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韩权利　徐西鹏　华侨大学石材加下研究重点实验室

摘要：文章研究石材种类对锯切石材过程中的力的影响。应用自制型超薄锯片加工五种不同石材试样，通过测量石材锯切中的主轴消耗功率p，垂自与水平锯切力(Fv Fh)，以及锯切后试样表面的锯缝宽度B；分析了单位宽度锯切力、力比、比能随石材种类的变化；讨论了锯缝及其变化与石材种类变化间的依赖关系。结果表明，锯切消耗功率p与石材种类的强度性能S满足p=190.53S0.0115关系，其相关系数R1= 0 97330.5；锯切垂自力Fv与S满足Fv=-1703.6+ 55.551S-0. 1797S2指数关系，其相关系数R2 = 0 9690.5。锯缝宽度的平均值T与石材种类的硬度性能H满足T= 51.203-3.1407H + 7. 25×10-2H-2－7×10-4 + 3×10-6H4关系，其相关系数R3=0.99980.5；锯缝宽度的偏差t与石材种类的颗粒尺寸及颗粒间的连接强度密切有关。

关键词：锯切力　力比　比能　大理石　花岗岩

1引言

天然石板材因其优良抗环境能力和诱人的装饰性能，作为建筑材料广泛应用。荒料锯割是板材加工关键工序，直接影响着产品质量和价格。锯割过程中的力能研究一直是研究热点，许多研究者己经取得了一些有用的成果。然而，实验中试样主要为单一品种，通常忽略石材种类对锯切力的作用。实际上，石材种类对锯切效率、能量消耗均有重要的影响。文中选择6种石材(3种花岗岩，3种大理石)进行锯切实验，分析石材种类对锯切过程的影响作用。

2实验条件

实验在高性能锯机(HPM-1)上进行。锯切及测量系统见图1示，分别用GX3型功率计和K istlex9257B测力仪测量功率p和力(垂直力Fv、和水平力Fh)，力和功率信号经数模转换器输入处理系统，经软件处理，得到力和功率，锯切条件见表1，试样性能见表2。锯切材料在加工方向长度为130mm。冷却液为自来水。

实验使用自制整体式锯片，锯片基体直径380mm。锯齿尺寸40 mm x2mm x l0mm(长x宽x高)，个数28。金刚石ISD -1600，粒度30 /40。磨粒焊接到基体上。焊接温度1065℃，保温15min。

锯切石材前，用耐火砖开刃，直到消耗功率不变，才正式进行石材锯切实验。实验中，每切入采集一次锯切力和锯切功率，同一工作参数共采集三次。锯切实验结束后，在锯切加工方向选取五点测量锯缝宽度B，从平均值视为加工锯缝宽T。

3实验结果与分析

3.1实验结果

相同条件下不同石材种类石材的钎焊锯片锯切力(Fh，Fv)功率P锯缝宽度B变化如图2所示。

从图2可知：山西黑锯切功率最大，其次枫叶红，奶油白消耗功率最小。枫叶红锯切水平力最大，山西黑次之，奶油白锯切水平力最小。山西黑锯切垂直力最大，其次安娜米黄，奶油白的锯切垂直力最小。爵士白锯缝宽度最宽，山西黑次之，奶油白锯缝宽度最小。

3.2实验分析

3.2.1锯切力能随石材种类的变化

根据测量数据，计算得到切向和法向锯切力，进而得到单位宽度切向和法向锯切力(Ft’Fn’)，以及力比(Fv/Fn)和比能u

其中，T为锯缝宽度，实际计算用锯齿宽度近似代替。

单位宽度的锯切切向力和法向力，力比，比能，随石材种类的变化关系如图3所示。 

从图3可知，山西黑锯切中一位宽度切向力最大，其次枫叶红，奶油白单位宽度切向力最小。枫叶红单位宽度法向力最大，山西黑次之，奶油白单位宽度法向力最小。山西黑力比最大，其次枫叶红，旧西班牙米黄力比最小。山西黑比能最大，枫叶红次之，奶油白比能最小。

材料变化对锯切单位宽度切向力Ft’和比能的作用相同，这与材料物理机械性能有关。在石材种类含有微裂纹、方解石和硅石含量高时，其硬度低，富含裂纹和孔腔，表现为锯切消耗比能小。现在研究者普遍认为，材料的单轴压缩强度(uiaxial compressive strength UCS)决定合理效率的锯切消耗比能。锯切消耗比能小，切割过程浪费能量低。因此，锯切消耗比能与材料的强度间有极强的相关性。

锯切力比数值越小，也就是锯切切向力Ft明显小于锯切法向力Fn，表明金刚石磨粒难以“刻入”加工材料表面，锯切过程以压痕特征的磨擦耕犁为主，切屑变形很少发生，使得切削阻力降低。可见，锯切力比也与材料物理机械性能有关。

表3表示实验测量数据p与材料强度S间的数据拟合处理结果；表4表示实验测量数据Fv与材料强度S间的数据拟合处理结果。表3和表4拟合关系表明，锯切力和耗能与石材种类的强度有良好的相关性。

3.2.2锯缝随石材种类的变化

平均锯缝宽度、锯缝测量值的离散值，随石材种类的变化关系如图4所示。其中(a)表示测量的锯缝平均值T的变化，( b)表示测量值于平均值的差值t的变化，即t= B一T(2) 

从图4可知，爵士白锯缝最宽，旧西班牙米黄锯缝最窄;爵士白不同点锯缝测量值的离散性最小，安娜米黄不同点锯缝测量值的离散性最大。

表5表示实验测量数据B的平均值T与材料硬度H间的数据拟合处理结果。表5拟合关系表明，锯缝宽度平均值T与石材种类的硬度有良好的相关性。

材料的颗粒直径越大，颗粒间的连接强度越小，锯缝宽度越大，且锯缝宽度的分散性越大。这与材料破碎过程中的裂纹扩展和封闭的速率有关，单颗粒越细，颗粒间的联接强度愈高，裂纹扩展速率越慢，裂纹封闭速率越快，造成锯缝宽度的离散性减小。这是受石材种类颗粒直径以及颗粒间的连接强度共同作用，主要是颗粒连接强度影响的结果。

锯缝宽度主要山压应力作用下的裂纹初始速度和裂纹扩展速度决定，而颗粒直径尺寸为裂纹发生和扩展速度主要的决定因素，裂纹破碎发生在颗粒晶体内部和晶界处，而且后者为主。颗粒直径越大，磨粒间的连接强度越低，则裂纹生成和扩展的速率越大，造成锯缝宽度增加。这是受石材种类颗粒直径以及颗粒间的连接强度共同作用，主要是颗粒尺寸影响的结果。

4结论

六种石材的锯切实验表明，随着颗粒直径增加以及肖氏硬度的增加，锯切力增加。锯切力和耗能与石材种类的强度有良好的相关性。锯缝宽度平均值与石材种类的硬度有良好的相关性，锯缝宽度离散值与石材种类的颗粒尺寸及颗粒间的连接强度密切有关。

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