無(wú)夾層復(fù)合基體金剛石鋸片噪聲研究

鄒新光，劉一波，劉 錕，劉志海，黃 霞

(安泰科技股份有限公司，北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司，北京昌平 102200)

0 前言

金剛石圓鋸片作為切削工具廣泛應(yīng)用于石材、建材等硬脆材料的加工。隨著環(huán)保及人力資源成本的提高，以及材料技術(shù)和制造業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)切削工具的要求越來(lái)越高，其中降低噪音問(wèn)題也越來(lái)越受關(guān)注。金剛石鋸片在切割過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪聲，對(duì)環(huán)境造成一定的污染，也會(huì)影響人們的身體健康。所以降低金剛石鋸片在切割過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲是非常必要的。

金剛石鋸片的噪聲問(wèn)題，一直是我們關(guān)注的話題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也做了大量的研究，研究證明夾層復(fù)合基體鋸片降噪效果比較明顯，但夾層基體價(jià)格比較高，是普通基體的三倍，所以本文提出了無(wú)夾層復(fù)合基體鋸片。無(wú)夾層基體比夾層基體少了中間層的阻尼材料，并以空氣作為阻尼，降低了成本。無(wú)夾層復(fù)合基體有一定的降噪效果，但降噪效果不太明顯，所以本文通過(guò)對(duì)鋸片降噪來(lái)源和降噪方法進(jìn)行分析，對(duì)無(wú)夾層復(fù)合基體提出了切縫方法的改進(jìn)，以達(dá)到更好的降噪效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了無(wú)夾層復(fù)合基體鋸片有一定的降噪效果，切交錯(cuò)縫的無(wú)夾層復(fù)合基體鋸片降噪效果更好。

1 噪聲的來(lái)源

金剛石鋸片不管應(yīng)用在何種材料上，鋸片本身噪聲的來(lái)源基本上是相同的。鋸片無(wú)論是空轉(zhuǎn)還是切割時(shí)都會(huì)產(chǎn)生噪聲，歸結(jié)起來(lái)其噪聲主要來(lái)源分為三種:一是空氣動(dòng)力噪聲;二是鋸片本身振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲和鋸片在切割時(shí)與被切割對(duì)象沖擊產(chǎn)生的噪聲;三是鋸片與切割對(duì)象產(chǎn)生的摩擦噪聲［1］。

1.1 空氣動(dòng)力噪聲

金剛石圓鋸片不管是空轉(zhuǎn)，還是做切割運(yùn)動(dòng)，都會(huì)與空氣接觸，從而使空氣流動(dòng)產(chǎn)生噪聲。在高速旋轉(zhuǎn)下的圓鋸片會(huì)對(duì)空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，例如:基體的水槽會(huì)對(duì)空氣產(chǎn)生一定的吸力，從而產(chǎn)生渦流;異形的圓鋸片的齒尖部分也會(huì)對(duì)空氣產(chǎn)生一定的影響?？諝饬鲃?dòng)產(chǎn)生的噪聲可以分為渦流噪聲、齒尖噪聲、周期性排氣噪聲等［2］。

1.2 鋸片振動(dòng)噪聲

鋸片在旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，而振動(dòng)主要來(lái)源于自身的旋轉(zhuǎn)頻率，其次是工作時(shí)切割對(duì)象作用力，因此伴隨著會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。振動(dòng)噪聲主要分為共振噪聲和強(qiáng)迫振動(dòng)噪聲。圓鋸片無(wú)論是空轉(zhuǎn)或工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與鋸片的固有頻率相接近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振噪聲。共振會(huì)產(chǎn)生刺耳的噪聲，由于不同的鋸片會(huì)對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速，所以這種刺耳的噪聲也會(huì)不同［3］。

鋸片在工作狀態(tài)下，由于鋸片與被切割對(duì)象的相互作用，鋸片會(huì)受到被切割對(duì)象的沖擊，從而使鋸片產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。由于沖擊頻率比較高，因此這樣一個(gè)沖擊過(guò)程也成為了鋸片的主要激振源［4］。

1.3 摩擦噪聲

摩擦噪聲是由鋸片和被切割對(duì)象之間的摩擦引起的。由于被切割開(kāi)的切割對(duì)象表面比較粗糙，會(huì)使圓鋸片表面與被切割對(duì)象產(chǎn)生摩擦，從而產(chǎn)生摩擦噪聲，特別是在切割鋼筋混凝土等粗糙材料時(shí);另外由于人為的干擾使鋸片在切割過(guò)程中產(chǎn)生偏移，也會(huì)使鋸片表面與被切割對(duì)象產(chǎn)生摩擦噪聲［3］。

2 鋸片降噪方法

根據(jù)上述對(duì)噪聲來(lái)源的分析，要想降低噪聲，就需要從產(chǎn)生噪聲的根源上來(lái)解決問(wèn)題，這也是降低噪聲最根本、最有效及最經(jīng)濟(jì)的方法。

降低鋸片噪聲主要有兩個(gè)途徑:一是降低鋸片空氣動(dòng)力噪聲;二是降低鋸片振動(dòng)噪聲。經(jīng)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，降低鋸片的噪聲主要有三種方法:一是設(shè)置合適的加工參數(shù);二是基體上打孔、切縫;三是改變基體的阻尼［5］。

2.1 設(shè)置合適的加工參數(shù)

鋸片的加工參數(shù)主要包括旋轉(zhuǎn)與切深等參數(shù)。在質(zhì)量和效率都允許的情況下，可以適當(dāng)?shù)慕档蛨A鋸片的轉(zhuǎn)速，這樣會(huì)降低齒尖、水口與空氣的摩擦，從而會(huì)降低空氣流動(dòng)引起的噪聲［6］。Ruzica 等人［7］針對(duì)圓鋸片轉(zhuǎn)速增量的情況下，得出了對(duì)空轉(zhuǎn)圓鋸片影響較大的轉(zhuǎn)速。Reiter［8］通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)得出了一個(gè)可以預(yù)測(cè)圓鋸片幾何尺寸和運(yùn)動(dòng)參數(shù)下的輻射噪聲水平的方程。因此設(shè)置合適的加工參數(shù)可以有效降低圓鋸片的噪聲。

2.2 基體打孔和切縫

基體打孔是在基體的徑向和圓周方向上打一些孔，這些孔不僅可以起散熱的作用，還能起消音的作用。基體切縫是在基體上利用激光切割機(jī)切割一些窄縫(縫隙寬度通?！?.3)，從而降低噪聲。研究表明，基體打孔不僅改變了圓鋸片的熱應(yīng)力分布狀況，也可以阻止駐波共振［9］;圓鋸片基體上的切縫可以割斷基體周邊到中心的振動(dòng)線，從而噪聲會(huì)被共鳴反彈;因此，在基體水槽不變的情況下，基體打孔和切縫都會(huì)在一定程度上降低噪聲。

2.3 改變基體阻尼

通俗地說(shuō)，阻尼就是阻止物體繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物體受到外力作用而振動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種使外力衰減的反力，稱(chēng)為阻尼力。圓鋸片的噪聲主要是由振動(dòng)引起的，改變基體的阻尼可以適當(dāng)?shù)亟档驮肼?，目前?yīng)用最廣泛的是基體阻尼夾層的設(shè)計(jì)。漢諾威大學(xué)的Tonshoff［10］等人研究了三明治消音基體，夾層采用粘彈性材料，通過(guò)夾層與基體間空氣層中空氣的流動(dòng)和摩擦來(lái)減少噪音的輻射;李長(zhǎng)龍［11］等開(kāi)發(fā)了一種合金夾層基體，降低了鋸片的噪聲。

3 改進(jìn)復(fù)合基體

根據(jù)以上分析，在一定的切割工況下，改變基體切縫和阻尼可以降低鋸片的噪聲?；w切縫是通過(guò)改變基體的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)降噪的，基體切縫能夠切斷振動(dòng)的傳播［12］，但這種改變只是改變幾何的不連續(xù)性，使得振動(dòng)在傳播上會(huì)斷斷續(xù)續(xù)的，但實(shí)際上振動(dòng)的能量卻沒(méi)有消除;復(fù)合基體是通過(guò)改變基體的材質(zhì)或增加阻尼材料的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)降噪的，改變基體阻尼能夠吸收振動(dòng)的能量，能把高頻的能量降低［13］。根據(jù)上述分析，切縫的復(fù)合基體不僅能夠切斷振動(dòng)的傳播還能吸收振動(dòng)的能量，本文提出的無(wú)夾層復(fù)合基體是把空氣作為阻尼，所以針對(duì)無(wú)夾層復(fù)合基體進(jìn)行了切縫方法的改進(jìn)。但無(wú)夾層復(fù)合基體如果切通縫在鋸片切割過(guò)程中對(duì)空氣會(huì)產(chǎn)生一定的吸力，氣流會(huì)直接穿過(guò)基體從另一側(cè)排出去，從而也會(huì)產(chǎn)生一些空氣動(dòng)力噪聲，雖然能起降噪效果，但也會(huì)增加一些空氣動(dòng)力噪聲;無(wú)夾層復(fù)合基體如果切交錯(cuò)縫在鋸片切割過(guò)程中雖然會(huì)對(duì)空氣產(chǎn)生一定的吸力，但吸入的空氣會(huì)在復(fù)合基體的夾層之間，夾層之間的空氣也會(huì)起一定的阻礙作用，產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲也會(huì)相對(duì)減小。

本文主要通過(guò)對(duì)無(wú)夾層基體切交錯(cuò)縫方法的改進(jìn)，以達(dá)到無(wú)夾層基體鋸片更好的降噪效果，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了此方法的有效性。

4 實(shí)驗(yàn)分析

本文設(shè)定復(fù)合基體外圓的水槽為鑰匙孔，切縫為M形切縫，切割方式為干切。實(shí)驗(yàn)方案主要分為以下幾種:一是常規(guī)基體鋸片;二是無(wú)夾層復(fù)合基體鋸片;三是無(wú)夾層復(fù)合基體切交錯(cuò)縫鋸片。將三種鋸片進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，二、三種方案分別與一方案數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

常規(guī)鋸片為基體不做處理的鋸片，如圖1所示;本文提到的無(wú)夾層復(fù)合基體主要是通過(guò)兩片薄的基體利用粘膠或點(diǎn)焊等方式進(jìn)行復(fù)合，如圖2所示;無(wú)夾層復(fù)合基體切縫制備方法為兩片薄的基體分別切縫，切縫在基體徑向的圓周上切小于0.3mm的窄縫，兩基體的縫與縫成一定角度不相交，并利用粘膠或點(diǎn)焊等方式進(jìn)行復(fù)合，如圖3所示。

圖1 常規(guī)鋸片F(xiàn)ig.1 Conventional saw blades

圖2 無(wú)夾層復(fù)合鋸片F(xiàn)ig.2 Sandwich-free composite saw blade

圖3 無(wú)夾層復(fù)合基體切交錯(cuò)縫鋸片F(xiàn)ig.3 Saw blades without sandwich composite matrix for cutting staggered crevice

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)方案，選用同規(guī)格、同粉類(lèi)的Φ230鋸片，使用2000W的手持鋸在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上干切白石，白石規(guī)格為長(zhǎng)600mm×厚10mm，并用噪聲接收器來(lái)接收噪聲，噪聲接收器放置在離切割平臺(tái)2米處。將上述三種鋸片分別命名，常規(guī)基體鋸片編號(hào)為A1，無(wú)夾層復(fù)合基體鋸片編號(hào)為A2，無(wú)夾層復(fù)合基體切交錯(cuò)縫鋸片編號(hào)為A3。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表。

表1 切割噪聲對(duì)比Table 1 Comparison of cutting noise

從上述數(shù)據(jù)來(lái)看，無(wú)夾層復(fù)合基體鋸片比常規(guī)鋸片降噪2～4db，無(wú)夾層復(fù)合基體切交錯(cuò)縫鋸片比常規(guī)鋸片降噪4～6db，無(wú)夾層復(fù)合基體切交錯(cuò)縫鋸片比無(wú)夾層復(fù)合基體鋸片降噪1～3db。雖然小規(guī)格的鋸片本身切割的功率就比較小，降噪的幅度比較小，沒(méi)有大規(guī)格的鋸片降噪數(shù)值那么明顯，但不影響實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果。

5 結(jié)論

針對(duì)夾層復(fù)合基體的制造成本問(wèn)題，本文提出了一種無(wú)夾層復(fù)合基體鋸片，根據(jù)金剛石鋸片噪聲原理以及降噪方法的分析，針對(duì)切縫對(duì)無(wú)夾層復(fù)合基體進(jìn)行了切交錯(cuò)縫的改進(jìn)，以達(dá)到更好的降噪效果。通過(guò)對(duì)比常規(guī)鋸片實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了無(wú)夾層基體有一定的降噪效果，切交錯(cuò)縫的無(wú)夾層復(fù)合基體降噪效果更好。

本文只是考慮了對(duì)相同形狀的交錯(cuò)切縫復(fù)合無(wú)夾層基體鋸片對(duì)噪聲的影響，驗(yàn)證了切交錯(cuò)縫的無(wú)夾層復(fù)合基體鋸片的降噪效果，不同交錯(cuò)切縫對(duì)無(wú)夾層復(fù)合基體鋸片的降噪效果尚還需要國(guó)內(nèi)外學(xué)者做進(jìn)一步的研究。