9一种复合材料消音金刚石锯片基体的研究

一种复合材料消音金刚石圆锯片基体的研究摘要：金刚石圆锯片被广泛地应用于切割石材、混凝土、玻璃、陶瓷等非金属硬脆材料领域。

但金刚石锯片切割时的啸叫声带来了极大的噪声，通常切割噪声达120dB以上，尤其是高频部分的噪音对人体的危害最为严重。

本文设计了一种三层结构的金刚石锯片的基体，通过试验，确定了0.10mm厚度铜箔作为阻尼夹层材料，采用点焊的方式复合，熔核面积为2.5%时降噪效果最佳。

制备出的复合材料消音金刚石锯片基体焊上金刚石刀头后切割试验，切割噪音在传统产品基础上降低22.8dB，达到国家工业企业卫生标准。

关健词：复合消音锯片基体一、前言金刚石圆锯片是切割石材、混凝土、陶瓷等非金属硬脆材料的一种工具，因其优越的切削性能，已经广泛的应用在矿山开采、市政建设、道路桥梁建设、非金属脆性材料切削加工等领域，特别是建筑业的发展促进了金刚石圆锯片行业突飞猛进的发展。

然而金刚石圆锯片的切割噪音大，带来了系列噪声危害，一般金刚石圆锯片切割噪音在120dB左右，特别是高频部分的噪音，尖锐刺耳，对操作工自身和周边的环境带来极大的危害。

为此如何降低金刚石圆锯片切割噪音，成为行业界一直关注和研究的重点。

噪声公害己引起国外发达国家的高度重视，研发一种新型的消音锯片作为环保高科技新产品必然受到各国的重视和用户的欢迎。

为减少金刚石圆锯片切割产生的噪声污染，目前国内外采用的普遍方法为:在锯片的基体上设计消音孔或消音缝;在连接部位增加柔性垫圈等。

这些降噪的方式均属于局部阻尼，不可能从根本上消除金刚石圆锯片切割噪音。

因此，要从本质上消除金刚石锯片的切割噪音，就应该从金刚石锯片基体切割噪音产生的机理进行研究。

二、金刚石锯片切割噪音产生的机理经过对金刚石锯片的切割过程的大量研究发现，其切割过程中产生的噪音主要有如下几种：2.1空气动力学噪声锯片旋转时锯齿周期性地激励周围空气介质从而产生空气动力学噪声。

空气动力学噪声主要由齿尖噪声、涡流噪声和排气噪声三部分组成。

齿尖噪声的声功率随着锯片的线速度的增加而增大。

空气动力学噪声决定了一定线速度下、一定直径的圆锯片噪声声级下限。

由于其辐射效率比较低，实际上空气动力学噪声相对设备工作的整体噪声很小。

2.2振动噪声振动噪声主要由谐振和强迫振动两部分组成。

锯片高速旋转中，每当涡流分离的频率与锯片的固有频率相接近时，就产生尖叫声，即为谐振噪声。

不同直径锯片和不同的转速产生不同的涡流分离频率，因此，一般圆锯片在某一转速范围内将激发各自不同特性的尖叫声。

2.3冲击辐射噪声金刚石圆锯片在锯切过程中，由于锯片周期性地与工件相互作用，相当于锯片和工件都受到一个周期脉冲激励，从而使锯片和工件产生振动并辐射噪声。

从单个锯片来看，是一个冲击过程，但当脉冲辐射频率比较高时，由此而激发的响应近似于周期稳态振，因而连续不断地辐射噪声，又由于频率非常高，因此辐射效率很高，引起最大噪声，也是锯机其它部件振动的主要激振源。

2.4摩擦噪声摩擦噪声是由锯片和被切工件之间的摩擦诱发的粘滑振动而产生的。

金刚石圆锯片在锯切过程中对工件沿轴向施加一个压力，又由于刚锯开的工件截面比较粗糙，即在锯片与工件截面接触部分产生摩擦力，这个摩擦力对工件相当于在垂直于轴线方向施加一个力。

这个力将诱发工件的粘滑振动，从而辐射噪声。

当然这个力对锯片同样存在，它将诱发锯片的轴向振动，从而产生噪音。

2.5锯机结构噪声在实际切割过程中，各部分之间直接或间接地相互联系，因此各部分之间的振动必然要相互传递，从而产生噪声。

特别是为了安全而设置的金属锯罩，由于属薄壁结构，所以在锯切中由于锯罩振动而辐射的噪声也不可忽视。

以上几种噪声源虽产生的机理有所不同，但最终都是通过声能的形式辐射出去（空气动力学噪声除外）。

对于不同的金刚石锯片材料、形状参数、不同的被切工件、不同的锯切过程，其产生的噪声声级都不尽相同，而且在不同条件下，各噪声源所占的支配地位也是变化的，但最终主要噪音是由锯片振动引起。

三、本论文研究的重点及原理由前人的研究可知，阻尼对于系统的振动响应有着重要的影响。

因此适当增加系统的阻尼，是振动控制的一种重要手段，增加系统阻尼的方法很多，如采用高阻尼材料制造零件、选用阻尼好的结构形式、在系统中附加阻尼、增加运动件的相对摩擦等等。

目前，阻尼减振技术己发展成为一门专门技术，广泛地应用于航天、航空、船舶、环境工程、机械设备、建材等领域。

因此对结构进行阻尼处理是许多工业部门用来控制振动、噪声的一种有效的方法。

本论文重在研究一种三层复合阻尼材料消音金刚石锯片基体，用阻尼材料制造消音金刚石锯片，从根本上解决金刚石圆锯片切割噪音，使锯片行业迈入绿色环保时代。

本研究通过合理地设计锯片基体结构，采用共振频率不同的金属优化设计出阻尼降噪功能的金属基复合材料。

复合材料可以大幅度提高材料的阻尼值，其增大阻尼损耗因子的原因是:由两种或多种材料组成的复合材料，因为不同材料的模量不同，承受相同的应力时会有不相等的应变，形成不同材料之间的相对应变，因而会有附加的耗能。

本研究从基体结构上考虑消除切割时产生的高频噪声，其降噪原理主要包括两个方面:一方面，在夹层结构设计的三明治型基体结构的层与层之间存在一层非常薄的空气层，在锯片振动过程中，该粘性空气层不停地在夹层内流动，从而大大降低锯片产生共振的几率，能够消除锯片在切割时的高频噪音。

另一方面，振动在通过不同金属传播时，由于不同金属的固有频率不同，难以使复合材料产生共振;其次，层与层之间的空气层具有很大的阻尼，当振动波从一种金属向另一种金属传播时在两种金属的界面受阻，使振动能转变成热能;再次，当振动通过阻尼金属或阻尼合金传播时，阻尼金属或阻尼合金在微观上产生位错的滑移和攀移，将振动能转变成金属的内能被消耗掉。

从而可以减少切割过程中的振动，降低切割的噪音。

四、实验方案及测试分析4.1实验主要材料厚度E=1.3mm50Mn2V冷轧钢板，铜皮（厚度0.05mm，0.08mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm），厚度0.10mm石墨纸，厚度0.10mmMn-Cu合金薄板，厚度0.10mm白铁皮，厚度0.10mm铝箔，2.6mm的50Mn2V冷轧钢板。

4.2实验主要设备松下DN-35TSMI固定式点焊机，M7340磨床,XW630铣床，C6140车床，小井式回火炉，噪音测试仪器，TM-01圆锯片检测仪。

4.3实验主要工艺路线50Mn2V冷轧钢板冲中孔——剪圆——淬火——回火——表面抛光——点焊复合——二回——精车内孔及外圆——铣齿——半精磨——半精校——去油回火——精磨——精校平4.4夹层阻尼材料的选择金属板与板之间的结合可采用焊接、铆接、螺纹连接等方式均可以形成阻尼。

这些连接界面的阻尼与界面的摩擦无关，而是由连接面之间的相互往复运动形成空气流动，由空气的粘度形成阻尼。

对于焊件来说，多点焊接比连续焊接形成的阻尼要大的多。

同时，为了减小锯片的变形，不降低锯片的轴向刚度，试验采用点焊的方法。

因此对于阻尼材料的选择，考虑其后期需要将三层采用点焊的方式复合，选用的材料首先考虑其要有导电性，而且材料的损耗因数要大。

选用的主要有石墨纸、铝箔、铜皮、白铁皮、Mn-Cu合金薄板、锌箔、锡箔，以上几种材料在试验中控制其厚度均在0.10mm。

几种材料的损耗因数见表1。

4.4.1不同阻尼材料降噪效果的比较以上几种阻尼材料按照实验工艺流程制作成Φ340mm直径，厚度E=2.2mm，中孔Φ50mm，24齿的圆锯片基体，在点焊复合工序，所有介质的焊接均采用同一参数进行。

点焊制作过程中，石墨纸夹层阻尼材料虽能导电，但点焊时在焊点区域出现微裂纹，而且无论怎么调节焊接参数，焊接时局部出现脱落的现象，在车削过程中明显可见外圆处裂开而导致报废，可见石墨纸焊接工艺性能不好而不予考虑后期试验。

将不同阻尼介质制作的复合片编号，编号见表2.4.4.2不同阻尼材料复合锯片基体振动衰减时间测试采用TM-01圆锯片检测仪检测6种样品在同样位置施同等力的情况下，测试产品振幅从开始施力后衰减至10%的时间，以此衡量锯片阻尼效果。

衰减时间越短，阻尼效果越好。

各编号锯片在检测衰减时间情况见表3.4.4.3不同阻尼复合材料圆锯片基体噪音测试试验测试是在一个隔音室中进行的，可以忽略周围的环境噪声。

本试验采用锤击的方法敲击金刚石锯片，使之产生声音，通过声级计接收。

考虑到锤击力的大小不同，产生噪音的大小不同。

本试验为了使具有不同阻尼介质的锯片具有可比性，因此采用相同大小的力锤击锯片。

锤击的方式是用一个摆锤从水平位置下落同一高度锤击锯片的要求测试的部位。

从而可以保证对每个锯片锤击力的大小相等。

将制作好的三明治复合锯片，悬挂在一根刚性轴上，用摆锤施加力撞击锯片基体水槽底部10mm处，在距离冲击1m处用AWA5633型声级计测试噪音（见图1示意图），测试结果见表4。

图1 产品敲击噪音测试示意图4.4.4小结通过对Mn-Cu箔、铜皮、铝箔、锡箔等材料降噪效果比较，Mn-Cu箔在衰减时间和噪音上较铜箔略好，铜箔与锡箔在衰减时间和噪音上相当，铜箔略优，铝箔次之，锌箔再次之，白铁皮最差。

由此分析得出，选用材料的损耗因素大的材料，材料的阻尼效果越佳。

根据已有材料的测试结果， Mn-Cu 虽阻尼最好，但考虑其价格昂贵，产业化前景不好，采用铜箔作为复合消音片阻尼夹层最佳，也作为后期实验的重点。

4.5阻尼夹层厚度的选择研究在确定铜箔为最佳阻尼夹层后，选用厚度为0.05mm、0.08mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm五种厚度的铜箔作为阻尼层材料，按照实验的工艺路线制作成相同规格（Φ340mm直径，厚度E=2.2mm，中孔Φ50mm，24齿）的三明治复合材料消音锯片，按照厚度的梯度编号为1#、2#、3#、4#、5#。

产品编号顺序见表5。

表5 不同厚度铜箔产品编号表4.5.1夹层厚度对刚性的影响将不同编号的产品固定在轴上，Φ100mm法兰盘加紧，在距离锯片外圆25mm处一面施加一个10Kgf，在另一面的施力点检测其变形量（如图2），变形量大的产品，其刚性差。

检测的数据见表6，变形的规律见图9.图2 刚性检测示意图图3 不同厚度铜箔对产品刚性的影响4.5.2夹层厚度对敲击噪音的影响采用图1的方式进行敲击噪音的测量，测量的结果如表7、图4所示。

图4 不同厚度铜箔阻尼夹层对敲击噪音的影响4.5.3不同厚度夹层对切割噪音的影响将加工的1-5#产品采用高频焊接上同等配方的金刚石刀头（见图11）后进行切割噪音测试。

实验场地为户外一空旷的水泥地面，切割机为德国制造的UNICUT金刚石圆锯专用机，电机功率为2.2kW，转速为2650rpm，法兰盘直径为Φ100mm，切割中清水冷却，锯切材料为混凝土，尺寸为长×宽×厚=330mm×200mm×18mm，每次锯下宽度为24mm板条。