靠的办法是通过　

测量锯切功率进而获得切向力的数据，再结合垂直力　

和水平力共同求解出锯片所承受的法向合力　和切　

向合力　，并进而获得单颗磨粒承受的平均载荷。　

锯切过程中锯片的受力分析以及垂直力和水平力　的正方向规定如图３所示。　

３．１变化锯切深度ｏ。和进给速度　，时锯切力的变化　

特征　

将锯片的转速固定在１　６００　ｒ／ｍ，通过变化锯切深　

度ｎ　和进给速度　，来锯切花岗石，锯切垂直力　和　图３锯切花岗石时锯片受力分析示意图　

水平力ｎ随材料去除率Ｑ　（等于ｏ　和　，的乘积）的　

变化关系曲线如图４所示，其中（ａ）为顺切的情况，而　

（ｂ）为逆切的情况。由图可见，在固定锯切深度ｏ　的　

情况下，锯切垂直力Ｆ　基本上随着材料去除率Ｑ　的　

增加而线性增大，锯切水平力　除了在ａ。比较大的　

时候，都为负值，即与进给速度　，的方向相同，也就是　

说如果工作台能够自由滑动，锯切过程可以实现自进　

给。这也就说明锯片在比较锋利而且锯切深度不大的　

时候，能够把工件“抓”进去实现自进给锯切，随着锯切　深度的增大，锯切水平力逐渐变成正值，即锯片变成在　“拱”工件。　

由图３可知，锯片受到的合作用力：　

Ｆ＝￣／　＋　＝√Ｆ　＋　（１）　

ｎ　而锯切切向力Ｆ　＝　，ｖ　为锯片的圆周线速度，故有　Ｖ　ｓ　锯切法向力：　

＝￣／Ｆ　＋　一　（２）　

因此单颗金刚石磨粒平均承受的法向力ｆ

ｏ和切　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２．４（１３０）　・　ｌ７　・　

－Ａ－＆－ｂ－３　）＝３０　

Ｏ　１∞　Ｏ　３（Ｄ　４００　５∞　】Ｏ　。（叮１１　／Ｉｌ血１）　（ａ）顺切　

一。一ａ　＝　ｕ“　／　：　

０　１（）（Ｊ　２【ｘ】３Ｏ０　４００　５００　、　（ｃｍ：／ｎｍＯ　（ｂ）逆切　

图４不同。　下　与　随Ｑ　的变化曲线　

三　爹１　：一Ｑｎ　＝５（】＾　．　二：二亭　

－一＿　、——＿　．　

Ｉ　ｘ（Ｂｍ）　

一　一１ＵＵＬＩ１１／儿山Ｉ　一－＝－Ｑ、（￣　＇：＝２１∞５０　

一　

／　

．　ｏ—　

２５　３０　３５　４（】　４５　５【）　５５　｜ｌＪ－ｍ　（　ｍ）　（ｂ）逆切　

图５不同Ｑ　下锯切Ｇ６５７时　与　随＾　的变化曲线　

向力Ｃ分别为：　－，』　Ｃ—ｏＬ—ｃｂ　Ｃ—ａ—Ｌｃｂ　Ｃ　（４）Ｊ　一　一　＼叶／　

式中，Ｃ　为锯切节块表面平均单位面积实际参与切削　

的有效磨粒数；　为锯切弧区长度；ｂ为锯片宽度；Ｆｌ１，　

和Ｆ。　分别为单位宽度锯切法向力和切向力。　

单颗磨粒最大切削厚度ｈ一是研究加工过程中很　

重要的一个物理量，它直接影响到单颗磨粒的受力情　况，ｈ一的大小可以用下式计算　一：　

√南．　

（５）　

其中，０为切屑底部夹角的一半，这里取６Ｏ。，见图６。　

图６单颗磨粒未变形切屑及最大切削厚度示意图　

图５中给出了在不同的材料去除率Ｑ　下单颗金　

刚石磨粒平均承受的法向力　和切向力　与单颗金　

刚石磨粒最大切削厚度ｈ　的关系。由图中可见，在　

某一固定Ｑ　下，　和　基本上随着ｈ～的增大而呈线　

性增大。再结合公式（５）可知，在生产效率一定的情况　

下，采用大切深小进给的锯切参数组合有利于降低单　

颗金刚石磨粒所承受的锯切力。　工件相对锯片的水平直线进给运动将产生工件相　

对锯片垂直于锯切弧区方向的进给运动，该进给运动　使工件和锯片在锯切弧区内产生法向接触应为６ｎ，根　

据最近一个关于陶瓷高速磨削研究　和我们的研究结　果　表明．该接触应力与平均进给角ｅｌ４　应当存在一定　

的对应关系，假设：　

：　ｌ（ｔａｎｓ）　（６）　

＝Ｃ南ｂ＝矗ＣｏＬ　（３）而　一　一　而　ｔａｎｓ一　．｝√　

＼Ｊ　ｄ。　（７）　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　Ｏ　如加　ｒＪ　

：　㈨㈣∞０　Ⅲ舳　０　０　８　６　４　２　０　３　２　０　一ｚ一：＿ｌ　—ｚ）ｌＪ

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