劉 貝，李 慧，馮顯英,1b，王兆國，路篤存

(1.山東大學 a.機械工程學院；b.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南 250061；2.中共汶上縣委組織部，山東 濟寧 272501)

龍門型石材數(shù)控復合鋸切機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 a.機械工程學院；b.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南 250061；2.中共汶上縣委組織部，山東 濟寧 272501)

為了減小因切削區(qū)域垂向力作用使圓鋸片基體產(chǎn)生的交變應力，改善和提高圓鋸片性能，采用ANSYS有限元分析對圓鋸片進行力學分析后，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。實驗結果表明：優(yōu)化后的鋸片質量只增加了200g，而切削區(qū)域垂向力產(chǎn)生的交變應力減小了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；交變應力；結構優(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)控復合鋸切機床應運而生。復合鋸切機在工作時，立平兩圓鋸片同時進行切割，從整塊大理石上切下石條，圓鋸片的結構簡圖及相對位置如圖1所示，這種鋸切機大大提高了石條切割的效率。

在切割過程中，兩個相同的圓鋸片在同樣的進給量和切割速度下，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，同時平切圓鋸片的下齒面的磨損比立切圓鋸片嚴重，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構工況下，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為了循環(huán)交變應力，導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，國內學者也多有研究。鄭春英、王懷超等通過優(yōu)化圓鋸片的工藝參數(shù)來實現(xiàn)[6-7]；張占寬、李博等通過適當?shù)倪m張來來實現(xiàn)[8-9]；鄒娟等通過優(yōu)化基體材料來實現(xiàn)[10]；張士強、張明松、鄧福銘等通過優(yōu)化鋸齒參數(shù)來實現(xiàn)[11-13]；邱瑜銘、陳秋平等通過加厚基體中心基體來實現(xiàn)[14-15]。然而經(jīng)過工程驗證這些優(yōu)化對這種承受較大交變應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的分析和實際工作的驗證，改進后的圓鋸片性能確實得到了提升和改善[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行力學分析[19-20]。鋸切機所用金剛石圓鋸片的外徑為350mm，內徑為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，在盡量減小計算量的情況下盡可能的將網(wǎng)格劃分的越精細越好，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 建立受力模型進行模擬仿真分析

圓鋸片的受力分析有很多專家和學者都進行分析和研究，包括靜態(tài)力學分析，瞬態(tài)力學分析等[22-23]。鋸片切削深度面的刀齒位置才有力的作用，這里設置鋸片的切削深度為實際加工深度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力用靜態(tài)力學分析即可，因此有限元分析可以對模型的圖中陰影部分施加由實驗測得的恒定切削區(qū)域垂向力約70N，進行靜態(tài)力學分析[23]。為了模擬實際工作狀態(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，圓鋸片基體的旋轉速度為1440r/min。

對鋸片進行有限元分析，并獲得某一時刻鋸片一周的彎曲應力和彎曲形變如圖4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；應力最大值為103.18MPa，出現(xiàn)在靠近法蘭盤的位置，跟實際上圓鋸片破裂的位置相符，證實了開始的猜想：平切圓鋸片確實是因為切削區(qū)域垂向力導致基體所受交變應力過大，在周期旋轉中出現(xiàn)疲勞失效，導致圓鋸片基體失效鋸齒脫落。

2 對圓鋸片進行優(yōu)化分析

2.1 建立優(yōu)化模型進行有限元分析

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構進行優(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)的方法是增加整個圓鋸片基體的厚度，這種方法雖然簡單有效，同時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)化結構，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，鋸片的兩側同時加厚后，會導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)化后的兩種結構進行建模，添加與優(yōu)化前模型同樣的條件約束，進行有限元靜態(tài)力學分析，獲得在某一時刻斜坡式基體圓鋸片彎曲變形和應力分布如圖6所示，圓弧式基體圓鋸片的彎曲變形和應力分布如圖7所示。

2.2 對結果進行分析討論

從分析結果可以看出優(yōu)化后的兩種圓鋸片，相對于優(yōu)化前的標準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，這也使得增加的質量集中在近中心軸的位置，而不會明顯增加鋸片的離心應力(見表1)。

對于兩種優(yōu)化后的結構進行比較，雖然兩者最大應力和彎曲應變很相近，彎曲變形的分布圖也幾乎相同，可是從應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，同時最大應力出現(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力集中，而且質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)化后的結構安裝到龍門型石材數(shù)控復合鋸切機床(圖8)上，對分析結果進行實際工作驗證。實驗結果與理論分析相符：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)于另外兩種結構。

3 結論

通過對復合型龍門鋸切機的平切圓鋸片基體鋸齒脫落的分析和有限元靜態(tài)力學分析，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。

工程實踐實驗表明：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行改變以便適應不同加工環(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。

[1] 張士強.鋸片對磨機床床身動態(tài)分析與優(yōu)化[J].組合機床與自動化加工技術, 2013(7): 34-36.

[2] 王洪平.金剛石鋸片的失效分析與改進措施[J]. 石材, 2008(4): 33-36,18.

[3] 何志堅,史秋.鋸片應力分布與失效分析[J]. 湖南文理學院學報(自然科學版), 2007,19(2): 59-62.

[4] 張玉忠. 圓鋸片基體失穩(wěn)的應力分析[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2012,32(3):69-73.

[5] Denkena B, Tonshoff H K, Friemuth T, et al. Development of Advanced Tools for Economic and Ecological Grinding of Granite)JI .Key Engineering Materials,2003,250:21-32.

[6] 王懷超,張進生,王飛,等.金剛石圓鋸片刀頭脫落的原因[J].機械工程材料, 2016,40(1):98-100.

[7] 鄭春英,張進生,王志,等. 金剛石圓鋸片鋸解花崗石切削力及參數(shù)優(yōu)化的實驗研究[J]. 工具技術, 2010, 44(7):12-16.

[8] 李博, 張占寬, 李偉光,等. 圓鋸片多點加壓適張工藝壓點分布對適張效果的影響[J]. 木材加工機械, 2015,26(4):19-23.

[9] 張占寬,習寶田. 圓鋸片局部受軸向壓力作用下的塑性變形及強化[J].木材加工機械, 2002, 13(2):2-4.

[10] 鄒娟. 金剛石小鋸片基體裂紋成因分析及消除措施研究[D]. 秦皇島:燕山大學, 2015.

[11] 張明松,程煉兵,李曉維.鋸齒參數(shù)對花崗石可鋸性影響及優(yōu)化[J]. 石材, 2015(7):19-22.

[12] 張士強,李自芹,劉曉雯.金屬鋸片齒形參數(shù)優(yōu)化[J]. 機械設計與制造, 2012(11):192-194.

[13] 鄧福銘, 劉嘉霖, 鄧雯麗,等. PCD 圓鋸片鋸齒結構參數(shù)計算機模擬優(yōu)化設計[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2016, 36(2):1-5.

[14] 邱瑜銘, 董先龍. 加強型超薄金剛石圓鋸片[P].中國專利:CN103950111A,2014.

[15] 陳秋平, 陳曉龍. 一種用于切割大理石的鋸片[P].中國專利:CN203557542U,2014.

[16] 湯宏群, 王成勇, 胡映寧. 抗沖擊金剛石圓鋸片結構的有限元分析[J]. 工具技術, 2003,37(6):9-11.

[17] 胡映寧, 陳成剛, 胡珊珊. 特殊結構金剛石圓鋸片的瞬態(tài)動力學分析[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2009(4):1-9.

[18] 談耀麟.薄型金剛石圓鋸片結構設計探討[J].超硬材料工程,2007,19(1): 34-36.

[19] 黃志新,劉成柱. ANSYS Workbench 14.0超級學習手冊[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2014.

[20] 曹力, 鐘建琳. 基于ANSYS Workbench的床身材質對機床動力學特性影響的分析[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2015(2):61-64.

[21] 郎希影. 金剛石圓鋸片切割石材動力學研究[D].沈陽: 沈陽建筑大學,2012.

[22] 李遠, 徐西鵬. 大切深鋸切石材中鋸片受力的有限元分析[J]. 中國工程機械學報, 2005,3(3):267-271.

[23] 房懷英, 李遠, 徐西鵬. 軸向力對圓鋸片軸向變形的影響研究[J]. 中國機械工程, 2011,22(8): 966-970.

(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，山東大學碩士研究生，研究方向為智能檢測與控制，(E-mail)liubei199104@163.com ;通訊作者：李慧(1968—)，女，山東濟寧人，山東大學工程師，研究領域為數(shù)字化制造、智能檢測與控制等，(E-mail)lihuifs@sdu.edu.cn。

TG659；TH122

A