金刚石钻头钻削石材参数对其表面温度影响研究

　　在石材钻削中，由于金刚石钻头与石材之间的相对高速运动而在其接触界面产生各种复杂摩擦学现象。金刚石钻头与石材之间的摩擦，由于石材导热性差，大部分热量传到金刚石刀头中，使金刚石钻头表面温度升高，造成金刚石石墨化，金刚石切削能力降低，同时导致钻头基体产生热疲劳，强度和刚度降低，加工石材时噪音增加，振动加剧，钻头寿命降低，严重时金刚石刀头脱落，对操作者造成伤害，同时也影响加工质量和加工效率。研究金刚石钻头钻削参数对其表面温度影响，找出影响表面温度因素关系和规律，确定合理加工参数，有利于提高金刚石钻头使用寿命和降低加工成本，提高加工质量。

　　2 实验条件

　　金刚石刀头采用Cu基金属粉末，金刚石粒度为60～80目，采用烧结成型法压制成型，刀头焊接在高速钢圆筒上。金刚石钻头直径φ37mm，高5．6mm，宽2mm，基体直径φ35．6mm，高度45mm。加工设备采用XK5032C型数控铣床，该设备实现X轴、Y轴和Z轴三个方向的自动进给，主轴冷却方式采用水冷。用红外线温度测量仪测量刀具表面产生的温度，测量温度范围在-50～650℃之间。在室温l2℃条件下直接测量。石材分别选用大理石、砂岩和花岗岩。本实验主要研究主轴转速、进给速度和石材性能等参数对金刚石钻头表面温度的影响。实验是在干切削条件下进行，加工状态如图1所示。

图1 金刚石钻头加工石材示意图

　　3 结果分析

　　3．1 进给速度对温度的影响

图2 进给速度与金刚石钻头表面温度关系

图3 进给速度与金刚石钻头表面温度关系

　　金刚石钻头加工石材时，影响钻头表面温度参数很多，其中包括金刚石性能、结合剂性能、石材物理力学性能、加工参数、冷却参数等。本实验研究加工参数和石材性能对金刚石钻头表面温度的影响。图2是在主轴转速为300 r／min，进给速度分别为10mm／min、15mm／min、20mm／min、25mm／min，钻削大理石时钻头表面温度预钻削时间关系曲线。从图2中可以看到，在4种进给速度条件下，金刚石钻头表面温度都随加工时间的增加而加大。在加工初期阶段，温度增加比较缓慢，当加工时间超过4s后，温度急剧增加。当加工时间达到10s时，金刚石钻头表面温度是初始的5倍。图3为加工大理石时进给速度与温度关系曲线。从图中可以看到在进给速度l0～20mm／min时温度上升较慢，在进给速度为20～30mm／min时，温度上升最为明显，在此区间钻头加工石材产生的热量最多。由于钻削过程中，金刚石钻头与石材表面产生很大摩擦，导致金刚石钻头表面温度上升。由于大理石的导热系数很低，而刀具的导热系数很高，很大一部分热量传导到金刚石钻头上，导致金刚石钻头表面温度升高。由于进给速度增加，单位时间内切割面接增加，刀具接触石材次数增加，表面温度增加。

　　3．2 主轴转数对温度的影响

图4 主轴转速与金刚石钻头表面温度关系

图5 主轴转速与金刚石钻头表面温度关系

　　图4是进给速度为15mm／min，主轴转速分别为300rpm、400rpm、500rpm，钻削大理石时金刚石钻头表面温度与钻削时间关系曲线。从总体上看，温度随时间的增加直线上升。另外从图5中可以看到温度随主轴转速增加而增加。但是温度上升不明显。当主轴转数达到500r／min时，最高温度为143 ℃。主轴转速增加。单位时间内金刚石颗粒与石材摩擦次数增加，接触时间长，由此导致表面温度增加。

　　3．3 石材性能对表面温度的影响

　　图5是主轴转速为300rpm，进给速度为15mm／min时．加工不同石材金刚石钻头表面温度平均值。从图5中可以看到钻削花岗岩时金刚石表面温度最大，达到l50℃，而加工砂岩时表面温度最低，为30℃；加工大理石时的温度为70℃。通过石材性能得知，花岗岩密度2．5～2．7kg／cm3、抗压强度120～250MPa，大理石的密度为2．5～2．7 kg／cm3、抗压强度47～120MPa，砂岩的密度为2．2～2．5kg／cm3、抗压强度47～120MPa。三种石材的密度基本一致，但是花岗岩的抗压强度远远大于大理石和砂岩，几乎是大理石和砂岩的2倍。石材强度增加，切削力加大，金刚石刀具磨损严重，导致金刚石钻头表面温度升高。从图5中可以看到加工花岗岩时的金刚石刀具表面温度是加工大理石的2倍、砂岩的5倍。从加工实验中可以看到，干切削花岗岩时，金刚石刀具表面温度上升很快，同时温度很高，导致金刚石刀头脱落。花岗岩的热传导系数3．49W／mK，而铜材的热传导系数为370．49W／mK，由此可以看到大部分热量是通过金刚石钻头来进行热传导的，由此导致金刚石钻头表面温度急剧增高，金刚石磨损严重。

图6 石材种类与金刚石钻头表面温度

　　4 结论

　　采用金刚石钻头加工石材时，主轴转速和钻削速度等加工参数对刀具表面温度影响很大。刀具表面温度随主轴转速和进给速度的增加而增加。金刚石钻头表面温度随钻削时间增加而加大，同时与钻削时间成正比。

　　石材性能对金刚石钻头表面温度影响也是很大。在相同条件下钻削花岗岩时钻头表面温度是大理石的2倍，是砂岩的5倍。干钻削时应采用冷却液，防止金刚石钻头磨损严重。对烧结金刚石应采用铜焊或激光焊接。可以保证焊接处耐高温，不至于金刚石刀头较早脱落。