韓權(quán)利　徐西鵬　華僑大學(xué)石材加下研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

摘要：文章研究石材種類對鋸切石材過程中的力的影響。應(yīng)用自制型超薄鋸片加工五種不同石材試樣，通過測量石材鋸切中的主軸消耗功率p，垂自與水平鋸切力(Fv Fh)，以及鋸切后試樣表面的鋸縫寬度B；分析了單位寬度鋸切力、力比、比能隨石材種類的變化；討論了鋸縫及其變化與石材種類變化間的依賴關(guān)系。結(jié)果表明，鋸切消耗功率p與石材種類的強(qiáng)度性能S滿足p=190.53S0.0115關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)R1=?0?97330.5；鋸切垂自力Fv與S滿足Fv=-1703.6+?55.551S-0.?1797S2指數(shù)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)R2?=?0?9690.5。鋸縫寬度的平均值T與石材種類的硬度性能H滿足T=?51.203-3.1407H?+?7.?25×10-2H-2－7×10-4?+?3×10-6H4關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)R3=0.99980.5；鋸縫寬度的偏差t與石材種類的顆粒尺寸及顆粒間的連接強(qiáng)度密切有關(guān)。

關(guān)鍵詞：鋸切力　力比　比能　大理石　花崗巖

1引言

天然石板材因其優(yōu)良抗環(huán)境能力和誘人的裝飾性能，作為建筑材料廣泛應(yīng)用。荒料鋸割是板材加工關(guān)鍵工序，直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量和價格。鋸割過程中的力能研究一直是研究熱點(diǎn)，許多研究者己經(jīng)取得了一些有用的成果。然而，實(shí)驗(yàn)中試樣主要為單一品種，通常忽略石材種類對鋸切力的作用。實(shí)際上，石材種類對鋸切效率、能量消耗均有重要的影響。文中選擇6種石材(3種花崗巖，3種大理石)進(jìn)行鋸切實(shí)驗(yàn)，分析石材種類對鋸切過程的影響作用。

2實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在高性能鋸機(jī)(HPM-1)上進(jìn)行。鋸切及測量系統(tǒng)見圖1示，分別用GX3型功率計和K?istlex9257B測力儀測量功率p和力(垂直力Fv、和水平力Fh)，力和功率信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入處理系統(tǒng)，經(jīng)軟件處理，得到力和功率，鋸切條件見表1，試樣性能見表2。鋸切材料在加工方向長度為130mm。冷卻液為自來水。

實(shí)驗(yàn)使用自制整體式鋸片，鋸片基體直徑380mm。鋸齒尺寸40?mm?x2mm?x?l0mm(長x寬x高)，個數(shù)28。金剛石ISD?-1600，粒度30?/40。磨粒焊接到基體上。焊接溫度1065℃，保溫15min。

鋸切石材前，用耐火磚開刃，直到消耗功率不變，才正式進(jìn)行石材鋸切實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，每切入采集一次鋸切力和鋸切功率，同一工作參數(shù)共采集三次。鋸切實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在鋸切加工方向選取五點(diǎn)測量鋸縫寬度B，從平均值視為加工鋸縫寬T。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

相同條件下不同石材種類石材的釬焊鋸片鋸切力(Fh，F(xiàn)v)功率P鋸縫寬度B變化如圖2所示。

從圖2可知：山西黑鋸切功率最大，其次楓葉紅，奶油白消耗功率最小。楓葉紅鋸切水平力最大，山西黑次之，奶油白鋸切水平力最小。山西黑鋸切垂直力最大，其次安娜米黃，奶油白的鋸切垂直力最小。爵士白鋸縫寬度最寬，山西黑次之，奶油白鋸縫寬度最小。

3.2實(shí)驗(yàn)分析

3.2.1鋸切力能隨石材種類的變化

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，計算得到切向和法向鋸切力，進(jìn)而得到單位寬度切向和法向鋸切力(Ft’Fn’)，以及力比(Fv/Fn)和比能u

其中，T為鋸縫寬度，實(shí)際計算用鋸齒寬度近似代替。

單位寬度的鋸切切向力和法向力，力比，比能，隨石材種類的變化關(guān)系如圖3所示。?

從圖3可知，山西黑鋸切中一位寬度切向力最大，其次楓葉紅，奶油白單位寬度切向力最小。楓葉紅單位寬度法向力最大，山西黑次之，奶油白單位寬度法向力最小。山西黑力比最大，其次楓葉紅，舊西班牙米黃力比最小。山西黑比能最大，楓葉紅次之，奶油白比能最小。

材料變化對鋸切單位寬度切向力Ft’和比能的作用相同，這與材料物理機(jī)械性能有關(guān)。在石材種類含有微裂紋、方解石和硅石含量高時，其硬度低，富含裂紋和孔腔，表現(xiàn)為鋸切消耗比能小?，F(xiàn)在研究者普遍認(rèn)為，材料的單軸壓縮強(qiáng)度(uiaxial?compressive?strength?UCS)決定合理效率的鋸切消耗比能。鋸切消耗比能小，切割過程浪費(fèi)能量低。因此，鋸切消耗比能與材料的強(qiáng)度間有極強(qiáng)的相關(guān)性。

鋸切力比數(shù)值越小，也就是鋸切切向力Ft明顯小于鋸切法向力Fn，表明金剛石磨粒難以“刻入”加工材料表面，鋸切過程以壓痕特征的磨擦耕犁為主，切屑變形很少發(fā)生，使得切削阻力降低。可見，鋸切力比也與材料物理機(jī)械性能有關(guān)。

表3表示實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)p與材料強(qiáng)度S間的數(shù)據(jù)擬合處理結(jié)果；表4表示實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)Fv與材料強(qiáng)度S間的數(shù)據(jù)擬合處理結(jié)果。表3和表4擬合關(guān)系表明，鋸切力和耗能與石材種類的強(qiáng)度有良好的相關(guān)性。

3.2.2鋸縫隨石材種類的變化

平均鋸縫寬度、鋸縫測量值的離散值，隨石材種類的變化關(guān)系如圖4所示。其中(a)表示測量的鋸縫平均值T的變化，(?b)表示測量值于平均值的差值t的變化，即t=?B一T(2)?

從圖4可知，爵士白鋸縫最寬，舊西班牙米黃鋸縫最窄;爵士白不同點(diǎn)鋸縫測量值的離散性最小，安娜米黃不同點(diǎn)鋸縫測量值的離散性最大。

表5表示實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)B的平均值T與材料硬度H間的數(shù)據(jù)擬合處理結(jié)果。表5擬合關(guān)系表明，鋸縫寬度平均值T與石材種類的硬度有良好的相關(guān)性。

材料的顆粒直徑越大，顆粒間的連接強(qiáng)度越小，鋸縫寬度越大，且鋸縫寬度的分散性越大。這與材料破碎過程中的裂紋擴(kuò)展和封閉的速率有關(guān)，單顆粒越細(xì)，顆粒間的聯(lián)接強(qiáng)度愈高，裂紋擴(kuò)展速率越慢，裂紋封閉速率越快，造成鋸縫寬度的離散性減小。這是受石材種類顆粒直徑以及顆粒間的連接強(qiáng)度共同作用，主要是顆粒連接強(qiáng)度影響的結(jié)果。

鋸縫寬度主要山壓應(yīng)力作用下的裂紋初始速度和裂紋擴(kuò)展速度決定，而顆粒直徑尺寸為裂紋發(fā)生和擴(kuò)展速度主要的決定因素，裂紋破碎發(fā)生在顆粒晶體內(nèi)部和晶界處，而且后者為主。顆粒直徑越大，磨粒間的連接強(qiáng)度越低，則裂紋生成和擴(kuò)展的速率越大，造成鋸縫寬度增加。這是受石材種類顆粒直徑以及顆粒間的連接強(qiáng)度共同作用，主要是顆粒尺寸影響的結(jié)果。

4結(jié)論

六種石材的鋸切實(shí)驗(yàn)表明，隨著顆粒直徑增加以及肖氏硬度的增加，鋸切力增加。鋸切力和耗能與石材種類的強(qiáng)度有良好的相關(guān)性。鋸縫寬度平均值與石材種類的硬度有良好的相關(guān)性，鋸縫寬度離散值與石材種類的顆粒尺寸及顆粒間的連接強(qiáng)度密切有關(guān)。

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