作者：赵民
出版社：电子工业出版社
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石材加工工具与技术试读：
前言
石材加工是最古老的一门加工技术，随着科学技术日新月异的进步，这门古老的加工技术从传统的加工模式迈向先进制造技术中。石材加工从平面加工向立体化加工方向发展，设备从单机向流水线和自动线方向发展，设备从手动、半自动向数控化方向发展。石材加工工具已经广泛采用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和光电子技术，这使石材加工工具上了一个新的台阶。在现代化石材加工中对石材加工理论和应用技术的研究越来越引起人们的关注，理论的研究促进石材加工技术的发展，促进石材资源的合理利用。
石材加工主要由石材加工设备、石材加工工具和石材加工工艺三部分构成。前两部分构成石材加工硬件系统，后一部分构成石材加工软件系统。石材工艺是连接被加工石材和加工硬件的纽带，同时是实现加工设备和工具最佳效益的基本保证，也是实现石材产品高质量的基本保证。石材加工工具是石材加工中最重要的组成部分，石材加工工具的制造和合理使用直接影响石材加工质量和生产效益。石材加工工具的制造离不开石材性能，离不开加工设备和加工工艺。因此，石材加工工具与石材、设备和工艺构成一个完整的加工系统。研究石材加工工具和相应的工艺，有利于石材产品质量和加工效益的提高。石材产品品种多，加工难度大，由此造成石材加工工具种类多，每种加工工具对应相应石材和加工工艺。石材加工工具按其用途主要分成两类：一类为切割类，另一类为磨削类。把石材加工工具进行科学分类并对其系统进行理论和应用研究，有利于促进生产工艺、提高产品质量、研发高效能新型石材加工工具。
作者在多年从事石材理论和实验研究的基础上，同时参考国内外相关技术资料撰写本书。本书作为大专院校石材专业的论著，系统地论述了石材加工机理、各种石材加工工具制造和应用，既可以作为石材专业教材，也适于石材行业各加工企业人员的参考。
全书共分成三部分。第一部分为石材加工基础理论部分，（第一章至第三章），重点论述了石材加工工具的选择原则、石材加工工具的分类、石材可加工性指标和分类，对石材加工理论进行系统论述，包括石材切屑的形成、石材切削力、石材切削温度和金刚石工具磨损机理。第二部分是石材加工工具基础理论部分（第四章、第五章），重点是石材磨具制造基础和金刚石工具制造基础。磨具制造基础包括磨料、结合剂和磨具的选择，金刚石工具制造基础包括金刚石工具原材料和其制造原理及方法等。第三部分为石材加工工具应用部分（第六章至第十三章构成），主要介绍了板材切割锯片、荒料切割锯片、大理石框架锯条、金刚石绳锯、金刚石成形工具、金刚石铣削工具、金刚石盘铣刀、金刚石花岗石钻削工具、石材磨抛工具和花岗岩砂锯切割工具。本书论述的工具多为世界上最先进的石材加工工具，代表了石材加工工具发展方向。本书的出版发行为国内石材加工提供了有用的参考资料，希望能为中国石材科技进步和发展作出一些贡献。
参加本书编写的主要人员有赵民、齐凤莲、卢达、那丽红、沈冰、刘伟东、张云凤等。
此外在编写本书过程中也得到了相关石材企业的大力支持和帮助，在此谨表谢意。
限于作者的水平，时间有限，书中难免有错误与不妥之处，恳请读者批评指正。
本书出版得到沈阳建筑大学出版基金的资助，在此表示感谢！
作者第一章 概论第一节 石材加工工具的现状和发展趋势一、石材加工工具的现状
石材是具有高硬度、高脆性特点的材料。随着科学技术和现代工业的发展，石材的应用领域日益扩展，石材开采量逐年增加，如图1-1所示。我国石材行业经过近20年的高速发展，一跃成为在石材产量、消费量、贸易量均位于世界首位的石材工业大国。2008年石材产量达2.23亿平方千米，比2007年同比增加了27%。2005年以来，石材的产量以稳定的速度增长，其产品、工艺、设备技术含量极大提高，大中型石材企业不断涌现，行业呈现强劲的发展势头，中国已成为名副其实的世界石材加工厂，发展趋势和前景看好。近年来中国作为石材开采和加工的领头国，生产240个品种的花岗石，石材总产量约占世界的65%。图1-1 2005～2008年的石材产量
在石材加工中，石材工具占有重要地位。石材加工主要包括石材锯割、石材磨削和石材抛光。石材加工工具主要采用金刚石磨料和陶瓷磨料。在加工中，锯切加工是机械加工的第一道工序，锯切加工成本占整个加工成本的50%以上。目前，石材等硬脆材料的切割加工主要采用各种金刚石切割工具。由于金刚石是自然界已知的最硬物质，其优异性能决定其在石材等硬脆材料切割加工领域具有广阔的发展前景。应用金刚石工具锯切硬脆材料的加工方式主要有圆锯片切割、金刚石带锯切割、金刚石框架锯切割、金刚石串珠绳锯切割等。尽管每种方法有不同的特点和应用范围，但其切割机理和金刚石磨损机理却大致相同。由于切割石材是金刚石切割工具最主要的用途，因此，深入研究石材锯切机理和金刚石切割工具的磨损机理对于金刚石切割工具的合理制造与正确使用具有重要意义。长期以来，国内外专家学者对金刚石工具锯切花岗岩的加工机理、金刚石工具的磨损机理，以及锯切加工过程中的锯切力做了大量试验和研究，取得了令人瞩目的成果，对石材锯切加工及金刚石工具的研究开发起到了积极的推动作用。
目前，国内外金刚石工具的发展具有以下一些特点：为生产高效优质锯片，开发锯片级专用金刚石；更加重视粉末、胎体与烧结工艺的研究；更加重视石材可锯性与锯切机理的研究；激光焊接锯片技术得到发展；开发超大尺寸的金刚石圆锯片和数控金刚石工具。二、石材加工工具的发展趋势
1.材料、结构和尺寸的改进
金刚石工具的应用越来越广泛，今后金刚石工具的发展方向就是提高效率、提高工具寿命、降低生产成本，此外，还要做到环保。为了达到上述目的，就要在材料、结构、尺寸上进行改进。（1）从材料上讲，各个厂家更加重视基体、胎体配方的研究。力争在考虑经济性的基础上，做到提高工具的寿命及效率。其典型代表是复合基金刚石圆锯片。复合基金刚石锯片采用低温电沉积合金胎体和金刚石镶嵌工艺，有效地解决了胎体机械性能差及对金刚石把持力弱的问题。利用该技术工艺制备的胎体机械性能相当于用冶金方法制备的胎体，具有优良的抗弯强度，并可根据各种石材特点调整配方组成，使其具有适宜的硬度与韧性，适合金刚石的镶嵌固定。（2）从结构上讲，通过改变金刚石圆锯片的结构达到降低噪声和提高加工精度的目的。目前，研制开发低噪声锯片大致遵循两条途径：一是改变基体结构，在基体上用激光加工特定沟槽，在沟槽中填入阻尼材料；二是将基体分成3层组合而成，中间层采用阻尼材料。金刚石低噪声锯片在基体上用激光加工环槽，环槽中填入阻尼材料，刀头设计成“三明治”形式，噪声可从100 dB降至81～83 dB。（3）在尺寸上，金刚石圆锯片直径越来越大，厚径比越来越小。目前，国外最大的金刚石圆锯片的直径已达5 m。通过对锯片进行整形、校正、应力处理、热处理等可以获得最佳使用效果。
2.金刚石表面金属化研究取得显著成效
在以Fe、Cu、Co、Ni等为主的结合剂制成的金刚石工具中，由于以共价结合的金刚石晶体与上述结合剂无化学亲和力、界面不浸润等原因，金刚石颗粒只能被机械地镶嵌在结合剂基体中。在磨削力的作用下，当金刚石磨粒被磨露到最大截面之前，胎体金属就失去了对金刚石颗粒的卡固而自行脱落，使金刚石工具的使用寿命和加工效率降低，金刚石的磨削作用得不到充分发挥。因此，如果使金刚石表面具有金属化特征，则可以有效地提高金刚石工具的使用寿命和加工效率。金属化的实质，是将成键元素如Ti或其合金直接镀附在金刚石表面，通过升温加热处理，金刚石表面形成均匀的合金镀层。通过镀覆处理的金刚石磨粒，在制造金刚石工具的热压固相烧结或冷压液相烧结过程中，镀层与金刚石反应形成化学结合使金刚石表面金属化；另一方面，金属化的金刚石表层又能顺利地与金属胎体结合剂实现金属间的冶金结合，因此，镀钛及合金的金刚石对冷压液相烧结及热压固相烧结具有广泛的适用性。这样就使胎体合金对金刚石磨粒的固结力提高了，减少了金刚石工具在使用过程中磨粒的脱落，从而提高金刚石工具的使用寿命和效率。目前用于改变金刚石表面性质的方法主要有化学镀、真空蒸镀和离子镀等。
3.应用钎焊技术制作金刚石工具
20世纪80年代末，人们开始探索钎焊技术用于金刚石工具制作。采用在金刚石表面镀覆某些过渡族元素（如Ti、Cr、W等），并与其发生化学反应在表面形成碳化物。通过这层碳化物的作用，金刚石、结合剂、基体三者就能通过钎焊实现牢固的化学冶金结合，从而实现真正的金刚石表面金属化，这就是金刚石钎焊的原理。钎焊技术可实现金刚石、结合剂（钎焊合金材料）和金属基体界面化学冶金结合，具有较高的结合强度。由于界面上的结合强度高，所以仅需要很小的结合剂厚度就足以牢固地把持住磨粒，其裸露高度可达70%～80%，使磨料的利用更加充分，大大提高了工具的寿命和加工效率。与传统技术相比，金刚石工具的允许最大出刃值可增加50%以上，在工具的功耗不增甚至有所降低的条件下，单位体积上工件材料的金刚石耗量减少一半以上。与电镀工具相比，钎焊技术也显示了无可比拟的优势。钎焊技术在金刚石工具制作过程中有很好的发展前景。
4.纳米材料和技术
粉末粒度越细，表面积越大，表面能越高，烧结过程越容易进行，机械性能也越高。采用纳米技术把纳米级材料制作纳米级尺度的工具。由于纳米材料的颗粒极其微小，比表面积剧增，表面活性很强。纳米技术引用到金刚石工具制造中将对石材加工发挥更大作用。
5.激光焊
金刚石锯片的本质是基体通过适当胎体材料将金刚石嵌镶固定。它是在钢的基体上焊接一种由金刚石颗粒与胎体材料组成的复合烧结体，通常称为刀头。目前，国内采用的连接方法主要是钎焊和冷压烧结。冷压烧结主要用于小锯片，而钎焊锯片的基体与刀头结合面靠钎料熔化渗透连接，抗弯强度低，其弯曲强度仅为350～600 MPa，承载能力差，特别是干切时，锯片由于受热，表面温度达到钎料熔化点，导致刀头脱落，容易引发事故。所以，国外从20世纪80年代后期就发展激光焊代替钎焊。激光焊与钎焊比较，有许多显著优点，由于激光受热面积小，热影响区小，大大减少了应力和基体的变形；激光焊对金刚石没有影响，保证了产品的最佳性能，特别是激光焊属于熔化焊，结合强度高，其弯曲强度达1 800 MPa，可应用于干切场合。第二节 金刚石切割石材的研究
第一个用于锯割石材的金刚石圆锯片是法国人Felix Fromholt在1885年研制的。14年后金刚石锯片在Euville采石场得到应用。最早的金刚石锯片是在锯片的圆周上使用黑金刚石，并在巴黎的建筑过程中利用这种锯片锯割石灰岩和大理石。在1940年，由于粉末冶金技术的发展和应用，产生了金刚石烧结结块锯片。金刚石锯片技术的发展归结于合成金刚石的发明。天然金刚石的使用已经有几百年历史了，在这几百年中人们一直在努力寻找一种合成晶体的方法。一直到1953年瑞典的ASEA公司一个研究小组发明生产人造金刚石方法。美国DE公司在1955年开始在工业上大规模地生产人造金刚石。在过去40年间基于现代金刚石工具制造技术发展，金刚石工具已经广泛地应用到石材加工领域。目前金刚石工具市场连续地增长，用于切割石材的金刚石工具占整个欧洲金刚石工具的50%。目前的发展趋势是大范围地采用金刚石线锯加工花岗岩和石材表面磨削和抛光。
金刚石磨料通常通过烧结或电镀的方式制成切割工具。金刚石工具的切割过程类似于磨削加工，但由于受材质的影响，石材的加工机理与金属加工机理不同，且加工过程更为复杂。由于金刚石切割工具最早应用于石材切割，因此对金刚石切割石材的机理研究较多。国内外学者对金刚石工具锯切花岗岩的加工机理进行了长期研究：从早期应用岩石在压头侵入下的断裂理论、单颗粒金刚石划伤表面形貌观察法逐渐发展到综合应用偏光显微镜和扫描电镜观察岩石加工表面形貌以及裂纹的产生和扩展规律、用声发射信号评价岩石的切削状态等。但由于岩石等硬脆材料的切割状态及切割过程非常复杂，因此对其切割机理的研究至今尚未形成统一的认识。与磨削加工的研究类似，人们首先研究了金刚石工具切割石材时单颗金刚石与石材之间的作用机理。早期的试验研究表明：单颗粒金刚石在不同条件下切削花岗岩时，岩石的破坏方式主要以脆性崩碎为主；同时，根据不同的矿物成分，岩石中仍有塑性变形产生。
石材切削力的研究对石材设备设计、石材工具使用和制造具有重要意义。石材切削力主要来源于金刚石颗粒受到石材断裂应力、刀头与石材的摩擦力。石材切削影响石材加工设备的主轴刚度、结构机构的强度和刚度、主电机功率等，同时还影响工具寿命、工具基体的强度和刚度等力学性能。影响石材切削力的因素主要有三方面构成：第一是石材性能，包括石材强度、硬度、化学成分、石材结构和构造等；第二是石材加工工艺参数，包括切削深度、进给速度、切割线速度、冷却水流量等；第三是工具参数，包括金刚石粒度、金刚石强度、金刚石浓度、结合剂类型等。加工石材方式不同，所产生的切削力也不同。切削力采用各种传感器进行测量。
切削热主要是金刚石刀头与石材摩擦产生。由于石材导热性差，大部分热量传到工具中，使工具表面温度升高，造成金刚石工具金刚石石墨化，金刚石切削能力降低，同时导致工具基体产生热疲劳，强度和刚度降低，加工石材时噪声增加，振动加剧，金刚石刀头早期破损，工具寿命降低。测量切削温度主要采用热电偶和红外线测温仪。
金刚石工具的磨损对其工具切削能力和加工过程的稳定性有着重要的影响。同时对切削力、切削温度和加工表面质量有很大影响。石材锯切过程是磨粒切削加工过程，因此，在锯切过程中应不断有金刚石磨粒的机械微破碎及相应的胎体磨损。金刚石磨损过程可以分成正常磨损和非正常磨损。金刚石正常磨损指金刚石颗粒在加工石材过程中受到石材摩擦力和断裂应力作用，金刚石体积不断减少，最终导致金刚石磨粒从胎体中出刃高度降低或脱落而完全丧失切削能力。非正常磨损是金刚石没有达到使用寿命而产生破损或脱落。金刚石磨损整个过程可以分为初期磨损（出刃）、正常磨损、急剧磨损三个阶段。金刚石磨损形式主要有表面磨平、表面破碎、整体脱落等。其中金刚石表面磨平和脱落使金刚石失去切削能力，而金刚石表面破碎降低金刚石切削能力。金刚石工具的磨损可以通过切削力和切削温度反映出来。影响金刚石工具磨损因素主要包括石材因素、工具因素和加工因素等。第三节 石材加工工具的选择
石材加工工具合理选择是其使用的一个关键问题。选择合理可以提高石材加工工具寿命和加工质量，同时可以减少加工成本，这对石材企业尤为重要。金刚石工具选择时要考虑到价格和加工成本及加工质量之间的关系。对重要工程和贵重板材加工时采用的金刚石刀具价格可以高一些，可以保证工程质量和加工成本。对大批量生产可以采用价格较低的金刚石工具。金刚石工具的选择还要考虑到加工设备和加工工艺。每一个加工设备其主电机功率、进给速度都不同，由此影响工具使用寿命。同时设备的使用寿命和条件也是工具选择时所要参考的指标，这些参数都影响工具的使用。
金刚石工具选择要考虑的另外一个主要因素是被加工石材性能。正确地了解被加工材料性能对选择金刚石工具是一个很重要的因素。每一种石材都具有本身的硬度和耐磨性，这些特性对金刚石工具的磨损影响很大。
加工条件的选择主要考虑到加工时的冷却情况，是干切还是湿切。采用冷却水时还要考虑加工设备的电器和设备的腐蚀问题。一般情况下干切割也可以被使用，但是在加工时最好采用喷注式冷却方法，尽可能减少石粉对加工人员和环境的影响。但有些金刚石工具一定要采用水冷却，以提高工具使用寿命。石材加工工具的选择如图1-2所示。图1-2 石材加工工具选择要素第四节 石材加工工具的分类
石材的加工主要是锯切、磨削和抛光，它们占石材加工量的95%以上。其中，磨抛又是最复杂、最关键的工序，约占工作量的一半左右。常用石材加工工具分类如下。（1）按用途可分为开采和加工，如图1-3所示。（2）按制造工艺可分为热压烧结、电镀、热喷涂、离子束沉积和钎焊。（3）按加工工艺可分为平面和异型。（4）按磨料类型可分为金刚石类、碳化硅类和刚玉类。（5）按加工用途分为切割加工和磨削。图1-3 金刚石工具分类第五节 石材加工装备的发展
石材加工装备从加工工艺上分成锯机和磨机两大类，从石材加工形状上分成平面加工和异型加工，从生产规模上分为单机和流水线。石材锯机分成圆盘锯机、带锯机、绳锯机、框架据和异型锯机。石材磨机主要有手扶磨机、桥式磨机、侧面磨机、立式磨机和流水线磨机。
框架锯机的发展趋势是自动化和大型化，锯切工艺参数可在一定范围内自动调节，连杆行程实现不停机自动补偿。框架锯的锯切过程是非连续性的，因而锯切速度不可能快，一般不超过2m/s，所以提高生产效率的途径之一就是向大型化发展，增加每批次的锯切数量。目前世界上最大的框架锯一次可生产120块板材。
圆锯片锯广泛用于锯切各种石材，它的锯切速度很快，但锯切深度受到锯片直径的限制，一般不超过直径的1/3。1997年德国研制成功直径达5 m的圆锯片芯片，据称是世界上最大的。据预测，在未来5年内，国际上多片式圆锯片将以每年200台的速度增长。
金刚石串珠绳锯有多种结构，锯切速度可根据不同的石材在30～40 m/s之间调节，可锯切特大块的荒料，高度达2 m，宽度4 m，长度不限。由于金刚石串珠绳比钢丝绳加磨料锯切法用的钢丝绳短得多，厂房占地面积小，工作噪声也较小，因此这种锯切方法在国外已推广。
石材的异型加工若采用人工方式或单工序机械加工方式，则劳动量大、生产效率低、抛光成本高，难于满足质量要求，而且运用金刚石工具损耗快。所以一些工业发达国家采用了装有金刚石铣刀的方形铣床加工异型石材制品。其优点是一次夹装可完成多工序作业，加工质量高，很适宜加工复杂的轮廓；缺点是只能单件生产，而且对金刚石铣刀的技术要求很高。目前异型石材加工机械有向数控化发展的趋势，从产品设计、工序操作到生产管理都使用了电脑，可以得心应手地加工各种异型石材制品。石材加工装备向数控化、智能化方向发展。异型加工已有各种加工中心，桥式切机已有组合切机，即把高压水和金刚石锯片进行组合，完成多功能用途。桥式切机具有板材表面自动扫描功能，把石材表面形貌进行扫描，然后进行优化排板和自动下料。石材磨机目前向流水线和自动化方向发展，提高磨削效率和清洁卫生。第二章 石材分类和性能第一节 石材的定义和地质分类一、石材的定义
建筑石材是指具有一定的物理、化学性能，可用作建筑材料的岩石，包括天然岩石和人造岩石两大类。由天然岩石开采的、经过或不经过加工而制得的材料，称为天然石材。人造石材是用无机或有机胶结料、矿物质原料及各种外加剂配制而成的，如人造大理石、人造花岗石等。由于天然石材具有抗压强度高，耐久性和耐磨性良好，资源分布广，便于就地取材等优点，至今仍被广泛应用。但天然岩石的性质较脆、抗拉强度较低、表观密度大、硬度高，因此开采和加工比较困难。天然岩石是由各种不同地质作用所形成的天然固态矿物组成的集合体。矿物是在地壳中受各种不同地质作用所形成的具有一定化学组分和物理性质的单质（如石英、方解石等）或化合物（如云母、角闪石等）。组成岩石的矿物称为造岩矿物。目前，已发现的矿物有3300多种，绝大多数是固态无机物。主要的造岩矿物有30多种。由单一矿物组成的岩石叫单矿岩；由两种或更多种矿物组成的岩石叫多矿岩。例如，石灰岩是主要由方解石矿物组成的单矿岩；花岗岩是由长石、石英、云母等几种矿物组成的多矿岩。
根据岩石的成因，按地质分类法，天然岩石可以分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。二、石材的地质分类
1.岩浆岩（1）岩浆岩的形成和种类
岩浆岩又称火成岩，是地壳内的熔融岩浆在地下或喷出地面后冷凝而成的岩石。根据不同的形成条件，岩浆岩可分为以下三种：
① 深成岩——地壳深处的岩浆，在受上部覆盖层压力的作用下，经缓慢冷凝而形成的岩石。建筑上常用的深成岩有花岗岩、正长岩、橄榄岩、闪长岩和辉长岩等。
② 喷出岩——岩浆冲破覆盖层喷出地表时，在压力降低和冷却较快的条件下而形成的岩石。建筑上常用的喷出岩有玄武岩、安山岩等。
③ 火山碎屑岩—火山爆发时，岩浆被喷到空中而急速冷却并落到地面后形成的岩石。（2）建筑中常用的岩浆岩
① 花岗岩—岩浆岩中分布较广的一种岩石，主要由长石、石英和少量云母（或角闪石等）组成，具有致密的结晶结构和块状构造。在建筑中花岗岩常用于基础、闸坝、桥墩、台阶、路面、墙石和勒脚及纪念性建筑物等。但在高温作用下，由于花岗岩内的石英膨胀而引起破坏，因此其耐火性不好。
② 玄武岩—喷出岩中最普通的一种，颜色一般为黑色或棕黑色，常呈玻璃质或隐晶质结构，有时也呈多孔状或斑状构造。常用做高强混凝土的骨料，也用其铺筑道路路面等。
③ 辉绿岩—具有深灰、墨绿等色，致密块状构造，有时有气孔或杏仁状构造。可用作建筑材料，铺砌道路，它具有较高的耐酸性，可做耐酸混凝土骨料。
④ 火山灰—颗粒粒径小于2 mm，具有火山灰活性，磨细后在常温和有水的情况下，可与石灰反应生成具有水硬性胶凝能力的水化物。因此，可做水泥的混合材料及混凝土的掺合料。
⑤ 浮石—粒径大于5 mm并具有多孔构造（海绵状或泡沫状火山玻璃）的火山碎屑岩，其表观密度小，可做轻质混凝土的骨料。
⑥ 凝灰岩—凝聚并胶结成大块的火山碎屑岩，具有多孔构造，表观密度小，抗压强度为5～20 MPa，可做砌墙材料和轻混凝土的骨料。
2.沉积岩（1）沉积岩的形成和种类
沉积岩又称水成岩，是由沉积物固结而形成的岩石。根据沉积岩的生成条件，可分为以下三种：
① 机械沉积岩—由自然风化而逐渐破碎松散的岩石及砂等，经风、雨、冰川、沉积等机械力的作用而重新压实或胶结而成的岩石，如砂岩、页岩等。
② 化学沉积岩—由溶解于水中的矿物质经聚积、反应、重结晶等并沉积而形成的岩石。如石膏、白云岩等。
③ 有机沉积岩—由各种有机体的残骸沉积而成的岩石。如生物碎屑灰岩、硅藻土等。（2）建筑中常用的沉积岩
① 石灰岩——俗称灰石或青石，主要化学成分为CaCO。主要3矿物成分为方解石。石灰岩来源广，硬度低，易劈裂，便于开采，具有一定的强度和耐久性，因而广泛用于建筑工程中。其块石可作基础、墙身、阶石及路面等，其碎石是常用的混凝土骨料。此外，它也是生产水泥和石灰的主要原料。
② 砂岩—主要是由石英砂或石灰岩等的细小碎屑经沉积并重新胶结而成的岩石。它的性质决定于胶结物的种类及胶结的致密程度。致密的硅质砂岩性能接近于花岗岩，密度大、强度高、硬度大、加工较困难，可用于纪念性建筑及耐酸工程等；钙质砂岩的性质类似于石灰岩，较易加工，应用较广，可作基础、踏步、人行道等，但不耐酸的侵蚀；铁质砂岩的性能比钙质砂岩差，其中密实者可用于一般建筑工程；黏土质砂岩侵水易软化，建筑中一般不用。
3.变质岩（1）变质岩的形成及种类
变质岩是由原有岩石经变质后形成的岩石。即地壳中原有的各类岩石，在地层的压力或温度作用下，在固体状态下发生再结晶作用，而使其矿物成分、结构构造以致化学成分发生部分或全部改变而形成的新岩石，如大理岩、石英岩等。（2）建筑中常用的变质岩
① 大理岩——又称大理石，是一种碳酸盐矿物大于50%的变质岩。大理石构造致密，密度大，但硬度不大，易于分割。锯切、雕刻性能好，磨光后非常美观，可用于高级建筑物的装饰和饰面工程。
② 石英岩——由硅质砂岩变质而成，晶体结构。岩体均匀致密，抗压强度高，耐久性好。但硬度大，加工困难。常用作重要建筑物的贴面石，耐磨耐酸的贴面材料，其碎块可用于道路或作混凝土的骨料。
③ 片麻岩——由花岗岩变质而成，其矿物成分与花岗岩相似，呈片状构造，因而各个方向的物理力学性质不同。常用作碎石、块石及人行道石板等。第二节 天然石材的技术性质、加工类型及用途一、技术性质
天然石材的技术性质，可分为物理性质、力学性质和工艺性质。
1.物理性质（1）表观密度
天然石材根据表观密度大小可分为：3
轻质石材 表观密度≤1 800 kg/m；3
重质石材 表观密度＞1 800 kg/m。
表观密度的大小常间接反映石材的致密程度与孔隙多少。在通常情况下，同种石材的表观密度越大，则抗压强度越高，吸水率越小，耐久性好，导热性好。（2）吸水性
吸水率低于1.5%的岩石称为低吸水性岩石，介于1.5%～3.0%的岩石称为中吸水性岩石，吸水率高于3.0%的岩石称为高吸水性岩石。
岩浆深成岩以及许多变质岩，它们的孔隙率都很小，故吸水率也很小，例如花岗岩的吸水率通常小于0.5%。沉积岩由于形成条件、密实程度与胶结情况有所不同，因而孔隙率与孔隙特征的变动很大，这导致石材吸水率的波动也很大，例如，致密的石灰岩的吸水率可小于1%，而多孔的贝壳石灰岩吸水率可高达15%。
石材的吸水性对其强度与耐水性有很大影响。石材吸水后，会降低颗粒之间的黏结力，从而使强度降低。有些岩石还容易被水溶蚀，因此，吸水性强与易溶的岩石，其耐水性较差。（3）耐水性
石材的耐水性以软化系数表示。岩石中含有较多的黏土或易溶物质时，软化系数则较小，其耐水性较差。根据软化系数大小，可将石材分为高、中、低三个等级。软化系数＞0.90为高耐水性，软化系数在0.75～0.90之间的为中耐水性，软化系数在0.60～0.75之间为低耐水性，软化系数＜0.60，则不允许用于重要建筑物中。（4）抗冻性
石材的抗冻性，是指其抵抗冻融破坏的能力。其值是根据石材在水饱和状态下按规范要求所能经受的冻融循环次数表示。能经受的冻融循环次数越多，则抗冻性越好。石材抗冻性与吸水性有密切的关系，吸水率大的石材其抗冻性也差。根据经验，吸水率＜0.5%的石材，则认为是抗冻的。（5）耐热性
石材的耐热性与其化学成分及矿物组成有关。石材经高温后，由于热胀冷缩、体积变化而产生内应力或因组成矿物发生分解和变异等导致结构破坏。如含有石膏的石材，在100℃以上时就开始破坏。含有碳酸镁的石材，温度高于725℃会发生破坏；含有碳酸钙的石材，温度达827℃时开始破坏。由石英与其他矿物所组成的结晶石材，如花岗岩等，当温度达到700℃以上时，由于石英受热发生膨胀，强度迅速下降。
2.力学性质
天然石材的力学性质主要包括：抗压强度、冲击韧性、硬度及耐磨性等。（1）抗压强度
石材的抗压强度，是以3个边长为70 mm的立方体试块的抗压破坏强度的平均值表示。根据抗压强度值的大小，石材共分9个强度等级：MU100，MU80，MU60，MU50，MU40，MU30，MU20，MU15和MU10。抗压试件也可采用表2-1所列各种边长尺寸的立方体，但应对其试验结果乘以相应的换算系数。表2-1 石材强度等级的换算系数（2）冲击韧性
石材的冲击韧性决定于岩石的矿物组成与构造。石英岩、硅质砂岩脆性较大。含暗色矿物较多的辉长岩、辉绿岩等具有较高的韧性。通常具有晶体结构的岩石较非晶体结构的岩石具有较高的韧性。（3）硬度
石材的硬度取决于石材的矿物组成的硬度与构造。凡由致密、坚硬矿物组成的石材，其硬度就高。岩石的硬度以莫氏硬度表示。（4）耐磨性
石材的耐磨性是指石材在使用条件下抵抗摩擦、边缘剪切以及冲击等复杂作用的能力。石材的耐磨性包括耐磨损与耐磨耗两方面。凡是用于可能遭受磨损作用的场所，例如台阶、人行道、地面、楼梯踏步等和可能遭受磨耗作用的场所，例如道路路面的碎石等，应采用具有高耐磨性的石材。
3.工艺性质
石材的工艺性质，主要指其开采和加工过程的难易程度及可能性，包括加工性、磨光性与抗钻性等。（1）加工性
石材的加工性，主要是指对岩石开采、锯解、切割、凿琢、磨光和抛光等加工工艺的难易程度。凡强度、硬度、韧性较高的石材，不易加工；质脆而粗糙，有颗粒交错结构，含有层状或片状构造，以及已风化的岩石，都难以满足加工要求。（2）磨光性
石材的磨光性指石材能否磨成平整光滑表面的性质。致密、均匀、细粒的岩石，一般都有良好的磨光性，可以磨成光滑亮洁的表面。疏松多孔、有鳞片状构造的岩石，磨光性不好。（3）抗钻性
石材的抗钻性指石材钻孔时，其难易程度的性质。影响抗钻性的因素很复杂，主要由石材结构和构造所确定。一般石材的强度越高，硬度越大，越不易钻孔。
由于用途和使用条件的不同，对石材的性质及其所要求的指标均有所不同。工程中用于基础、桥梁、隧道以及石砌工程的石材，一般规定其抗压强度、抗冻性与耐水性必须达到一定指标。建筑工程中常用天然石材的技术性能如表2-2所示。表2-2 建筑中常用天然石材的性能及用途续表二、加工类型及用途
建筑上使用的天然石材常加工为不同形状和不同尺寸的板块，形状规则的石块、石板，形状特殊的石制品等。
毛石——在采石场爆破后直接得到的形状不规则的石块。按其表面的平整程度分为乱毛石和平毛石两类。建筑用毛石，一般要求石块中部厚度不小于150 mm，长度为300～400 mm，质量约为20～30 kg，其强度不宜小于10 MPa，软化系数不应小于0.75。常用于砌筑基础、勒脚、墙身、堤坝、挡土墙等，也可配制片石混凝土等。
料石——用毛料加工成较为规则的，具有一定规格的六面体石材。按料石表面加工的平整程度可分为以下四种：毛料石、粗料石、半细料石和细料石。料石常用致密的砂岩、石灰岩、花岗岩等开采凿制，至少应有一个面的边角整齐，以便相互合缝。料石常用于砌筑墙身、地坪、踏步、拱和纪念碑等形状复杂的料石制品可用于柱头、柱基、窗台板、栏杆和其他装饰品等。
大理石板材——用大理石荒料经锯切、研磨、抛光等加工后的石板。大理石板材主要用于建筑物室内饰面。当用于室外时，因大理石抗风化能力差，易受空气中二氧化硫的腐蚀，而使表面层失去光泽，变色并逐渐破损。通常只有汉白玉、艾叶青等少数几种致密、质纯的品种可用于室外。
花岗石板材——由火成岩中的花岗岩、闪长岩、辉长岩、辉绿岩等荒料加工而成的石板。该类板材的品种、质地、花色繁多。由于花岗石板材质感丰富，具有华丽高贵的装饰效果，且质地坚硬、耐久性好，所以是室内外高级饰面材料。可用于各类高级建筑物的墙、柱、地、楼梯、台阶等的表面装饰、服务台、展示台、家具等。第三节 石材的可加工性
为了使石材工具生产企业、矿山开采和加工企业对石材特性有一个共识，引进石材加工性概念。石材加工主要是锯、切、磨、抛等工艺。石材加工性是指石材锯、切、磨、抛加工的难易程度。因此一般石材的加工性通常指可锯性和可磨性。
加工石材过程中，花岗岩硬度高，加工难度大，工具的消耗占总消耗的很大一部分，然而工具的磨损主要取决于石材的加工性，因此一般把花岗岩进行加工分类。德国根据研磨因数把石材的加工性能分成3类，从容易到难加工，对每一类石材都推荐相应的切割速度和进给速度。美国把石材加工性分成4级，法国根据石材磨损性能把石材分成5类，同时推荐相应的加工参数。一、石材加工性评价分类
测量和评价石材加工性可以分成微观方法和宏观方法。
微观方法采用单颗粒金刚石测量石材加工性。当金刚石切割一种石材颗粒，这个石材颗粒还受到周围颗粒的影响，因此精确测量岩石的微观性能是比较困难并且测量成本也比较高。测量石材宏观加工性能相对比较容易，当加工一种石材时，对该种石材的影响指标进行平均计算。对石材加工性进行测量时，主要考虑到岩石的矿物成分、硬度和耐磨性，由此确定加工性等级。二、影响石材加工性因素
影响石材加工性的主要因素有以下三种。（1）硬度，一般情况下，石材硬度越大则加工越困难，对工具的磨损也越大。（2）矿物成分和化学成分，石材的物质组分包括矿物组成和化学成分，不同的矿物成分和化学成分，加工性也不同。如大理石造岩矿物主要为方解石、白云石，其莫氏硬度分别是3和3.5～4，较花岗石硬度低，易于加工。花岗石的主要造岩矿物是石英、正长石、斜长石，它们的莫氏硬度为6.5～7。其可加工性在很大程度上取决于石英和长石的含量，石英含量越高，越难加工。在化学成分上，如SiO含2量越高，加工越困难。（3）岩石的结构构造，一般来说颗粒均匀比颗粒不均匀的石材易加工，细粒比片状磨光质量高，致密石材比疏松石材光泽度高。矿物结晶程度好，且结晶定向排列、光轴方向一致将大大提高抛光后的光泽度。岩石的解理、晶界和初始裂纹对加工性也有很重要的影响。三、确定石材加工性方法
选择10种岩石标本，从容易加工到难加工。每一个样品采用岩相学和岩石结构进行分析、耐磨性试验和硬度测量。测量时选用试验切割机，切割机参数如表2-3所示。石材性能测量数据如表2-4所示。表2-3 切割机参数表2-4 石材性能续表2
石材的加工性可用其磨损性能（m/mm）表示，即每毫米锯条的磨损量所锯割石材的面积，在上述表中的7个变量中，仅2个变量影响磨损性能，即耐磨性和石英的含量。磨损性能可以用线性回归方程表示，即2
式中 Y——磨损性能，m/mm；
B——石英含量，%；
C——耐磨性。
从式（2-1）可以看到Y值越小，石材越容易加工。采用式（2-1）对45个花岗岩的磨损性能进行计算，根据磨损性能的难易程度从低到高分成4组：第1组，Y＞7；第2组，4＜Y≤7；第3组，3＜Y≤4；第4组，Y≤3。其计算结果如表2-5所示。表2-5 花岗岩加工性能分类续表
表2-5中的数据由于采用小样本试验，具有很大的离散性，使用石材加工性时要考虑到其随机性和误差范围。每一组数据都是一个近似值，并与所观察的石材相一致。在同一组中石材加工性的排列都有一个变化范围。该试验方法所建立的石材加工性主要是基于一定的试验基础，而并不能准确地预测出石材的加工性，由于石材的性能具有很大的离散性，加工条件变化也很大，但是通过上述石材的加工性分类可以给出一个参考值。
从表2-5中可以看到，容易切割的石材是各种钙长岩和辉长岩，然而难加工的是大颗粒和石英含量高的花岗岩。因此在加工石材时应重点考虑第3组和第4组难加工的石材，在加工第3组和第4组难加工的石材时应合理选择磨料和结合剂类型以及最佳的切割参数和合适的设备功率参数。四、石材加工性分类
1.花岗岩加工性分类
花岗岩是火成岩，主要由石英、长石和重矿物（如白云母、黑云母、闪石或辉石）构成。这些颗粒物的硬度比较高。花岗岩的可锯性根据锯割深度和石材硬度分成5组，从中等到比较容易加工的为1～3级，难加工的分为4～5级，如表2-6和表2-7所示。表2-6 花岗岩加工性分类表2-7 花岗岩加工性分类
2.大理石加工性分类
大理石多数成分由碳酸盐和白云石构成，经加工后具有装饰性能，有时具有美丽图案、多种色彩或单一色彩的岩石。大理石和石灰岩加工性根据其硬度分成5组，如表2-8所示。表2-8 大理石加工类型和硬度续表
3.砂岩加工性分类
砂岩主要是砂粒和黏土结合而构成的岩石。黏土结合剂有硅酸盐、钙（质）、黏土（质）和含铁（质）的。砂岩的结合剂成分决定了砂岩的强度、密度、硬度等。同时也决定了砂岩的颜色。砂岩加工性分成四组，如表2-9所示。表2-9 砂岩类型和硬度续表五、石材加工性其他指标
对石材加工性测量时要对石材进行以下几个方面的检测，包括肖氏硬度、耐磨性、岩相分析等。
1.肖氏硬度测量
肖氏硬度测量主要使用一个带有金刚石的重锤从一定的高度落在石材表面，然后测量重锤的回弹高度。该试验方法简单，操作容易。石材表面肖氏硬度测量时，选择的石材样品表面需要抛光，样品表面2积为2 in，随机地测量100个点，取100个点的平均值。对同一品种的石材肖氏硬度重复性比较好，但是对科加工性不是很好。
2.耐磨性
耐磨性可根据《ASTM Designation C 241-51（1958）》标准进行测量。测量时每种石材选用3个样品，样品采用圆边，厚度为21in（1in=2.54 cm），面积为2 in。样品固定在方形工作台上，工作台与一个摩擦钢轮平衡，摩擦钢轮以45 r/min的转速回转，60目刚玉磨料的流速为衡流速。每个样品施加的载荷为20 N，样品通过样品工作台进行回转。石材磨损试验机如图2-1所示。图2-1 磨损试验机原理图
当摩擦钢轮以45 r/min的转速转动时，试样在齿轮和中间轴的带动下同时以45 r/min的转速转动，磨料通过料斗流到摩擦钢轮端面上，在试样和摩擦钢轮的表面上做相对运动，并使试样表面磨损。预置计数器接收装在试验机内部接近开关的通、断信号，以达到计数的目的，当达到预置转数时使设备停止。
磨损试验机主要技术参数如表2-10所示。表2-10 主要技术参数续表
我国的石材耐磨性国家标准为GB 9966.4—1988。试验机为道瑞式耐磨试验机，标准砂：符合GB 178《水泥强度试验用标准砂》的标准砂。天平：最大称量100 g，感量0.01 g。试样为直径（25±0.5）mm、长60 mm的圆柱体。有层理的试样，垂直与平行层理各取4个，没有层理试样取4个。
耐磨性试验步骤如下：（1）将试样放入（105±2）℃烘箱中干燥24 h，取出，冷却至室温立即进行称量，质量为m（精确到0.01 g）。0（2）将称量过的试样装入耐磨机上，每个卡具质量为1 250 g，圆盘转1 000转完成一次试验，其余按仪器操作说明进行试验，试验完将试样取下，用刷子刷去粉末，称量磨后质量（精确到0.01 g）。（3）用游标卡尺测量试样受磨端的直径φ1 mm，再测垂直方向直径φ2 mm，求平均值，用平均值求受磨面积A。0（4）结果计算耐磨率按下式计算：2
式中 M——耐磨率，g/cm；
m——磨前质量，g；0
m——磨后质量，g；12
A——试样被磨端的面积，cm。（5）试验结果计算试样不同层理耐磨率算术平均值，取两位有效数。
3.岩相分析
样品采用圆柱形，直径为1 cm，样品黏结到玻璃板上，样品抛光到厚度为30μm。采用岩相显微镜对矿物样品进行分析。矿物相的体积百分比通过计数点确定，毫米级的矿物颗粒可以用显微镜上的刻度尺进行测量。通过岩相分析只能对岩石形成一小部分进行确定，而对于粗大颗粒的岩石，由于样品的尺寸与颗粒尺寸比较相对不是很大，因此对构成岩石成分百分比测量是不准确的。第三章 石材加工理论第一节 石材加工理论研究现状和石材切屑的形成一、石材加工理论研究现状
1.概述
长期以来，国内外专家学者对金刚石工具锯切石材的加工机理、金刚石工具的磨损机理做了大量研究，取得了令人瞩目的成果，对石材锯切加工以及金刚石工具的研究开发起到了积极的理论指导作用。
金刚石磨料通常通过烧结或电镀的方式制成切割工具。金刚石工具的切割过程类似于磨削加工，但由于受材质影响，石材的加工机理与金属加工机理不同，且加工过程更为复杂。由于金刚石切割工具最早应用于石材切割，因此对金刚石切割石材的机理研究较多。国内外学者对金刚石工具锯切石材的加工机理进行了长期研究：从早期应用岩石在压头侵入下的断裂理论、单颗粒金刚石划伤表面形貌观察法逐渐发展到综合应用偏光显微镜和扫描电镜观察石材加工表面形貌以及裂纹的产生和扩展规律、用声发射信号评价石材的切削状态等。
但由于石材等硬脆材料的切割状态及切割过程非常复杂，因此对其切割机理的研究至今尚未形成统一的认识。与磨削加工的研究类似，人们首先研究了切割加工时单颗金刚石颗粒与石材之间的作用机理。早期的试验研究表明：单颗粒金刚石在不同条件下切削花岗岩时，岩石的破坏方式主要以脆性崩碎为主；同时，因为矿物成分的不同，石材中也有塑性变形产生。
2.国外研究现状
P.Bienert在以混凝土加工为研究对象的博士论文中提出了单颗粒金刚石切割石材的模型。该模型将锯切石材的过程概括为以下3个过程：（1）在金刚石颗粒的前方，由于压应力产生的剪切作用，石材材料被破碎，形成主切屑，并被崩出和挤出切削区；（2）在磨粒下方，由于高压作用以及可能存在的温度影响，材料产生塑性变形而形成二次切屑，在一定的薄层内形成光滑表面；（3）在磨粒后方，由于突然的弹性应力释放，导致较大切屑的形成，它由松散的块状切屑和二次切屑组成。
P.Bienert模型对金刚石磨粒切削石材的切屑形成过程作了详细描述，但未能深入研究切屑形成过程中切削区的应力分布及其引起裂纹的产生和扩展规律，也没有反映刀刃前下方压实体的情况。
M.Meding对P.Bienert模型进行了改进，认为切削过程存在三个变形区：（1）第一变形区位于磨粒前方及其附近区域。负前角刀刃产生的压应力使石材发生剪切破坏，碎裂的石材颗粒从磨粒前部飞出，石材向磨粒两边挤压。（2）第二变形区位于磨粒下方。对于石灰岩和大理石，在与磨粒接触的表面上形成一个塑性变形区，工件表面光滑（主要由压应力引起），强烈的塑性变形只有几微米厚；花岗岩在接触区高温高压作用下也会产生局部塑性变形。（3）第三变形区位于磨粒后方。在与磨粒邻近区域形成一些由细小的岩石颗粒组成的尾巴，由试验结果推断，这主要是由于磨粒划过后划痕表面应力由压应力转变为拉应力所致。
3.国内研究现状
国内也有不少学者对花岗岩等石材的锯切机理进行了研究。徐西鹏等通过对花岗岩锯切表面的扫描电镜观察认为：石英岩的断裂形式主要为沿晶断裂和穿晶断裂，其变形方式主要由岩石主要成分——石英的变形方式决定；其他花岗岩的主要构造成分为石英、正长石和斜长石，因此其变形特征由三者共同决定。其中，云母的节理最完整，最易去除，其次是正长石和斜长石，而石英几乎不发生节理断裂，因此最难切割。金刚石切割花岗岩时的挤压作用将引起花岗岩的脆性断裂，这是因为花岗岩中存在各种缺陷和应力集中，在挤压作用下引起裂纹产生及扩展，导致花岗岩的脆性破坏。
作为一种无损检测方法，声发射测量法已被用于切削加工刀具的破损和磨损监控、石材断裂过程分析等方面。一些研究认为，声发射均方根值（AErms）与石材的可加工性有良好的对应关系，石材硬度与 AErms 值成正比。试验表明，AErms值越大，用金刚石圆盘锯锯切岩石的可加工性越差。王成勇采用DIN50103测量，用洛氏硬度金刚石压头在TypFP3 NC铣床上进行了单颗磨粒磨削试验，分析了声发射信号与磨削深度、石材种类、矿物成分等因素的关系。研究表明：单颗粒金刚石磨削花岗石时的声发射信号受到花岗岩种类、矿物成分、磨削深度等因素的影响。磨削和锯切可加工性好的花岗岩、石英（或磨削深度较大）时，AErms平均值较大，处于高峰值范围的信号较多。AErms值还反映了磨削过程中的断裂方式，对花岗岩而言，AErms 平均值小，处于低峰值范围的信号多，则表示微破碎成分多、破碎能耗高。
4.结论
虽然人们从不同角度对石材锯切机理进行了大量研究，但由于石材锯切过程相当复杂，人们对锯切过程物理本质的认识尚需进一步深入。石材锯切过程犹如一个黑箱，只能通过合适的测量仪器，建立输入与输出参数的对应关系。因此，目前建立的一些锯切模型虽然在一定程度上反映了锯切过程的规律，但还不能完全说明锯切过程的物理本质。二、石材切屑的形成
金刚石加工石材时，一般情况下石材受到压力和水平切削共同作用。金刚石颗粒作为刀具对石材施加外力，石材在外力作用下，表面产生破坏，并在刀具运动冲击作用下产生切屑，其加工过程如图3-1所示。石材的切削过程是通过断裂破碎成切屑的。因此，石材材料的切削过程应以断裂力学为基础进行研究。
切削过程大体分为5个阶段。（1）大规模挤裂阶段。在该阶段材料发生大块破碎切除，形成片状或颗粒状切屑同时在加工表面上形成大而深的凹坑。图3-1 石材切削过程（2）空切阶段。刀具在大凹坑上方行进与材料不接触相当于空切。（3）小规模挤裂阶段（微小块破碎切除）。刀具继续前进与带有斜坡的坑壁接触再次进行切削，由于实际切厚很小只发生小规模的挤裂和微小块的切除，形成粉状切屑，在加工表面上形成很小很浅的凹坑。（4）小规模挤裂阶段（次小块破碎切除）。由于坑壁成斜坡状，进一步切削的切削深度逐渐增加，切离的材料较前一阶段增大，因此在表面形成的凹坑也变大。（5）重复大规模挤裂。再一次发生大规模挤裂使切削重复进行。第二节 石材切削力一、概述
切削力是工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力，它是影响工艺系统强度、刚性和加工工件质量的重要因素。切削力也是设计机床、刀具和计算切削动力消耗的主要依据。在自动化生产中，常利用切削力来检测和监控刀具磨损、加工表面质量。
在石材锯切过程中锯切力是一个非常重要的参数，锯切力的大小不仅决定了加工机床的功率，而且还决定了工具所受的载荷。金刚石工具锯切石材的过程，实际上可以看做是大量具有微刃的金刚石磨粒不断切削石材的过程。金刚石工具所受锯切力是作用于每个金刚石颗粒上的锯切力的总和，因此有必要研究锯切力、切屑与金刚石磨粒几何形状之间的关系，同时研究工艺参数对单个金刚石颗粒及整个工具切削性能的影响。锯切力包括岩石的破碎阻力、金刚石与岩石之间的摩擦力、锯屑与金刚石和金属胎体之间的摩擦力。
石材的破碎阻力与石材的物理性能、化学成分、矿物组分以及锯切工艺参数有关。尽管对花岗岩的破碎机理尚不完全清楚，但人们普遍认为，锯屑的形成过程属于脆性破坏，消耗的能量并不大，因此破碎阻力分量很小，仅占锯切力分量的15%左右，而摩擦力造成的功率损耗约占锯切功率的82%～87%。二、切削力的来源
锯片锯切花岗石的过程是锯片对花岗石不断磨削的过程，金刚石刀头被固定在基体上，一方面绕轴心做圆周运动，另一方面随着锯片的进给而平行移动，这两种运动的复合使刀头的运动变得复杂，锯片除了受到主轴传入的扭矩作用外，还要承受锯切弧区内花岗石对锯片的作用力。该作用力的大小将影响锯片节块上金刚石的使用寿命、锯片基体和机床的刚性以及主电机消耗的功率，从而最终决定锯切毛板的质量和加工成本。
花岗石对锯片的作用力实际上是沿着锯切弧区分布的，为了研究方便，可将作用力合成为位于图3-2中所示β处的一对力，即水平锯切力F和垂直锯切力F，或法向锯切力F和切向锯切力F。本实验中规hvnt定F以向上为正方向，F以与进给速度V相同的方向为正方向。vhf
金刚石锯片切割石材时，按锯片切割线速度与进给速度方向是否一致分成顺切和逆切。如果锯片的线速度与进给方向一致为顺切；如果锯片的线速度与进给方向相反为逆切。图3-2 顺切花岗石时锯片的受力示意图
在顺切的情况下，由于锯切水平力是锯切切向力和法向力在水平方向的分力的合成，而锯切切向力和法向力在水平方向的分力的相反，因此锯切水平力的方向可能出现两种情况。在切深a比较大时，p锯切法向力在水平方向的分力要明显的大于切向力在水平方向的分力，此时锯片承受的锯切水平力的方向与进给速度相同，进给运动要由进给机构驱动才能实现；而在切深a比较小时，锯切切向力的水平p分力就有可能大于法向力的水平分力，锯切水平力的方向与进给速度相反，此时如果锯切头或者工作台能够自由滑动的话，进给运动就可以通过锯切水平力来实现自进给了。因此，在计算锯切法向力F和切n向力F时要注意锯切水平力F的方向。顺切花岗石过程中锯片的受力th情况如图3-2所示，其中图（a）为锯切水平力F方向与进给速度V方hf向相反时的受力图；图（b）为锯切水平力F方向与进给速度V方向nf相同时的受力图，逆切时锯片的受力情况如图3-3所示。图3-3 逆切花岗石时锯片的受力示意图三、切削力的理论公式
在石材的加工中，计算切削力具有很实用的意义。切削力的计算可以利用理论计算公式和实验得到的实验公式进行。
在利用垂直力F和水平力F求法向力F和切向力F的过程中，许vhnt多的研究人员直接让F等于F，F等于F，这在切深a很小的磨削中，thnvp这一种方法误差不大，但在a较大，特别是大切深锯切加工中，该方p法将导致很大的误差，因此应当根据它们之间力学关系求出具体的数值。由图3-3可知，顺切时若锯切水平力F的方向与进给速度V的方hf向相同，则它们之间有如下的关系式：
若锯切水平力的方向与进给速度的方向相反，则它们之间的关系变为：
由图3-3可知，逆切时它们之间有如下的关系式：
式中，β为锯切合力所在的位置角，但β的大小不容易确定，如果按锯切力的大小与锯屑的厚度成正比计算，则锯切力在锯切弧区内的分布基本上为三角形分布，因而锯切合力所在的位置角β=（2/3）α，α为锯切弧区角（α=arccos（1-2a/d），a为切割深度，d为锯片psps的直径）。四、切削力的测量和实验公式
1.切削力的测量
切削力的实验公式是利用测力仪测得的切削力数据经整理而建立的。测力仪的主要元件是测力传感器。目前常用的测力仪是电阻应变片式和压电晶体式两类。下面主要介绍电阻应变片式测力仪。
电阻应变片式测力仪的工作原理是测力仪的八角环为弹性元件，在环的内外壁上粘贴电阻应变片，并联结成三个电桥以作为测定X、Y、Z三个方向切削力的传感器，切削力由刀具传递到八角环，八角环的变形使紧贴在其上的电阻应变片也随之变形，电阻值 R 发生了变化（R+ΔR）。当应变片受拉伸时，电阻丝 A 径变细，电阻值增大（R+ΔR），当应变片受压缩变形时，电阻丝直径变粗，电阻值变小（R-ΔR），从而输出正比例电信号。电阻应变片组成的电桥如图3-4所示。
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