劉 貝，李 慧，馮顯英,1b，王兆國，路篤存

(1.山東大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061；2.中共汶上縣委組織部，山東 濟(jì)寧 272501)

龍門型石材數(shù)控復(fù)合鋸切機(jī)床圓鋸片的受力分析與優(yōu)化

劉 貝1a，李 慧1a，馮顯英1a,1b，王兆國1a，路篤存2

(1.山東大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061；2.中共汶上縣委組織部，山東 濟(jì)寧 272501)

為了減小因切削區(qū)域垂向力作用使圓鋸片基體產(chǎn)生的交變應(yīng)力，改善和提高圓鋸片性能，采用ANSYS有限元分析對圓鋸片進(jìn)行力學(xué)分析后，提出了一種圓弧型基體表面，在鋸片鋸齒厚度一定的情況下，較好地改善了平切圓鋸片的垂向切削承受能力，圓鋸片切削性能和使用壽命得到了顯著的提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化后的鋸片質(zhì)量只增加了200g，而切削區(qū)域垂向力產(chǎn)生的交變應(yīng)力減小了30%以上，彎曲變形更是減少了40%以上，鋸片的使用壽命和切削性能得到了較大的提高。

圓鋸片；彎曲變形；交變應(yīng)力；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

目前，為提高路沿石條的生產(chǎn)效率，龍門型石材數(shù)控復(fù)合鋸切機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合鋸切機(jī)在工作時(shí)，立平兩圓鋸片同時(shí)進(jìn)行切割，從整塊大理石上切下石條，圓鋸片的結(jié)構(gòu)簡圖及相對位置如圖1所示，這種鋸切機(jī)大大提高了石條切割的效率。

在切割過程中，兩個(gè)相同的圓鋸片在同樣的進(jìn)給量和切割速度下，立切圓鋸片正常工作，而平切圓鋸片卻出現(xiàn)鋸齒部分或整體脫落；另外，平切圓鋸片切得的石材鋸縫明顯大于立切圓鋸片，同時(shí)平切圓鋸片的下齒面的磨損比立切圓鋸片嚴(yán)重，且測得平切圓鋸片向上的切削區(qū)域的垂向力明顯高于立切圓鋸片。通過對比分析表明在這種結(jié)構(gòu)工況下，圓鋸片受到的垂直向上的力比較大，對立切圓鋸片是沿徑向方向，而對平切圓鋸片是沿軸向方向，這就是使得平切圓鋸片產(chǎn)生較大的彎曲變形，經(jīng)過圓鋸片的周期旋轉(zhuǎn)為了循環(huán)交變應(yīng)力，導(dǎo)致鋸片剛度急劇下降，出現(xiàn)基體疲勞失效[1-6]。

為改善圓鋸片的性能，提高圓鋸片壽命，國內(nèi)學(xué)者也多有研究。鄭春英、王懷超等通過優(yōu)化圓鋸片的工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)[6-7]；張占寬、李博等通過適當(dāng)?shù)倪m張來來實(shí)現(xiàn)[8-9]；鄒娟等通過優(yōu)化基體材料來實(shí)現(xiàn)[10]；張士強(qiáng)、張明松、鄧福銘等通過優(yōu)化鋸齒參數(shù)來實(shí)現(xiàn)[11-13]；邱瑜銘、陳秋平等通過加厚基體中心基體來實(shí)現(xiàn)[14-15]。然而經(jīng)過工程驗(yàn)證這些優(yōu)化對這種承受較大交變應(yīng)力的平切圓鋸片效果并不明顯，對此本文提出了一種弧形基體圓鋸片來改善圓鋸片的性能，并通過ANSYS的分析和實(shí)際工作的驗(yàn)證，改進(jìn)后的圓鋸片性能確實(shí)得到了提升和改善[16-18]。

1 圓鋸片的鋸切受力分析

1.1 建立有限元分析模型

本文采用ANSYS Workbench 14.5對切削區(qū)域垂向力引起的圓鋸片彎曲變形進(jìn)行力學(xué)分析[19-20]。鋸切機(jī)所用金剛石圓鋸片的外徑為350mm，內(nèi)徑為50mm，厚度為2mm，齒數(shù)為24，基體材料為65Mn鋼，密度為7800kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，約束圓鋸片的法蘭盤直徑為100mm[21]。為了提高分析精度，在盡量減小計(jì)算量的情況下盡可能的將網(wǎng)格劃分的越精細(xì)越好，根據(jù)上述參數(shù)建立ANSYS分析模型，建立好的網(wǎng)格模型如圖2所示。

1.2 建立受力模型進(jìn)行模擬仿真分析

圓鋸片的受力分析有很多專家和學(xué)者都進(jìn)行分析和研究，包括靜態(tài)力學(xué)分析，瞬態(tài)力學(xué)分析等[22-23]。鋸片切削深度面的刀齒位置才有力的作用，這里設(shè)置鋸片的切削深度為實(shí)際加工深度20mm(圖3)。房懷英等研究圓鋸片在工作過程中，切削區(qū)域垂向力引起的變形和應(yīng)力用靜態(tài)力學(xué)分析即可，因此有限元分析可以對模型的圖中陰影部分施加由實(shí)驗(yàn)測得的恒定切削區(qū)域垂向力約70N，進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析[23]。為了模擬實(shí)際工作狀態(tài)，對法蘭盤的加緊采用無摩擦支撐約束，主孔軸面采用圓柱支撐，圓鋸片基體的旋轉(zhuǎn)速度為1440r/min。

對鋸片進(jìn)行有限元分析，并獲得某一時(shí)刻鋸片一周的彎曲應(yīng)力和彎曲形變?nèi)鐖D4所示。變形最大值為1.6788mm，出現(xiàn)在鋸齒部分，這使得鋸縫變大，對石材造成了浪費(fèi)；應(yīng)力最大值為103.18MPa，出現(xiàn)在靠近法蘭盤的位置，跟實(shí)際上圓鋸片破裂的位置相符，證實(shí)了開始的猜想：平切圓鋸片確實(shí)是因?yàn)榍邢鲄^(qū)域垂向力導(dǎo)致基體所受交變應(yīng)力過大，在周期旋轉(zhuǎn)中出現(xiàn)疲勞失效，導(dǎo)致圓鋸片基體失效鋸齒脫落。

2 對圓鋸片進(jìn)行優(yōu)化分析

2.1 建立優(yōu)化模型進(jìn)行有限元分析

為了減小切削區(qū)域垂向力對平切圓鋸片產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和變形，提高圓鋸片的工作壽命，對原來的普通鋸片的基體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化前后的圓鋸片橫截面示意圖見圖5。經(jīng)有限元的分析可知，切削區(qū)域垂向力產(chǎn)生的應(yīng)力主要集中在靠近法蘭盤的位置，圓鋸片基體失效的部分也主要集中在該位置，傳統(tǒng)的方法是增加整個(gè)圓鋸片基體的厚度，這種方法雖然簡單有效，同時(shí)也使得圓鋸片鋸齒上下表面的可磨損量大幅下降，這本身就會使得圓鋸片的使用壽命降低?；谝陨戏治霰疚奶岢隽藘煞N優(yōu)化結(jié)構(gòu)，一種是將基體改造成圓弧式基體，圓弧表面跟圓鋸片的法蘭盤安裝表面相切；一種是斜坡式基體，基體表面跟法蘭盤安裝表面呈一定角度。切圓鋸片的鋸齒的下表面磨損的比較快，鋸片的兩側(cè)同時(shí)加厚后，會導(dǎo)致下表面的基體過早與石材接觸產(chǎn)生摩擦，降低鋸片的使用壽命。同時(shí)混有石粉的冷卻液在重力作用下從圓鋸片的下表面流走，下表面加厚后會阻礙冷卻液的流動，影響冷卻和排屑效果，甚至惡化加工環(huán)境，加劇鋸齒的磨損，使得圓鋸片壽命下降。

對優(yōu)化后的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，添加與優(yōu)化前模型同樣的條件約束，進(jìn)行有限元靜態(tài)力學(xué)分析，獲得在某一時(shí)刻斜坡式基體圓鋸片彎曲變形和應(yīng)力分布如圖6所示，圓弧式基體圓鋸片的彎曲變形和應(yīng)力分布如圖7所示。

2.2 對結(jié)果進(jìn)行分析討論

從分析結(jié)果可以看出優(yōu)化后的兩種圓鋸片，相對于優(yōu)化前的標(biāo)準(zhǔn)圓鋸片在減弱切削區(qū)域垂向力對鋸片的影響上都有巨大的作用：彎曲交變應(yīng)力減小了30%以上，彎曲變形減少了40%以上；此外兩種鋸片最厚的地方只增加了0.5mm，而且主要集中在近中心軸位置，這也使得增加的質(zhì)量集中在近中心軸的位置，而不會明顯增加鋸片的離心應(yīng)力(見表1)。

對于兩種優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，雖然兩者最大應(yīng)力和彎曲應(yīng)變很相近，彎曲變形的分布圖也幾乎相同，可是從應(yīng)力分布圖中可以明顯看到斜坡式的圓鋸片的紅顏色的區(qū)域明顯大于圓弧式圓鋸片，同時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在冷卻水槽處，而圓弧式圓鋸片沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象，這說明斜坡式圓鋸片上出現(xiàn)了應(yīng)力集中，對圓鋸片的性能提高是不利的。圓弧式圓鋸片卻很好的通過相切，弧面的緩慢過度大大降低了這種應(yīng)力集中，而且質(zhì)量上只比斜坡式多了將近50g。這些都充分說明了圓弧式圓鋸片的性能優(yōu)于斜坡式圓鋸片。

最后選擇優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)安裝到龍門型石材數(shù)控復(fù)合鋸切機(jī)床(圖8)上，對分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)際工作驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符：圓弧式基體圓鋸片在減小石材加工鋸縫、提高壽命等方面的性能明顯優(yōu)于另外兩種結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

通過對復(fù)合型龍門鋸切機(jī)的平切圓鋸片基體鋸齒脫落的分析和有限元靜態(tài)力學(xué)分析，提出了一種新型的用于平切的圓弧式基體圓鋸片，減小了因切削區(qū)域垂向力作用使圓鋸片基體產(chǎn)生的變形，從而解決了平切圓鋸片基體鋸齒脫落的問題，工作壽命得到了顯著的提高。

工程實(shí)踐實(shí)驗(yàn)表明：可以根據(jù)加工深度的不同和彎曲變形的大小對圓鋸片基體的圓弧半徑進(jìn)行改變以便適應(yīng)不同加工環(huán)境，提高圓鋸片的性能。因此優(yōu)化后的這種圓弧式基體圓鋸片對改善圓鋸片彎曲變形，改善其切削性能，延長鋸片使用壽命，具有很好的效果。

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(編輯 李秀敏)

Force Analysis and Optimization for Type of Longmen Stone CNC Cutting Machine Composite Circular Saw Blade

LIU Bei1a, LI Hui1a, FENG Xian-ying1a,1b, WANG Zhao-guo1a, LU Du-cun2

(1 a. School of Mechanical Engineering;b.Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture, Ministry of Education, Shandong University，Jinan 250061, China;2.The Organization Department of CPC Wenshang County Committee,Jining Shandong 272501,China)

In order to decrease alternating stress for the circular saw blades matrix generated by the vertical force in the cutting area, and improve the performance of circular saw blades, after carrying out a mechanical analysis on circular saw blades by ANSYS finite element analysis, a type of arc surface of the substrate is established, which can greatly improve the circular saw blade's ability to bear cutting vertical force on the premise that the thickness around saw blade serrate is certain, which makes the circular saw blade cutting performance and service life significantly improved. The experimental results show the optimized blade quality is increased by only 200g, while alternating stress produced by cutting area vertical force is reduced more than 30%, bending deformation is reduced more than 40%, and the service life of saw blade is improved greatly.

circular saw blade; bending deformation; alternating stress; structure optimization

1001-2265(2017)03-0038-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.03.010

2016-07-22

劉貝(1991—)，男，河南南陽人，山東大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軝z測與控制，(E-mail)liubei199104@163.com ;通訊作者：李慧(1968—)，女，山東濟(jì)寧人，山東大學(xué)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)字化制造、智能檢測與控制等，(E-mail)lihuifs@sdu.edu.cn。

TG659；TH122

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