金刚石绳锯切割大型钢质构件的研究

余晓明

(广西桂林特邦新材料有限公司,桂林 541004)

金刚石绳锯切割大型钢质构件的研究

余晓明

(广西桂林特邦新材料有限公司,桂林 541004)

多年来,金刚石绳锯一直用于切削天然石材和建筑材料。而近年来金刚石绳锯也被用于切削钢材,最初用金刚石绳锯切削的钢件是钢管,如海底输油管、输气管。金刚石绳锯切割大型钢质构件是新的领域,运用在诸如核电站或海上钻井平台的拆除、海底沉船分体切割打捞、大型钢件的切割等。与传统方法相比,绳锯切割具有明显的优点,它不仅可以切割大而厚的工件,而且还可以切割复杂几何形状的工件。文章介绍了金刚石绳锯切割大型钢质构件的过程,烧结金刚石绳锯切割状态下的自动开刃方法及防止金刚石绳锯偏磨机构的应用。

金刚石绳锯;切割;钢质构件

1 引言

目前对于大型的金属构件的切割,主要是采用火焰切割的方式,该方式利用气体火焰(称预热火焰)将钢材表层加热到燃点,并形成活化状态,然后送进高纯度、高流速的切割氧,使钢中的铁在氧氛围中燃烧生成氧化铁熔渣的同时放出大量的热,借助这些燃烧热和熔渣不断加热钢材的下层和切口前缘使之也达到燃点,直至工件的底部。与此同时,切割氧流的动量把熔渣吹除,从而形成切口将钢材割开。该方式存在以下问题:a、割缝厚,工件损耗较大;b、切割面不平整及留有大量残渣,后续加工处理较困难;c、工作环境温度高,劳动强度大,尤其是对质量要求高的工件,需要在预热状态下进行切割(常温下切割容易产生裂纹);d、切割面积具有局限性,采用火焰法切割半径一般不超过1m;e、不能切割高铬钢、铬镍不锈钢、铝及铝合金等材料(切割这些材料时产生高熔点的氧化物将以固态覆盖于切口,阻碍后面材料的氧化,使切割过程难以进行)。

金刚石绳锯切割是一种柔性的加工方式,它的切割方式不受加工件的厚度影响,可以轻松、随意调整切割方向;采用金刚石绳锯进行大型金属体的切割,其切割缝只有11～12mm,大大降低了金属材料的损耗,其切割面平整、光滑,后续加工量也大大降低;金刚石绳锯切割也是一种操作十分简单、有利于采用自动化加工的新型加工方式。

金刚石绳锯从面世至今,已有40多年的发展历史,从最初的电镀技术,发展到以烧结技术为主流的制造技术;从只能切割软质石材到广泛应用于花岗岩矿山的荒料开采及广泛应用的钢筋混凝土切割。在制造技术推陈出新的同时,应用范围也越来越广,目前国内外金刚石绳锯在大型金属构件上的切割应用尚没有报道,但金刚石绳锯在胎体设计、金刚石性能、制备、切割操作、切割设备上都已经有较为成熟的基础,因此根据大型金属体的特点,利用已有的资源、经验,金刚石绳锯在大型金属体上的切割应用是具有可行性的。

2 实验部分

2.1 切割对象及切割工具

本次实验切割对象是直径0.7m的合金冒口(35Cr Mo),该冒口内部组织均匀没有气孔或其他杂质,但冒口表面覆盖一层约2mm厚的氧化硬皮。

实验用的切割工具是烧结方式的直径11.2mm孕镶金刚石绳锯,绳锯每米装40粒串珠,绳锯总长15m。

2.2 试验设备

我们开发了用于大型钢件切割的试验设备,该系统由驱动单元(绳锯机)、控制系统、导向轮、切割工具、绳锯自动开刃机、绳锯扭转机及工件固定平台组成。绳锯机是市场可售设备,绳锯自动开刃机、绳锯扭转机及工件固定平台根据试验条件需要自行设计。切割大型合金冒口的工艺设备组成如图1所示。

图1 试验设备组成Fig.1 Construction of test equipment

烧结串珠切割钢件时金刚石的容屑空间很快就充满钢屑,由于钢屑的覆盖会造成金刚石串珠的结合剂不能磨耗,导致金刚石不能裸露出来,绳锯就失去了切割作用。为了能及时把覆盖在金刚石上的钢屑去除,我们在切割时候增加自动开刃装置,在切割的同时用开刃材料把串珠上面的钢屑去除。开刃机可以把开刃材料纵向提升和横向移动,通过自动控制系统可以让开刃材料一直压着金刚石绳锯,当绳锯在开刃材料上面滑动时可以把粘在串珠上的铁屑去除。

金刚石绳锯切割钢件时由于串珠胎体磨损较快和单粒串珠受力大的原因,经常发生串珠部分磨损至基体而其他部分还有很厚工作层的严重偏磨现象,即使是在绳锯对接时增加了绳锯扭转圈数后还是避免不了偏磨发生。为了避免绳锯严重偏磨发生,我们在绳锯切入处设计安装了绳锯强制扭转机,通过旋转支架的三个小导轮来夹紧绳锯,支架旋转时带动三个小导轮绕绳锯轴线旋转,同时绳锯跟着旋转,从而提高绳锯轴线旋转的能力。

2.3 试验流程

金刚石绳锯是在水平面上包裹工件切割的,在切割过程中每粒串珠均处于相同的负荷环中,每一粒不连续串珠的切割受力条件可以认为一致。随着切割过程的进行,切割轮廓不断变化,切割条件也跟着变化。切割大型合金冒口过程状态如图2所示。

图2 试验设备组成及切割基本过程Fig.2 Test equipment construction and the basic process of cutting

切割步骤如下:

(1)按照切割高度调整所有导轮在同一水平面上;

(2)按照绳锯切割方向把绳锯穿过扭转机,按逆时针方向预扭绳锯(扭2圈/米);用专业接头把绳锯两端接起,组成闭环;

(3)把绳锯套在所有的导轮上,移动绳锯机张紧绳锯,检查套在冒口上的绳锯位置是否合适;

(4)调整开刃机,选择“纵向开刃”模式,按计划设定开刃机速度;

(5)开启冷却水泵,调整冷却水管位置,保证切割位置充分冷却;

(6)绳锯机切换到手动模式,按照绳锯切割方向启动主电机,10秒后停机,检查冒口上绳锯是否切在设定高度上;

(7)重新启动主电机,转速与电流同步提高到一定数值,同时启动开刃机、扭转机构,切割电流和转速达到要求后绳锯机切换到自动控制方式,让切割电流和转速保持不变;

(8)记录串珠外径大小变化(是否有锥度,偏磨),金刚石出刃等情况;

(9)切割后期切割转速和电流调整至前期的60%,直至切断整个冒口。

3 结果和讨论

3.1 切割效率与工作压力有很大关系

对于切割过程,最根本的是串珠要有足够的工作压力,串珠压力大材料去除率就高。工作压力是通过绳锯机切割电流控制的,通过实验知道37k W绳锯机切割电流控制在50A～60A比较合适,更高的切割电流绳锯机就会报警自动停机。电流过小金刚石串珠受力小只有金刚石刃尖参与切割,会导致金刚石刃尖磨平后不能继续切割。电流大金刚石破碎及脱落加快,有利于新的切屑刃参与切割,切割效率提高。

图3 切割电流与切割效率关系Fig.3 The relationship between cutting electric current and cutting efficiency

3.2 自动开刃速度对切割效率的影响

烧结串珠由于正常生产时金刚石开刃露出高度不是很高,切割钢件时金刚石的容屑空间很快就会充满钢屑,由于钢屑的覆盖而造成金刚石串珠的结合剂不能磨耗,导致金刚石不能裸露出来,绳锯就失去切割作用。钢件切割时使用自动开刃装置,在切割的同时用开刃材料把串珠上面的钢屑去除,可以有效地提高切割效率。开刃速度大小影响铁屑去除率和胎体磨损率,对切割效率有很大影响。

图4 开刃速度与切割效率关系Fig.4 The relationship between sharpening speed and cutting efficiency

3.3 绳锯扭转机转速的选择

绳锯内的钢丝绳在张紧状态有绕轴线自转的能力,使得绳锯切割时候会沿前进方向看的顺时针方向转动,绳锯自转的速度与绳锯切割速度和绳锯预扭程度有关。切割钢件状态下绳锯上正在切割的串珠受到的压力较大,阻住了绳锯自身的转动。绳锯扭转机可以对绳锯提供额外的扭转力,帮助绳锯轴线转动。扭转机的转速必须与正常状态下绳锯自转速度相符,转速过低对绳锯提供的扭转力有限。因此扭转机转速与绳锯切割速度需要满足一定关系,通过反复测试使用,我们掌握了扭转机转速与绳锯线速度对应关系。

3.4 绳锯金刚石浓度和粒度很关键

浓度选择原则是:高浓度适合于小接触面积,低浓度适合于大接触面积。同样切割条件下低浓度金刚石受力大,金刚石容易脱落,绳锯寿命低。但也并不是金刚石浓度越高越好。浓度必须与切割对象,设备参数相匹配才能达到理想切割效果。

图5 扭转机转速与绳锯线速度关系Fig.5 The relationship between the rotate speed of the twisting machine and the linear velocity of wire saw

金刚石粒度选择要偏向粗粒度的,细粒度金刚石露出高度很低,胎体表面容屑空间很小,切割金属时铁屑很快就会把容屑空间堵满。通过实验发现35目以粗的金刚石更适合用于切割钢件。

4 结论

用绳锯切割大型钢质构件是可行的。考察金刚石绳锯切割金属材料能力的主要因素是绳锯磨损、加工时的作用力、工具设计(包括金刚石浓度和粒度配比)等。下一步研究的主要方向是提高金刚石绳锯的切割效率和使用寿命,让金刚石绳锯能切割更大型的钢质构件。

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Study of Diamond Wire Saw Cutting of Large Steel Component

YU Xiao-ming
(Guilin Tebon Superhard Material Co.,Ltd,Guilin,Guangxi,china 541004)

For many years,diamond wire saw has been used for cutting natural stone and building materials.In recent years,diamond wire saw has also been used for cutting steel.The first steel component cut by diamond wire saw is steel pipe,such as the submarine oil petroleum pipe,gas pipe,etc.Diamond wire saw cutting of large steel component is a new field,it is used for fields such as the removal of nuclear power station or offshore drilling platform,fission cutting salvage of shipwrecks,cutting of large steel component,etc.Compared with the traditional methods,wire saw cutting has its obvious advantages,it can cut not only large and thick workpiece,but also workpiece of complex geometry shape.In this article,the process of diamond wire saw cutting of large steel component,the automatic sharpening method for sintered diamond wire saw during cutting and the application of the device which prevents the eccentric wear of diamond wire saw have been introduced.

diamond wire saw;cutting;steel component

TQ164

A

1673-1433(2015)06-0018-04

2015-10-10

余晓明(1985-),男,助理工程师。E-mail:yxm053412@163.com。

余晓明.金刚石绳锯切割大型钢质构件的研究[J].超硬材料工程,2015,27(6):18-21.