1 引言

　　在石材鉆削中，由于金剛石鉆頭與石材之間的相對高速運動而在其接觸界面產生各種復雜摩擦學現象。金剛石鉆頭與石材之間的摩擦，由于石材導熱性差，大部分熱量傳到金剛石刀頭中，使金剛石鉆頭表面溫度升高，造成金剛石石墨化，金剛石切削能力降低，同時導致鉆頭基體產生熱疲勞，強度和剛度降低，加工石材時噪音增加，振動加劇，鉆頭壽命降低，嚴重時金剛石刀頭脫落，對操作者造成傷害，同時也影響加工質量和加工效率。研究金剛石鉆頭鉆削參數對其表面溫度影響，找出影響表面溫度因素關系和規律，確定合理加工參數，有利于提高金剛石鉆頭使用壽命和降低加工成本，提高加工質量。

　　2 實驗條件

　　金剛石刀頭采用Cu基金屬粉末，金剛石粒度為60～80目，采用燒結成型法壓制成型，刀頭焊接在高速鋼圓筒上。金剛石鉆頭直徑φ37mm，高5．6mm，寬2mm，基體直徑φ35．6mm，高度45mm。加工設備采用XK5032C型數控銑床，該設備實現X軸、Y軸和Z軸三個方向的自動進給，主軸冷卻方式采用水冷。用紅外線溫度測量儀測量刀具表面產生的溫度，測量溫度范圍在-50～650℃之間。在室溫l2℃條件下直接測量。石材分別選用大理石、砂巖和花崗巖。本實驗主要研究主軸轉速、進給速度和石材性能等參數對金剛石鉆頭表面溫度的影響。實驗是在干切削條件下進行，加工狀態如圖1所示。

     圖1 金剛石鉆頭加工石材示意圖

　　3 結果分析

　　3．1 進給速度對溫度的影響

     圖2 進給速度與金剛石鉆頭表面溫度關系

      圖3 進給速度與金剛石鉆頭表面溫度關系

　　金剛石鉆頭加工石材時，影響鉆頭表面溫度參數很多，其中包括金剛石性能、結合劑性能、石材物理力學性能、加工參數、冷卻參數等。本實驗研究加工參數和石材性能對金剛石鉆頭表面溫度的影響。圖2是在主軸轉速為300 r／min，進給速度分別為10mm／min、15mm／min、20mm／min、25mm／min，鉆削大理石時鉆頭表面溫度預鉆削時間關系曲線。從圖2中可以看到，在4種進給速度條件下，金剛石鉆頭表面溫度都隨加工時間的增加而加大。在加工初期階段，溫度增加比較緩慢，當加工時間超過4s后，溫度急劇增加。當加工時間達到10s時，金剛石鉆頭表面溫度是初始的5倍。圖3為加工大理石時進給速度與溫度關系曲線。從圖中可以看到在進給速度l0～20mm／min時溫度上升較慢，在進給速度為20～30mm／min時，溫度上升最為明顯，在此區間鉆頭加工石材產生的熱量最多。由于鉆削過程中，金剛石鉆頭與石材表面產生很大摩擦，導致金剛石鉆頭表面溫度上升。由于大理石的導熱系數很低，而刀具的導熱系數很高，很大一部分熱量傳導到金剛石鉆頭上，導致金剛石鉆頭表面溫度升高。由于進給速度增加，單位時間內切割面接增加，刀具接觸石材次數增加，表面溫度增加。

　　3．2 主軸轉數對溫度的影響

     圖4 主軸轉速與金剛石鉆頭表面溫度關系

    圖5 主軸轉速與金剛石鉆頭表面溫度關系

　　圖4是進給速度為15mm／min，主軸轉速分別為300rpm、400rpm、500rpm，鉆削大理石時金剛石鉆頭表面溫度與鉆削時間關系曲線。從總體上看，溫度隨時間的增加直線上升。另外從圖5中可以看到溫度隨主軸轉速增加而增加。但是溫度上升不明顯。當主軸轉數達到500r／min時，最高溫度為143 ℃。主軸轉速增加。單位時間內金剛石顆粒與石材摩擦次數增加，接觸時間長，由此導致表面溫度增加。

　　3．3 石材性能對表面溫度的影響

　　圖5是主軸轉速為300rpm，進給速度為15mm／min時．加工不同石材金剛石鉆頭表面溫度平均值。從圖5中可以看到鉆削花崗巖時金剛石表面溫度最大，達到l50℃，而加工砂巖時表面溫度最低，為30℃；加工大理石時的溫度為70℃。通過石材性能得知，花崗巖密度2．5～2．7kg／cm3、抗壓強度120～250MPa，大理石的密度為2．5～2．7 kg／cm3、抗壓強度47～120MPa，砂巖的密度為2．2～2．5kg／cm3、抗壓強度47～120MPa。三種石材的密度基本一致，但是花崗巖的抗壓強度遠遠大于大理石和砂巖，幾乎是大理石和砂巖的2倍。石材強度增加，切削力加大，金剛石刀具磨損嚴重，導致金剛石鉆頭表面溫度升高。從圖5中可以看到加工花崗巖時的金剛石刀具表面溫度是加工大理石的2倍、砂巖的5倍。從加工實驗中可以看到，干切削花崗巖時，金剛石刀具表面溫度上升很快，同時溫度很高，導致金剛石刀頭脫落。花崗巖的熱傳導系數3．49W／mK，而銅材的熱傳導系數為370．49W／mK，由此可以看到大部分熱量是通過金剛石鉆頭來進行熱傳導的，由此導致金剛石鉆頭表面溫度急劇增高，金剛石磨損嚴重。

     圖6 石材種類與金剛石鉆頭表面溫度

　　4 結論

　　采用金剛石鉆頭加工石材時，主軸轉速和鉆削速度等加工參數對刀具表面溫度影響很大。刀具表面溫度隨主軸轉速和進給速度的增加而增加。金剛石鉆頭表面溫度隨鉆削時間增加而加大，同時與鉆削時間成正比。

　　石材性能對金剛石鉆頭表面溫度影響也是很大。在相同條件下鉆削花崗巖時鉆頭表面溫度是大理石的2倍，是砂巖的5倍。干鉆削時應采用冷卻液，防止金剛石鉆頭磨損嚴重。對燒結金剛石應采用銅焊或激光焊接。可以保證焊接處耐高溫，不至于金剛石刀頭較早脫落。

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