| 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(dǎo)電體或半導(dǎo)體，如各種石材、玻璃、硅晶體、石英晶體、硬質(zhì)合金、陶瓷等。隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，硬脆材料的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)展，硬脆材料加工技術(shù)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質(zhì)精密零部件的加工中，鋸切加工是機(jī)械加工的第一道工序，鋸切加工成本占整個(gè)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種金剛石切割。由于金剛石是自然界已知的最硬物質(zhì)，其優(yōu)異性能決定其在石材等硬脆材料切割加工領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。
應(yīng)用金剛石工具鋸切硬脆材料的加工方式主要有：圓切割、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(diǎn)和應(yīng)用范圍，但其理和金剛石磨損機(jī)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，深入研究石材鋸切機(jī)理和金剛石切割工具的磨損機(jī)理對(duì)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(nèi)外專家學(xué)者對(duì)金剛石工具鋸切花崗巖的加工機(jī)理、金剛石工具的磨損機(jī)理以及鋸切加工過程中的鋸切力作了大量試驗(yàn)和研究，取得了令人矚目的成果，對(duì)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(dǎo)作用。
2 金剛石切割石材鋸切機(jī)理的研究
金剛石磨料通常通過燒結(jié)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(zhì)影響，巖石、陶瓷等硬脆材料的加工機(jī)理與金屬加工機(jī)理不同，且加工過程更為復(fù)雜。由于金剛石切割工具最早應(yīng)用于石材切割，因此對(duì)金剛石切割石材的機(jī)理研究較多。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)金剛石工具鋸切花崗巖的加工機(jī)理進(jìn)行了長期研究：從早期應(yīng)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(yīng)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(chǎn)生和擴(kuò)展規(guī)律、用聲發(fā)射信號(hào)評(píng)價(jià)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(fù)雜，因此對(duì)其切割機(jī)理的研究至今尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。
與磨削加工的研究類似，人們首先研究了切割加工時(shí)單顆金剛石顆粒與石材之間的作用機(jī)理。早期的試驗(yàn)研究表明：單顆粒金剛石在不同條件下切削花崗巖時(shí)，巖石的破壞方式主要以脆性崩碎為主；同時(shí)，根據(jù)不同的礦物成分，巖石中仍有塑性變形產(chǎn)生。
 圖1 單顆粒金剛石切割巖石的P.Bienert模型
 圖2 經(jīng)M.Meding改進(jìn)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(duì)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(yīng)力產(chǎn)生的剪切作用，巖石材料被破碎，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，巖石材料產(chǎn)生塑性變形而形成二次切屑，在一定的薄層內(nèi)形成光滑表面；③在磨粒后方，由于突然的彈性應(yīng)力釋放，導(dǎo)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(duì)金剛石磨粒切削巖石的切屑形成過程作了詳細(xì)描述，但未能深入研究切屑形成過程中切削區(qū)的應(yīng)力分布及其引起裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展規(guī)律，也沒有反映刀刃前下方壓實(shí)體的情況。
M.Meding對(duì)P. Bienert模型進(jìn)行了改進(jìn)(見圖2)，認(rèn)為切削過程存在三個(gè)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(fù)前角刀刃產(chǎn)生的壓應(yīng)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(duì)于石灰?guī)r和大理石，在與磨粒接觸的表面上形成一個(gè)塑性變形區(qū)，工件表面光滑(主要由壓應(yīng)力引起)，強(qiáng)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(huì)產(chǎn)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(xì)小的巖石顆粒組成的尾巴，由試驗(yàn)結(jié)果推斷，這主要是由于磨粒劃過后劃痕表面應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力所致。
國內(nèi)也有不少學(xué)者對(duì)花崗巖等石材的鋸切機(jī)理進(jìn)行了研究。徐西鵬等通過對(duì)花崗巖鋸切表面的掃描電鏡觀察認(rèn)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?jīng)Q定；花崗巖的主要構(gòu)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(shí)的擠壓作用將引起花崗巖的脆性斷裂，這是因?yàn)榛◢弾r石中存在各種缺陷和應(yīng)力集中，在擠壓作用下引起裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展，導(dǎo)致花崗巖的脆性破壞。
作為一種無損檢測(cè)方法，聲發(fā)射測(cè)量法已被用于切削加工的破損和磨損監(jiān)控、金屬以及巖石斷裂過程分析等方面。一些研究認(rèn)為，聲發(fā)射均方根值(AErms)與巖石的可加工性有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，巖石硬度與 AErms 值成正比。試驗(yàn)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(cè)量用洛氏硬度金剛石壓頭在TypFP3 NC 上進(jìn)行了單顆磨粒磨削試驗(yàn)，分析了聲發(fā)射信號(hào)與磨削深度、巖石種類、礦物成分等因素的關(guān)系。研究表明：單顆粒金剛石磨削花崗石時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)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(shí)，AErms 平均值較大，處于高峰值范圍的信號(hào)較多。AErms 值還反映了磨削過程中的斷裂方式，對(duì)花崗巖而言，AErms 平均值小，處于低峰值范圍的信號(hào)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(duì)石材鋸切機(jī)理進(jìn)行了大量研究，但由于巖石鋸切過程相當(dāng)復(fù)雜，人們對(duì)鋸切過程物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)尚需進(jìn)一步深入。巖石鋸切過程猶如一個(gè)黑箱，只能通過合適的測(cè)量儀器，建立輸入與輸出參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)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(zhì)。
 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.石材與磨粒摩擦 5.塑性變形 6.彈性變形圖3 切割石材時(shí)刀具與工件之間的機(jī)械作用
3 金剛石工具磨損機(jī)理的研究
金剛石工具在鋸切石材等硬脆材料時(shí)，由于較高壓力、劇烈摩擦以及可能出現(xiàn)的高溫作用，金剛石磨料和基體均不可避免地會(huì)產(chǎn)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(zhì)量和操作者技術(shù)水平等。Liao Y. S.研究了金剛石圓鋸片切割花崗巖時(shí)金剛石燒結(jié)塊的磨損特性。研究表明：燒結(jié)塊的失效形式主要為沖刷腐蝕、氣穴腐蝕和磨損。英國學(xué)者Luo S. Y.對(duì)金剛石圓鋸片的磨損進(jìn)行了卓有成效的研究。他早在1991年就進(jìn)行了金剛石鋸片磨損的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)所用鋸片直徑為205mm，片芯厚度為5mm，金剛石燒結(jié)塊的尺寸為40×7×10. 5(mm)；鋸片外圓速度為30m/s，進(jìn)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(cè)量了鋸片磨損量及作用力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：刀塊上的金剛石表面刻蝕凹坑很小時(shí)，工作面的磨損主要表現(xiàn)為金剛石顆粒的微觀破損和磨光，此時(shí)切割力較小，鋸片比較耐磨。相反，當(dāng)金剛石表面有大量擴(kuò)展性凹坑時(shí)，磨損形式主要為微觀破損和顆粒拔出，此時(shí)切割力較大且鋸片不耐磨。 1996 年Luo S. Y.進(jìn)一步研究了圓鋸片切割時(shí)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(dāng)超過三分之一的磨粒發(fā)生破損或拔出時(shí)，切割效率明顯降低，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致鋸片失效。H. K. Tönshoff 和J.Asche 研究了金剛石工具切割石材時(shí)的磨損，建立了單顆金剛石切割石材的模型。該模型描述了金剛石圓鋸片切割石材時(shí)刀具與工件間的機(jī)械作用(見圖3)，包括工件在切削力作用下產(chǎn)生的彈性和塑性變形、石材與金剛石之間的摩擦、石材與基體間的摩擦、切屑與基體間的摩擦等。研究認(rèn)為，金剛石的磨損機(jī)理可分為四種類型：① 粘著磨損：金剛石粘著在石材表面，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(kuò)散磨損：工件與金剛石之間的化學(xué)反應(yīng)降低了金剛石的強(qiáng)度和硬度；④磨粒破碎：機(jī)械過載、熱過載或疲勞引起的金剛石破碎。
國內(nèi)也有不少學(xué)者對(duì)金剛石鋸片的磨損及失效形式進(jìn)行了研究。北京有色金屬研究總院的宋月清等人通過對(duì)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(guān)系以及對(duì)工具切割性能的影響，認(rèn)為工具中磨平或拋光的金剛石對(duì)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(duì)金剛石工具的磨損機(jī)理進(jìn)行了研究。掃描電鏡觀測(cè)結(jié)果表明：金剛石工具的磨損包括輕微磨損和嚴(yán)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(diǎn)蝕磨損等形式；嚴(yán)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(yán)重磨損而增大。金剛石的嚴(yán)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(xué)的王殿將研究了切割硬石料時(shí)金剛石鋸片的磨損機(jī)理。研究表明，金剛石鋸片有四種磨損機(jī)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(huì)導(dǎo)致金剛石顆粒的微觀破碎，而顆粒拔出會(huì)使單個(gè)顆粒的切削力增加。華僑大學(xué)的徐西鵬等通過對(duì)金剛石工具磨損機(jī)理的研究，認(rèn)為金剛石在承受與花崗巖的直接摩擦、磨損的同時(shí)，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(shí)際磨損過程可經(jīng)歷不同路徑，既可以是從完整晶型開始，經(jīng)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(zhì)、所承受載荷和結(jié)合劑性能等。此外，還有不少學(xué)者對(duì)金剛石鋸片切割石材時(shí)的摩擦、磨損特性進(jìn)行了研究，獲得了一些有價(jià)值的結(jié)論。
4 鋸切力的研究
在石材鋸切過程中，鋸切力是一個(gè)非常重要的參數(shù)，鋸切力的大小不僅決定了加工的功率，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(gè)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(guān)系，同時(shí)研究工藝參數(shù)對(duì)單個(gè)金剛石顆粒及整個(gè)工具切削性能的影響。
在對(duì)鋸切力的早期研究中，Tönshoff通過試驗(yàn)獲得了單個(gè)金剛石磨粒上的作用力以及磨粒尺寸、進(jìn)給量和進(jìn)給壓力之間的關(guān)系。Tönshoff認(rèn)為，進(jìn)給壓力與切向力之比為5～15，因此進(jìn)給壓力是主要的鋸切力分量；磨粒越大，作用于磨粒上的進(jìn)給壓力越大；隨著進(jìn)給量的增加，進(jìn)給壓力將減小，這是由于切屑斷面積的增加導(dǎo)致金剛石磨粒破碎，產(chǎn)生的自銳效應(yīng)使磨粒更為鋒利。
陳先通過研究認(rèn)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(xué)成分、礦物組成以及鋸切工藝參數(shù)有關(guān)。盡管對(duì)花崗巖的破碎機(jī)理尚不完全清楚，但人們普遍認(rèn)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(duì)鋸切力的研究也證明了這一點(diǎn)，研究結(jié)果表明：鋸切過程中的斷裂能及切屑動(dòng)能均可忽略不計(jì)，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(jì)算模型。該模型除包括加工工藝及工具參數(shù)，如鋸片的圓周速度、進(jìn)給速度、鋸片直徑、切割深度、磨粒尺寸、金剛石燒結(jié)塊的密度及分布情況外，還包括工件材料性能參數(shù)，如彈性模量、泊松比等�？衫糜邢拊ㄏ扔�(jì)算出單個(gè)磨粒的切割情況，然后計(jì)算出單個(gè)結(jié)塊及整個(gè)鋸片的切割力。
由于鋸切過程的復(fù)雜性和隨機(jī)性，對(duì)鋸切力的研究大都基于試驗(yàn)以及根據(jù)試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式，理論研究相對(duì)較少。北京石油化工學(xué)院的周燦豐從理論上研究了金剛石圓鋸片鋸切石材時(shí)的鋸切力，通過借鑒G.Wener推導(dǎo)的有關(guān)公式得到了相關(guān)的理論公式，該公式反映了工件材料微觀結(jié)構(gòu)分布不均勻和非線性特征對(duì)鋸切力的影響，但沒有考慮鋸切脆性材料時(shí)的特殊性。
5 結(jié)語
綜上所述，迄今為止人們對(duì)金剛石工具鋸切石材等硬脆材料的鋸切機(jī)理和金剛石工具的磨損機(jī)理進(jìn)行了大量研究，取得了不少成果。但由于鋸切過程的復(fù)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(jī)理、鋸切力的理論計(jì)算、金剛石磨粒的微觀磨損機(jī)理、金剛石磨粒與燒結(jié)基體或電鍍鍍層的微觀界面分析等亟待人們進(jìn)一步深入探討和研究。
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