CN111036920B - 一种仿生金刚石圆锯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生金刚石圆锯片及其制备方法，本发明的仿生金刚石圆锯片包括基体，基体外边缘的排料槽结构，以及相邻排料槽间均匀分布的仿生锯齿结构。所述的仿生锯齿结构为基于典型贝壳毛蚶非光滑体表设计，将锯齿结构制备为类似毛蚶体表表现的凹凸波纹阵列。本发明圆锯片适用于石材、混凝土、陶瓷等硬脆材料的锯切加工，不仅具有耐磨性强，锯切阻力小等优点，降低锯切功耗，减少生产成本。

Description

一种仿生金刚石圆锯片及其制备方法

技术领域

本发明属于机械工程领域，具体来说涉及一种基于毛蚶非光滑体表形貌的仿生金刚石圆锯片及其制备方法。

背景技术

传统金刚石圆锯片加工材料环境恶劣，实际加工过程中利用锯齿仿生锯齿(刀头)在高速旋转条件下去除工件多余材料，最终进行切断，在此过程中刀具承受高速碰撞、强烈摩擦并伴随大量热载荷综合作用下决定了锯片容易磨损、产生裂纹甚至断裂，大大降低锯切服役寿命和锯切质量。金刚石圆锯片普遍存在耐磨性不高、金刚石磨粒利用率低，服役寿命与加工效率相互制约问题一直未能解决，直接影响了工程进度以及能源产业转型升级。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种仿生金刚石圆锯片及其制备方法。

一种仿生金刚石圆锯片，包括基体和仿生锯齿；

所述基体的圆心处形成有轴孔，所述基体的外圈间隔设置有多个结构相同的仿生锯齿，在相邻的仿生锯齿之间的基体边缘处形成有排料槽；

所述仿生锯齿的两侧面形成有两侧正弦条纹，所述仿生锯齿的端面形成有外缘正弦条纹，所述两侧正弦条纹和外缘正弦条纹的曲线可通过以下公式表示：

y＝a sin(bx)

其中，0.1≤a≤0.3，1≤b≤3。

在上述技术方案中，所述基体采用65Mn、50Mn2V或75Cr合金材料，基体厚度2-2.8mm。

在上述技术方案中，所述基体的直径为300-400mm，所述轴孔为25.4mm。

在上述技术方案中，所述仿生锯齿厚度为2-4mm，长度为30-40mm。

在上述技术方案中，所述仿生锯齿的数量为20-24个。

一种仿生金刚石圆锯片的制备方法，按照下列步骤进行：

(1)将质量百分比为：Cu30％～40％、Fe10％～30％、Ni8％～10％、B3％～5％、Si4％～6％、Cr9％～12％的仿生锯齿胎体放入球磨机中进行机械合金化混匀，时长为0.5～2h；

(2)将浓度为8％～10％，粒度为50～60目金刚石与步骤(1)得到的仿生锯齿胎体混合料置入混料机内，充分混合2h～4h，得到仿生锯齿混合料；

(3)基于仿生几何数学公式y＝asin(bx)，其中0.1≤a≤0.3，1≤b≤3，制备仿生锯齿的模具，所述的模具由上、下相同对称模组成，其内表面形态为仿生锯齿外表面形态；

(4)仿生锯齿热压成型，高温烧结；

(5)退模、去毛刺；

(6)基体加工技术，为保证基体外圆和内孔尺寸精度利用激光切割机对合金钢板切割加工，热处理整平，表面磨平，测平直度，适张处理；

(7)激光焊接，将仿生锯齿与锯片基体焊接，制造仿生圆锯片；

(8)校准和休整；

(9)适张度。

本发明的优点和有益效果为：

本发明的圆锯片包括圆锯片基体，圆锯片基体外边缘的排料槽结构，以及相邻排料槽间均匀分布仿生锯齿结构。所述的仿生锯齿结构为基于典型贝壳毛蚶非光滑体表设计，将锯齿结构制备为类似毛蚶体表表现的凹凸波纹阵列。本发明圆锯片适用于石材、混凝土、陶瓷等硬脆材料的锯切加工，不仅具有耐磨性强，锯切阻力小等优点，降低锯切功耗，减少生产成本。

附图说明

图1是毛蚶贝壳形貌照片。

图2为本发明整体结构示意图。

图3为仿生锯齿局部结构示意图(一)。

图4为仿生锯齿局部结构示意图(二)。

图5为仿生锯齿锯切力测试图。

图6为传统锯齿锯切力测试图。

其中：1为基体，1-1为轴孔，1-2为排料槽，2为仿生锯齿，2-1为外缘正弦条纹，2-2为两侧正弦条纹。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例

如图2所示，一种仿生金刚石圆锯片包括薄圆板型基体1，基体中心处具有轴孔1-1，基体外边缘设有排料槽1-2，排料槽之间均匀分布仿生锯齿2结构，仿生锯齿面表面具有明显凹凸条纹(如图3、图4所示)，即锯齿端面外缘正弦条纹2-1及锯齿两侧面的两侧正弦条2-2，条纹的几何信息是利用逆向工程技术表征和测量贝壳体表结构表征，其近似表示式为y＝asin(bx)，其中0.1≤a≤0.3，1≤b≤3。锯齿厚度H，2≤H≤4mm，锯齿长度L，30mm≤H≤40mm，锯齿数目为20～24个。基体可采用65Mn、50Mn2V或75Cr合金材料；基体几何参数：外圆直径D，300mm≤D≤400mm、轴孔直径d，d＝25.4mm。

上述一种仿生金刚石圆锯片的制备方法，如下所述：

(1)仿生锯齿胎体由铜基材料组成，由质量百分比分别为Cu40％、Fe20％、Ni10％、B4％、Si5％、Cr11％的组分组成，上述组分在球磨机中进行机械合金化混匀，时长为1h。

(2)将金刚石与步骤(1)得到的仿生锯齿胎体混合料置入混料机内，充分混合3h，得到仿生锯齿混合料，其中金刚石浓度为10％，金刚石粒度为50～60目。

(3)将步骤(2)的得到的仿生锯齿混合料置放于金属磨具，并压制成型仿生锯齿，保压20min，压力为140Mpa。所述的模具由上、下相同对称模组成，其内表面形态为仿生锯齿外表面形态。

(4)将步骤(3)得到仿生锯齿在900℃进行真空高压烧结，保温5min。

(5)激光焊接仿生锯齿与锯片基体，制造仿生圆锯片，其中基体材料为65Mn、50Mn2V或75Cr。

(6)校准和休整。

(7)适张度，喷漆。

分析说明：

1、毛蚶(如图1所示)长期在海水潮汐冲蚀环境中，其体表承受因海水运动携带获得动能海沙、砂砾的强大冲击和反复磨损后未有明显的磨损痕迹，说明特殊体表是其能够长期生存在恶劣条件下还能保持正常生存的关键所在。贝壳受体表长时间受海沙、砂砾冲击受交变冲击载荷与岩石摩擦接触，表面没有明显磨损，其运动过程虽不同于锯片与石材的主动接触过程，但二者与介质之间的磨损形式均以固固接触中的冲击(蚀)磨损为主；另外，贝壳壳体表面磨损形式为磨粒磨损与金刚石圆锯片在微观条件下磨损形式一致。金刚石圆锯片磨粒磨损形式如下：一方面，部分金刚石磨粒在综合作用下脱落，脱落金刚石磨粒或石屑中硬质颗粒对胎体表面产生耕犁作用，使锯片胎体表面出现了非常明显的划痕；另一方面，湿切工作时锯切产生的碎石屑容易依附于锯齿及基体表面上，高速下碎屑研磨性很强，会对锯齿和基体产生反复磨损，造成锯齿和基体表面形成沟槽，降低锯片服役寿命。而贝类体表在砂砾等磨粒摩擦下具有如此优异性能，主要是其体表几何非光滑特征起到关键作用，贝壳体表上体表形态(如波纹形、棱形条纹、凸包和凹坑等)合理的排布可使体表受海沙、砂砾冲蚀后保持将滑动摩擦转化成受力较为均匀滚动摩擦，降低摩擦阻力，另外，这些非光滑体表将集中的外力载荷分解为多点载荷，具有分解冲击力的功能。因此，本发明以贝壳特殊非光滑几何特征为仿生蓝本设计耐磨减阻金刚石圆锯片。

2、本发明提取了毛蚶表面非光滑型凹凸形貌几何特征，建立数学模型y＝0.5sin(24×6x)。每个锯齿表面及侧面凹凸形貌表达式相同，式中在一个锯齿内0mm≤x≤38mm。所述锯齿厚度最大处为3mm，厚度最小处为2mm。

3、本发明建立石材-锯齿锯切过程物理模型，设置石材以及锯齿材料参数，基于有限元方法模拟石材-仿生锯齿相互作用过程，并分析仿生锯齿结构加工过程的石材失效特征和锯齿表面应力变化规律。

研究发现：(1)如图5图6所示在相同条件下，仿生锯齿锯切力与传统锯齿锯切力变化规律明显不同，仿生锯齿在非光滑结构作用下将相对集中较大载荷分解为较为分散的较小载荷，具有分解集中冲击载荷的功能，总体上降低了锯切阻力。(2)锯切石材过程仿生锯齿表面应力分布较为均匀，而传统锯齿表面应力分布较为集中，说明传统锯齿应力分布不均匀，锯齿抗冲击能力小。(3)非光滑结构破坏了原有的锯齿与石材连续接触状态，减小了单位面积内锯片与石材接触面积，增大了排屑空间，降低摩擦阻力。(4)传统锯片摩擦界面间距小，散热效果差，金刚石磨削点温度可达200℃～700℃，金刚石易“烧蚀”而过早碎裂，甚至导致石墨化，导致锯片过度磨损，然而非光滑表面在局部上增了石材与锯片的摩擦界面间距，不但增大了散热面积，还能够增大容屑量，降低了因摩擦效应引起“烧蚀”现象，增加了锯片的耐磨性。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种仿生金刚石圆锯片，其特征在于：包括基体和仿生锯齿；

所述基体的圆心处形成有轴孔，所述基体的外圈间隔设置有多个结构相同的仿生锯齿，在相邻的仿生锯齿之间的基体边缘处形成有排料槽；

所述仿生锯齿的两侧面形成有两侧正弦条纹，所述仿生锯齿的端面形成有外缘正弦条纹，所述两侧正弦条纹和外缘正弦条纹的曲线通过以下公式表示：

y＝asin(bx)

其中，0 .1≤a≤0 .3，1≤b≤3；

所述基体的直径为300-400mm，所述基体厚度为2-2 .8mm，所述轴孔为25 .4mm；

所述仿生锯齿厚度为2-4mm，长度为30-40mm；

所述仿生金刚石圆锯片的制备按照下列步骤进行：

步骤一、将质量百分比为：Cu30％～40％、Fe10％～30％、Ni8％～10％、B3％～5％、Si4％～6％、Cr9％～12％的仿生锯齿胎体放入球磨机中进行机械合金化混匀，时长为0 .5～2h，得到仿生锯齿胎体混合料；

步骤二、将浓度为8％～10％，粒度为50～60目金刚石与步骤一得到的仿生锯齿胎体混合料置入混料机内，充分混合2h～4h，得到仿生锯齿混合料；

步骤三、基于仿生几何数学公式y＝asin(bx)，其中0 .1≤a≤0 .3，1≤b≤3，制备仿生锯齿的模具，所述的模具由上、下相同对称模组成，其内表面形态为仿生锯齿外表面形态；

步骤四、仿生锯齿热压成型，高温烧结；

步骤五、退模、去毛刺；

步骤六、基体加工技术，为保证基体外圆和内孔尺寸精度，利用激光切割机对合金钢板切割加工，热处理整平，表面磨平，测平直度，适张处理；

步骤七、激光焊接，将仿生锯齿与基体焊接，制造仿生圆锯片；

步骤八、校准和修整；

步骤九、适张处理；

所述基体采用65Mn、50Mn2V或75Cr合金钢材料。

2.根据权利要求1所述的一种仿生金刚石圆锯片，其特征在于：所述仿生锯齿的数量为20-24个。