鋸片張力檢測方式和參數對鋸片張力的影響

李運海

(1.桂林特邦新材料有限公司,廣西 桂林 541004;2.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司 廣西超硬材料重點實驗室,國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西特種礦物材料技術創新中心,廣西 桂林 541004)

金剛石圓鋸片是目前加工各種硬脆材的主流工具,被廣泛應用在石材、建筑材料和工程施工領域。鋸片由外圓的切割單元金剛石刀頭和中心的基體構成,鋸片的直徑和厚度比一般都在150以上,屬于典型的薄壁工件。鋸片在工作過程中是沿軸高速旋轉,在鋸切過程中受到切削力、離心力、熱應力的交變載荷的作用[1-3]。在這些力的作用下,鋸片的各個部分容易產生不均勻的應力,相對很薄的基體容易產生軸向變形。而這些軸向變形會導致鋸片切割時抖動,切彎不走直線、切縫變寬、壽命降低、噪音變大等一系列問題,嚴重的甚至可能導致刀頭脫落造成安全事故。

為了解決這個問題,行業內技術人員進行了大量的相關研究。目前認為在現有的基體材料和工藝條件下對鋸片基體進行預張力處理,能有效地提高鋸片的切割穩定性,從而減少軸向變形帶來的一系列問題。想要在鋸片上預張力處理,就必須檢測出鋸片的張力分布狀況,才能針對性的處理。物理上鋸片的內部應力和張力的檢測和描述是很復雜的問題,但是我們其實需要的是鋸片整體的張力狀況,最好是能可視化,讓人能理解。目前定量檢測和描述鋸片張力的方法[4],較普遍有三種:一是人工按壓鋸片,在受力垂直方向上用刀口尺和塞尺檢測,鋸片中心下沉出現間隙的是“正張力”,鋸片兩邊下沉出現間隙的是“負張力”,塞尺檢測量是檢測位置的張力值;二是檢測鋸片的張力角度或者說中性角,在鋸片底部給鋸片施加一個力或位移,觀察垂直90°方向相應位置的位移量和方向,同一方向表示“正張力”,相反方向表示“負張力”;三是在方法二的基礎上,在鋸片受力90°位置上增加一個位移感應器,旋轉一圈采用電腦軟件自動檢測跳動和張力。上述三種方法,很明顯前兩種只能簡單判斷出張力是正還是負值,第三種才能有效可視化檢測出整個鋸片的張力狀態。

上述方式實現了檢測,接著就是校正鋸片的張力狀態。常見方法有錘擊法、輥壓法、噴丸法、加熱加壓法,其中碾壓法是最常用方法,最高效、最適用于工業生產的方法。但是應該給鋸片施加多大的張力值,才能使鋸片的工作狀態最佳,什么樣的切割條件需要預加多大的張力,這些參數是需要結合現場使用條件,包括鋸切設備、轉速、鋸片直徑、安裝夾盤大小等因素確定。即我們通過鋸片的跳動,張力等靜態參數,來保證鋸片高速旋轉切割這一動態條件下的性能。檢測到的張力值是隨檢測方法和參數變化的,所以用一種有效的,能與使用狀況等值的檢測方法和條件就非常重要。

1 試驗方法

本次試驗設計研究兩個方面:一是研究檢測夾盤直徑對鋸片張力的影響;二是檢測施加力對鋸片張力狀態的影響。

1.1 試驗設備和材料

DIEX的CTMC1/12D電腦張力檢測機;檢測夾盤一套,直徑Φ75 mm～Φ175 mm;規格Φ350 mm×25.4 mm×2.2 mm×24 mm的激光焊接金剛石鋸片。

CTMC1/12D張力檢測設備的檢測工作原理如圖1所示。

圖1 張力檢測設備工作原理

1.2 檢測條件

檢測示意圖如圖2所示,施力點位于水口底部下10 mm處,位移探測頭位于90°水口下3 mm處,探測頭距離基體3.6 mm。鋸片用夾盤固定在主軸上后,先旋轉一圈檢測鋸片跳動,之后施力點頂出,給鋸片施加力,在頂出狀態下旋轉一圈檢測張力,并顯示張力和跳動曲線。

圖2 張力檢測示意圖

2 試驗結果和分析

2.1 夾盤直徑與張力變化

使用80 N頂出力,在不同的夾盤直徑下檢測同一片Φ350 mm鋸片的張力,檢測條件如圖2所示,檢測結果如表1、圖3所示。

表1 不同直徑夾盤檢測張力狀況

圖3 夾盤直徑與張力跳動的變化

從表1和圖4的狀況看,隨著夾盤直徑的變大,檢測出的張力值在變小,從最大值到最小值,到張力范圍都在變小,直徑Φ350 mm的鋸片,使用直徑Φ150 mm的夾盤檢測張力最小值為0,最大值還有0.03,跳動0.03 mm;當夾盤增大到Φ175 mm,最大和最小張力值、跳動值都全部為0。整個比較好理解,夾盤越大,頂出力形成的力臂越小,不能使鋸片產生彈性變形,所以檢測張力值為0。這種狀況表明,不同直徑的鋸片應該建立一個對應使用檢測夾盤的直徑,否則檢測出來的張力會有較大偏差。

圖4 不同夾盤直徑檢測張力狀況

在實際應用中,反過來應用這個結論也可以,就是在鋸片張力和跳動偏大,切割質量不好時,可以采取加大鋸片夾盤直徑的方式來改善。但是加大夾盤直徑會減少切割深度,這個需要根據實際情況綜合考慮。

2.2 檢測頂出力與張力

用Φ100 mm直徑的夾盤,從頂出力40 N到160 N變化,檢測同一片鋸片的張力狀況如表2所示。

表2 不同頂出力下張力變化

從表2和圖5可以看出,在同一片同樣的檢測位置、同樣的夾盤下檢測,頂出力在80 N時,張力最小值,張力最大值和張力范圍三個值都達到最大,再繼續增大頂出力,這幾個值稍微減小,但是變化不大?？偟内厔菔琼敵隽?0 N到80 N,張力值變大;頂出力80 N到100 N張力減少,100 N到160 N,張力保持穩定。但總的來說,頂出力變化,張力值變化相對較小,最大僅0.05,但其中有一個頂出力,張力值會達到最大,其檢測張力圖如圖6所示。

圖5 頂出壓力與張力跳動的變化圖

圖6 不同頂出力檢測張力狀況

在實際切割時,頂出力可以認為是鋸片受到的軸向力,軸向力在某個值時會導致鋸片抖動值最大,小于或大于這個值,鋸片抖動又會減少,與鋸片切割的經驗相符合,特別是用手持切割機切割時體會更明顯。對此同行也有所研究,王真等[5]通過對比不同張力下的同規格鋸片的切割試驗數據,用5000 r/min手動切割機,測試了張力值在0.20～0.35,0.34～0.45和0.45～0.55三個張力范圍內鋸片的切割狀況,結果在張力0.34～0.45內的鋸片切割最平穩。

2.3 張力與實際應用的討論

鋸片的張力和跳動是影響鋸片切割質量的重要因素,實際的應用中也會發現有很多狀況:

(1)有不同廠家之間交流鋸片張力值相似,但是切割效果不同的狀況,其原因之一是張力檢測的條件和標準不同,導致張力實際是不同的。而且鋸片的張力描述不僅僅是一個數值,而且還是整個平面上的分布狀況,用圖來描述比單獨數值描述更能反映情況。

(2)鋸片的檢測方法與實際機器的安裝條件不同,導致切割質量不好。例如前面夾盤對張力影響很大,如果張力檢測的夾盤與實際機器使用夾盤不同,切割質量就可能導致不同。所以生產鋸片也必須了解切割設備的安裝應用狀況,才能匹配合適的張力。

(3)鋸片張力調整與切割機器轉速等不匹配導致鋸片抖動。這種狀況目前市場上反饋最多的是中直徑的手持高速切割機上,主要是國外歐美市場應用較普遍。目前雖然沒有教好的理論計算張力和轉速的關系,但是各個鋸片生產廠家都有對應的張力經驗數據,也基本能保證產品性能。

3 結論

鋸片的張力和跳動是影響鋸片切割質量的重要因素,是保證產品質量的前提。而鋸片張力檢測方式和檢測參數對張力值有很大的影響。

(1)檢測張力的夾盤直徑大小,對檢測出來的張力和跳動影響大,夾盤直徑越大,檢測出來的張力值越小,直到最后頂出力不能使鋸片產生彈性變形,張力和跳動都為零。

(2)檢測張力的頂出力對張力影響相對較小,增大頂出力,檢測出來的張力值增大;但是中間會有某一個值達到最大,后面再繼續增大頂出力,整體張力平穩。

(3)張力調整的范圍應根據實際使用的機器的安裝夾盤直徑,轉速等條件調整才能達到最佳使用要求。如果建立一套有效鋸片張力檢測的標準,這需要上游的鋸片基體生產廠家,中游的鋸片生產廠家,和下游的切割設備設計生產廠家及使用廠家聯合建立才能實現。