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金剛石刀具的磨損在石材加工中對切削力的影響
S.Tuchetta
摘要 用金剛石刀具進行石材加工是一種廣泛使用的方法，主要用于制造工藝標準產(chǎn)品和設(shè)計形狀，例如瓷磚、厚板、側(cè)石等等。切削力和切削能量可以用來檢測石材加工過程，但我們需要實證模型來選擇切削條件。在這方面，切削條件對切削力和切削能量的影響與理想切屑厚度有關(guān)，這些影響同樣與金剛石刀具的磨損有關(guān)。這篇文章中建立的實證模型可以用來預(yù)測切削能量的變動。因此，這些模型可以指導(dǎo)切削條件的選擇并且預(yù)測何時應(yīng)該更換刀具。切屑的產(chǎn)生和清除過程應(yīng)當分別滿足以下要求，一是符合刀具制造的參數(shù)要求，二是滿足切削過程參數(shù)的要求。
關(guān)鍵詞 石材 加工 電鍍金剛石磨盤 切削力 切削能量
術(shù)語 b 切削寬度（mm） d 磨機直徑(mm)
切削深度（mm） 當量磨削厚度（mm）
切削速度（m/min） 進給速度（m/min）
切削力沿進給方向的分量 （N） 切削力沿垂直于進給方向的分量（N）
徑向切削力（N） 切向切削力（N）
和的合力（N） β 和之間的夾角（°）
? 和之間的夾角 （°） θ 軋機和工件之間的接觸角（°）
1 介紹
切削力和切削能是能夠更好理解機械加工工藝的重要參數(shù)，因為它們與刀具磨損、切削溫度和表面完整性直接相關(guān)。在石材加工過程中，由去除石材的礦物成分使磨粒通過加工表面。了解石材加工過程中磨料之間相互作用的現(xiàn)行機制是有效使用切削過程的必要步驟。對切削現(xiàn)象的認識能使模型體現(xiàn)切削性能和控制參數(shù)的關(guān)系。
為了更好地控制切削過程，一個模型需要確定切割和控制參數(shù)之間的關(guān)系，同時相同的模型也應(yīng)該考慮金剛石刀具的磨損。
在石材切割文學(xué)中的研究比較少，Jerro展示了一個用來定義和推導(dǎo)理論切削幾何的數(shù)學(xué)方法[1]。由圖1，得知理論切削形狀、切削范圍和平均切屑的關(guān)系。徑向切削力和所獲得的切屑厚度的關(guān)系得到實證的研究。Brach 研究了在功率消耗中特定切削能的問題來轉(zhuǎn)換測力計讀數(shù)[2]。Asche 顯示了刀具磨損的過程參數(shù)的實證結(jié)果[3]。Tonshoff開發(fā)了一個由盤狀金剛石刀具工作地切割石模型，雖然沒有完全測試，但卻被廣泛地使用[4]。這個模型顯示了刀具的機械作用和工件的彈性及塑性變形，石材與金剛石之間的摩擦，石材與模型之間的摩擦。根據(jù)金剛石刀具的循環(huán)框架，Konstanty提出了一個天然石材的理論模型[5]。這些模型看起來并沒有經(jīng)過實驗測試。Pai收集和觀察了在掃描顯微鏡下的石材樣本，并且把他們聯(lián)系到比切削能[6]。Wang用單點切削刀具模擬了金剛石的切削過程，并且證明了切削力和字符凹槽有相似的趨勢[7]。Di Ilio展示了一個分析模型，用來預(yù)測谷物和石材的最大磨損率，它為磨損機理提供了證據(jù)[8]。它是基于刀具磨損率取決于兩個因素的假設(shè)：前者只有一個矩陣的特征，而后者只是一粒特性，兩者都需要實驗來驗證。Ersoy建立了一種比切削能、金剛石磨損和不同類型巖石的關(guān)系[9]。這些研究并不打算利用在石材加工過程中發(fā)生在工件表面的現(xiàn)象來給出一個系統(tǒng)的結(jié)論。
圖1 測力計測量的和
這些文獻提供了許多關(guān)于韌性和脆性材料在研磨方面的數(shù)據(jù)。Malkin提出了一個有趣的模型，它是關(guān)于磨削功率和速率之間的關(guān)系，以及切削表面磨粒生成和陶瓷件的相互作用[10]。他通過在特定的磨削部位，舍入三角形頂端的影響，來加深這個模型[11]。對金屬材料的磨削工作顯示了許多模擬切削力的方法[12]。他們基于經(jīng)驗主義[13]或是物理學(xué)的考慮[14,15]。
圖2 和力的組成
表1 Coreno Perlato Royal 和White Carrara石材的機械性能
材料性質(zhì)
Coreno Perlato Royal
White Carrara
密度[kg/]
2740
2705
吸水性[%]
4.0
0.06
耐壓強度[MPa]
163
131
楊氏模量[MPa]
72000
75000
撓曲強度[MPa]
12.8
16.9
抗磨損性
0.95
0.52
沖擊阻力[cm]
32
61
努普強度[MPa]
2001
1463
當前的通過電鍍金剛石加工的工作模型被廣泛應(yīng)用在石材加工中，包括磨機和磁盤。刀具以一個恒定的速度繞其軸轉(zhuǎn)動并勻速切入工件。刀具表面的金剛石磨粒通過石材的縫隙去除石材體積。切削過程主要受石材的機械—物理性能影響，例如粒度和強度：不同的礦石對切削機理、粘結(jié)劑的磨損和金剛石的磨損有不同的影響。影響這一過程的其他因素包括金剛石和原料之間的應(yīng)力、應(yīng)力在石材中的分布以及刀具和工件接觸表面的溫度。
這項工作地目的是研究切削力和切削能以及相關(guān)切削因素之間的關(guān)系，例如切削深度、進給速度，因此提供關(guān)于刀具磨損的不同看法。特別地是，這個加工條件是那些被證實得產(chǎn)業(yè)觀點中最有趣的一個。切削力和能量被建模成一個等效切屑厚度的函數(shù)，這個函數(shù)是一個刀具在不同階段磨損情況的簡單通用的冪函數(shù)。
在以下的模型中，為切削力和等效切削厚度以及切削能與當量磨削厚度或材料去除率的模型中，都可以通過磨機或磁盤體現(xiàn)。然后，他們測試了不同的工藝條件。
2 金剛石刀具在石材加工中的切削力
為了預(yù)測在金剛石磨削加工過程中切削力而提出的模型[17]。在石材加工過程中，切削力可以由放置在工件下的測力計測量出，如圖1所示。一個測力計可以分別測量出作用在工件上沿進給速度方向和沿垂直于進給方向的切削力的分量和。
由切向力和徑向力組成的切削力可以由結(jié)果計算所得。（見圖2）
=Rsin? (1)
=Rcos? (2)
其中：
?=β-Z×θ (3)
公式（3）中的參數(shù)Z取決于在在刀具A和工件C的接觸面上，弧線上合力R的應(yīng)用點的位置。
因此：
Z= (4)
在由測量和的標準來確定分量和之前，必須找到一些估計Z值標準的方法。如果切削深度是一個小的值，那么徑向切削力和法向切削力大致相同（見圖2）。對參數(shù)Z更準確的估計可以能通過實證研究發(fā)現(xiàn)，例如在[16]中的發(fā)現(xiàn)。在這項工作中，對于1mm的切削深度，采用0.5的值是可行的。
表2 實驗計劃
因素
級別編號
級別
切削深度
3
0.1—0.5—1.0
進給速度
3
200—400—600
切削速度
1
3000
磨機磨損階段
5
1—2—3—4—5
復(fù)制
3
總切削
135
圖3 五種刀具不同階段的磨損值
切向切削力和徑向切削力對當量磨削厚度由一個冪函數(shù)成比例。
=× （5）
=× （6）
其中：和是切削力系數(shù)，和是常數(shù)。
當量切屑厚度等于：
= （7）
它是由切削深度、提供能量和切削速度與分別確定。
可以得出結(jié)論，通過定義四個參數(shù)（，，，），由公式（5）和（6），可以模擬兩個切削力和。這些是大體上的方程，他們適用于不同切削因素和磨損階段。以下部分將給與證明。
3 切削力模型的驗證：金剛石球磨機磨損的影響
與磨機進行石材切削相關(guān)的模型驗證的詳情見[17]。
圖4 切削力分力的趨勢（進給速度=200mm/min）
圖5 切削力分力的趨勢（=200mm/min）
實驗是在一臺 Brembana Macchine數(shù)控加工中心上進行的，鉆石磨機通常用來加工直徑和高度分別為20mm和37.5mm的觀賞性石材。工件材料是Coreno Perlato Royal大理石，它主要由包含海藻化石的碳酸鈣組成，從藝術(shù)的角度來看，它有一種光點和暗斑。與眾所周知的White Carrara大理石相比，它的機械特性見表1。
試驗計劃如表2所示。它利用五個刀具磨損的典型條件，在刀具表面測量一個重要取樣標準的峰值。（圖3）
切削條件由當量切屑厚度體現(xiàn)。為了減小系統(tǒng)誤差的影響，實驗的切削按照一個隨機的順序進行。切削力和已經(jīng)由 Kistler 壓電測量儀（9257型）測出。
在這項實驗中，我們通過提出的模型來分析刀具磨損的影響。具體來說，為了測量在不同刀具磨損條件下切削力的組成，我們進行了一系列的實驗。切削力分量得到了各自條件下的測量：在切向方向的和正常方向的。
在公式5和6中對實驗數(shù)據(jù)的回歸分析的恒定值與刀具磨損有關(guān)。特別是對于不同的磨損條件，它可能驗證已提出模型的適用性。所有的回歸分析滿足假設(shè)殘差的正態(tài)性和均勻性。圖4顯示的是在五個不同的磨損條件下，當量且屑厚度的切削力分量。從圖中可以得知，在測試條件為的最大值時，隨著磨損的增加，切削力分量大約從30N上升到60N。
圖7 切削力分力的趨勢（=400mm/min）
圖5顯示的是在五個不同的磨損條件下，當量且屑厚度的切削力分量。從圖中可以得知，在測試條件為的最大值時，隨著磨損的增加，切削力分量大約從70N上升到300N。圖6、7、8和9顯示，在五種磨損條件下，以當量切屑厚度為基礎(chǔ)的，進給速度為400mm/min和600mm/min時的切削力大小。同樣在這種情況下，我們可以注意到，隨著刀具磨損的增加，切削力的分量有一個急劇的上升。
回歸分析通過考慮其他的“線性和非線性模型有關(guān)力和工藝參數(shù)，認為所提出的模型更好并且更簡單。
圖8 切削力分力的趨勢（進給速度=600mm/min）
圖9 切削力分力的趨勢（進給速度=600mm/min）
4 切削機理和表面質(zhì)量
加工后的表面在光學(xué)顯微鏡下檢查裂紋和碎屑。通常如圖10所示的缺陷報告圖用于樣品。
金剛石磨粒的主切削過程如圖10所示。在較小切削深度的條件下，大理石的破壞變形主要為塑性變形。隨著切深的增加，塑性變形變?nèi)?，然而切削表面的橫向裂紋增加。一些小的橫向裂紋出現(xiàn)在鱗片狀的凹槽底面，帶有碎石粉末的塑性變形區(qū)仍然在切槽的底部。破碎帶作為一個連續(xù)的部分，同時剪切裂紋沿著破碎帶的邊界。
沿著相對于刀具正價方向，對每一個已加工表面進行粗糙度測量。圖11顯示的是在進給速度為200mm/min時，五種刀具磨損條件下徑向切深下的粗糙度讀數(shù)。由圖11得知，粗糙度不取決于切削深度，并且隨著磨損的加劇它的假定下降值。這是因為事實上隨著磨損加劇，表面不規(guī)則度減小，磨損的鉆石投影更少的矩形，投影更多的圓形。進給速度為400mm/min和600mm/m
圖10 進行磨粒切削的大理石的切削機理
圖11 五種刀具磨損值的Ra值
5 結(jié)論
本研究建立的在天然石材加工上的模型，用于計算切削功率和能量，具體來說，提出的模型驗證了先前關(guān)于用金剛石刀具加工天然石材的研究。為了測試切削模型進行的實驗測試取決于刀具的磨損情況，回歸模型顯示了在不同刀具磨損情況下的適用性?？偠灾?，本研究使人們用銑床和金剛石涂層磁盤加工工作天然石材時確定簡單模型來預(yù)測切削力和能量稱為可能，該模型還可以預(yù)測與刀具磨損相關(guān)的切削功率。
感謝 本研究由意大利 M.I.U.R.資助進行。
參考文獻
1. Jerro HD, Pamg SS, Yang C, Mirshams RA (1999) Kinematics analysis of the chipping process using the circular diamond saw blade. Transactions of ASME: Journal of Manufacturing Science and Engineering 121:257–264
2. Brach K, Pai DM, Ratterman E, Shaw MC (1988) Grinding forces and energy. Transactions of the ASME: Journal of Engineering for Industry 110:25–31
3. Asche J, T?nshoff HK, Friemuth T (1999) Cutting Principles, wear and applications of diamond tools in the stone and civil engineering industry", Proceedings of Diamond tools Conference, pp. 151–157
4. T?nshoff HK, Warnecke G (1982) Research on stone sawing, Advances in Ultrahard Materials Applications Technology, P. Daniel, Hornbeam, ed. England, Vol. 1, pp. 36–29
5. Konstanty J (2002) Theoretical analysis of stone sawing with diamonds. Journal ofMaterials Processing Technology 123:146–154
6. Pai DM, Ratterman E, Shaw MC (1989) Grinding swarf. Wear 131:329–339
7. Wang CY, Clausen R (2002) Marble cutting with single point cutting tool and diamond segments. International Journal of Machine Tools & Manufacture 42:1045–1054
8. Di Ilio A, Togna A (2003) A theoretical wear model for diamone tools in stone cutting. International Journal of Machine Tools & Manufacture 43:1171–1177
9. Ersoy A, Buyuksagic S, Atici U (2005) Wear characteristics of circular diamond saws in the cutting of different hard abrasive rocks. Wear 258:1422–1436
10. Hwang TW, Malkin S (1999) Grinding mechanisms and energy balance for ceramics. Transactions of the ASME: Journal of Manufacturing Science and Engineering 121:623–631
11. Hwang TW, Malkin S (1999) Upper bound analysis for specific energy in grinding of ceramics. Wear 231:161–171
12. T?nshoff HK, Peters J, Inasaki I, Paul T (1992) Modelling and simulation of grinding processes. Annals of the CIRP 41/2:677–688
13. Chen X, Rowe WB, Allanson DR, Mills B (1999) A grinding power model for selection of dressing and grinding conditions. Transactions of the ASME: Journal of Manufacturing Science and Engineering 121:632–637
14. Law SS, Wu SM (1973) Simulation study of the grinding process, Tran. ASME: Journal of Engineering for Industry11:972–978
15. Decneut A, Peters J, Snoeys R (1974) The significance of chip thickness in grinding. Annals of the CIRP 23/2:227–237
16. Br?uning (2000) Production and properties of synthetic diamond
grit. Diamante 5:60–69
17. Polini W, Turchetta S (2004) Force and specific energy in stone cutting by diamond mill. International Journal of Machine Tools and Manufacture 44:1189–1196