超硬磨料在硬脆材料切割中的应用

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1、#26#5金刚石与磨料磨具工程6超硬磨料在硬脆材料切割中的应用250061山东大学机械工程学院高伟刘镇昌DeBeers工业钻石部PhilipBex,GraceZhang摘要本文概述了硬脆材料切割中使用超硬磨料的几种典型切割方法。常用的硬脆材料的切割方法有:金刚石锯片切割,金刚石框架锯切割,金刚石带锯切割,金刚石串珠锯切割等。这此切割方法各有其特点,用途各异,也各有其局限性,除了金刚石串珠锯外,一般都难以切割曲线,并且切缝较宽,出材率低,不适用于贵重材料的切割。本文还比较详细地介绍了较先进的线锯切割的几种方式,指出环形电

2、镀金刚石线锯切缝窄,特别适合切割贵重的硬脆非金属材料,并且切割速度高,能充分体现金刚石磨料的卓越性能,是应用前景非常广泛的切割方法。文中最后探讨了超硬磨料切割技术的发展方向。主题词超硬磨料硬脆材料切割金刚石1概述硬脆材料是指硬度高、脆性大的材料,通常为非导电体或半导体,如:各种石材、宝石、玻璃、硅晶体、石英晶体、硬质合金、陶瓷和稀土磁性材料等。随着工业的发展,硬脆材料在各个领域的应用日益广泛。在硬脆材料的各种加工方法中,切割加工占有很重要的地位,对脆性材料的切割大致有以下要求:高效率、低成本、窄切缝(材料利用率高)、无

3、损伤、无环境污染。近十几年来,随着超硬材料的迅速崛起,硬脆材料的切割加工发展较快,新工艺、新设备、新方法不断涌图1硬脆材料切割方法分类现。超硬材料主要指金刚石和立方氮化硼(CBN),它锯自19世纪中期开始在欧洲制造[1],1965年以来由于们以单晶、聚晶及薄膜等形式出现,是当今世界高科技人造金刚石的大量上市,金刚石圆片锯作为切割工具领域中最有活力、最有前景的材料之一。金刚石是世今天已进入全盛时期。这种设备具有操作方便、效率界上已知最硬的物质,并具有高导热性、高绝缘性、高高、加工质量好等优点,但噪音较大,刀片刚性差。切化

4、学稳定性等多种优良性能,可用于铝、铜等有色金属割过程中锯片易产生振摆、跑偏,导致被切割工件的平及其合金的高效精密加工,特别适用于加工硬脆非金行度差。锯片主轴难以承受较大的锯片,使切割过程属材料。中产生摆动,而不能切出直线,尽管增加锯片厚度可以立方氮化硼的硬度仅次于金刚石,具有高化学稳提高其刚性,但仍难以保证切片的平行度。另外,增加定性,高热稳定性等优良性能,特别适用于加工黑色金厚度不仅增加了锯片成本,而且使锯缝宽度增加而降属材料及其合金。超硬材料的独特性能决定了其在各低了出材率[2]。外圆切割的线速度较高,可达50m/

5、s,种工程材料尤其是硬脆材料的切割加工领域将有广阔锯切深度受到锯片直径的限制,一般不超过直径的三的发展前景。分之一。目前,锯切深度一般不超过1米,1997年德2硬脆材料的切割方法国研制成功直径达5米的圆锯片芯片,据称是世界之当前,按切割工具形状分,硬脆材料的切割方法可最[3]。外圆切割主要用于石材的切割,房屋、桥梁、路分为如图1所示的几种。面等建筑的拆除、改建。为提高生产率,生产板材多用2.1圆锯片切割先进的多片式圆片锯,一般不超过30片,多者可达55按切割形式,圆锯片切割又分为外圆切割和内圆片[9~11]。切割两种。

6、外圆切割机以锯片外圆周上的金刚石磨粒内圆切割机是利用圆锯片内孔圆周上的金刚石磨作为切割刀刃,是应用较早的切割方法。金刚石圆片料作切割刀刃,周边被张紧在一个框架上,因此,内圆2001.3(123)#27#切割片的刚性好,可做得很薄,目前最薄可达0.1mm。线锯可分为三种:钢丝锯、金刚石线锯和金刚石串内圆切割的切缝窄,材料利用率高,机床易于调整,切珠锯。割晶体质量高,对材料损伤极小。由于其显著优点,因2.3.1钢丝锯此,内圆切割在硬脆材料的切割领域中应用广泛,发展钢丝锯分为单线式和多线式两种,但常用多线式。迅速,特别适于切

7、割硅晶体、陶瓷及硬质合金等硬脆材多线式钢丝锯原理如图2所示,是利用一根钢丝缠绕料。但是,内圆切割只能进行直线切割,无法切割曲在一组锯丝导轮上,形成一排以一定间隔排列的切割面。线,切割时,钢丝按一定方向运动,同时工件和钢丝相2.2带状工具切割互压紧,当含有游离磨料的切割液浇注到工件和锯丝框架锯是一种古老的使用带状工具的切割设备,之间时,锯丝快速运动将切割液带入工件切缝,产生切[12,13]人们对框架锯切割原理进行了深入的研究。现削作用。切割液通常为磨料和矿物油按一定比例混合代框架锯的工艺参数在一定范围内可自动调节,连杆而

8、成。常用的磨料为碳化硅。行程可实现不停机自动补偿。目前,世界上最大的框架锯一次可安装180根锯条,能切出10mm厚板材,锯条行程为80cm,采用双连杆驱动,可确保锯路的直线[3]性。框架锯是生产花岗岩、大理石板材的常用机械设备,特别适合生产大尺寸板材。根据切割介质分,框架锯有使用游离磨料的,也有使用固结磨料的。使用游离磨料的框架锯