石材高速切割技巧及加工参数优化

石材属于硬脆性材料，肖氏硬度达到100HS，相当洛氏硬度70HRC的淬火钢，硬度高，只有金刚石刀具才能切削。石材抗弯强度很低，仅为190MPa左右，不如铸铁的1/2，所以脆性大，刀具切削时极易在工件边缘产生破损，加工性差。

1.石材圆锯机

石材圆锯机按加工材质分有大理石专用机、花岗岩专用机等，结构形式有龙门式、桥式、四柱式和悬臂式。

2.PCD金刚石锯片

（1）成分 由于石材硬度高，莫氏硬度大多在5～7（相当1100～1200HV），因此均采用人造金刚石刀头。金刚石刀头采用金刚石粉配制，有三种配方：A型，金刚石颗粒40～50μm，浓度28%；B型，金刚石颗粒40～50μm，浓度30%；C型，金刚石颗粒40～50μm，浓度22%。其中，A、B型用于切割混凝土，C型用于切割花岗岩。

（2）锯片尺寸规格 直径为ϕ（100～5500）mm，厚度为1.8mm、2mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm。

（3）几何角度 前角γ_o=5°～10°，后角α_o=10°～12°，侧后角α_f=3°～5°

（4）对锯片的要求（图2-166） 由于石材硬而脆，锯片在切削过程中，要承受强冲击、高温、挤压、扭曲、摩擦等作用，工作环境恶劣，因此刀体强度要高、平整和刚性要好，并应有一定的韧性。刀体材料大多为65Mn钢，硬度42～48HRC，强度960MPa，韧性大。锯片铣刀的精度：外圆顶齿跳动＜±0.015mm，侧面跳动＜±0.025mm，相邻两齿跳动＜±0.01mm，刀头表面粗糙度值小于Ra0.3μm。

图2-166 PCD金刚石锯片

由于刀片薄，切割总的深度大，因此排屑比较困难。为此将刀头的齿形做成平齿、左右倒角齿、梯形齿、左、右斜齿、圆弧齿和锥形齿等形状（图2-167）。相邻两齿齿形和齿高也不一样，如平齿和梯形齿组合，梯形齿比平齿高0.2～0.3mm，要根据加工锯片的宽度、加工材料、切割深度等进行优化组合。

图2-167 锯片刀齿结构形式

3.切削用量的选择

山东石材工程技术研究中心对五莲花花岗岩进行了实验研究，刀具直径ϕ210mm，金刚石颗粒粒度45～50μm，浓度为22%，节块数量24，节块宽度3.8mm，节块长度20.8mm。选择切削速度v_c、进给速度v_f和背吃刀量a_p三因素对切削力的影响，如图2-168～图2-170所示。

从图2-168～图2-170可以看出：切削力随切削速度的增加而减小，因切削速度提高后，单位时间内参与切削的金刚石颗粒数增加，使切削力降低。但进给速度和背吃刀量增大，切削力增大；因进给速度增大，单位时间内的材料切除体积增大，导致切削力增大。当背吃刀量增大时，圆锯片的切削体积增大，使切削力增加。

图2-168 各因素对切削力F_X的影响

图2-169 各因素对切削力F_Y的影响(www.xing528.com)

图2-170 各因素对切削力F_Z的影响

中南大学杨柳、杜高峰对花岗岩进行切割试验研究，其结果见表2-26所示。

表2-26 花岗岩快速浅切和慢速深切对比试验

从表2-26可以看出：慢速深切消耗功率小，节省能量，刀齿磨损较慢，锯片使用寿命较长。快速浅切，切屑厚度大，切削力大，切削刃易破碎，切屑体积大，不易从槽中排出，对刀体的磨损加大，减弱对金刚石的包镶，使很多金刚石没有完全利用便脱落了。因此快速浅切时，锯片磨损大，寿命短。

综合考虑，切割天然或人造大理石、花岗岩的切削用量：切削速度v_c=1200～2000m/min，进给速度v_f=300～400mm/min，背吃刀量a_p=20～40mm。

4.加强冷却

石材的硬度很高，金刚石锯片切割的线速度又很高，在1000m/min以上，切削区的温度在1000℃以上。而当切削温度达到500℃时，硬度会明显下降；当切削温度达到700℃时，金刚石开始石墨化，会丧失切削能力。所以高速切割石材时一定要加强冷却，一般加水溶性切削液。使用面铣刀铣平面时，由于使用的切削速度低，吃刀量很小，切削温度一般不会超过300℃，对金刚石刀具的硬度影响较小；同时，切削区温度在200～300℃范围内，使金刚石的硬度有一定的下降，但金刚石的抗弯强度有所提高，提高了金刚石的抗破损能力，提高了刀具的使用寿命。另一方面，切削区的温度高（在200～300℃范围），能使石材的硬度有一定程度下降，即脆性降低、塑性提高，有利于切削刃切削时的“脆塑转化”，为切削加工创造了有利条件。

5.切割噪声与降噪技术

圆锯片在高速切割过程中会产生很大的噪声，高频部分甚至达到110dB上，会严重污染环境，危害人的健康。

（1）噪声的来源

1）空转噪声。空转噪声由空气动力噪声和共振噪声组成。空气动力噪声是圆锯片高速旋转时，锯齿周期性的激励周围的空气介质而产生的，主要由齿尖噪声、涡流噪声和排气噪声组成，与齿间噪声与锯片的直径和线速度有关，排气噪声的声功率随着线速度的增加而增大。锯片在高速旋转时，当涡流分离的频率与锯片的固有频率相接近时，就产生共振噪声。不同的圆锯片和不同的转速，会产生不同的涡流分离频率，因此，一般情况下，圆锯片在某一转速范围内会产生不同特性的“啸声”。

2）切割噪声。切割噪声是圆锯片切割时，刀齿对工件产生周期性的冲击引起工件产生振动噪声。尤其在切割薄板件时（包括铝合金、塑料、酚醛树脂板），会在工件交接面处产生受迫振动而诱发出工件噪声。对于工件产生的噪声，可以通过夹紧或压紧工件的方法来减弱。由于圆锯片较薄，切削的反作用力使锯片本身产生振动而引发产生锯片噪声，这种噪声往往不能减弱，这是锯片本身大而薄的本性决定的，可以适当降低锯片的转速。

（2）噪声的控制

1）设计合适的加工参数。加工参数主要包括圆锯片直径、厚度、转速、切削速度和吃刀量。圆锯片的直径是由切割料的总厚度决定的，而锯片的厚度应尽量采用较薄的，否则会影响毛料的出材率。通常情况，在能满足加工质量和加工效率的条件下，尽量降低圆锯片的转速可以有效地降低工件、锯片的振动而引发的噪声和空气动力噪声。研究表明：锯片转速降低50%，空气动力噪声会降低15dB，转速降低25%，噪声降低6～8dB。

图2-171 降噪斜槽

2）改变锯片结构。采用不等齿锯片，可以明显降低噪声。在圆锯片的刀体上开降噪槽，改变圆锯片的对称性，改变锯片的热应力分布状况，降低锯片的温度梯度，可以起到散热作用；同时可以阻止共振波，对降低噪声有一定效果（图2-171）。经试验，对于ϕ500mm的圆锯片，开三个长度100mm，倾斜45°降噪声效果最好。切缝宽度在0.1～1.0mm，在圆锯片的刀体上选择特定的位置，采用激光切割开出细小的缝隙槽，使锯片的几何结构产生不连续性，割断了刀体圆周上的振动传到中心的振动线，扰乱了“啸声”的产生机制，从而可对离散噪声进行控制。试验表明：可以有效降低切削噪声10～16dB。另外，切割时加切削液不仅可以冷却刀具，还可以起到一定减振和降噪的作用，并可屏蔽噪声外传。