武松靈，臧 勇

(北京科技大學 機械工程學院，北京 100083)

?

熱處理軟點對圓鋸片模態(tài)參數(shù)和剛度的影響

武松靈，臧 勇

(北京科技大學 機械工程學院，北京 100083)

圓鋸片己經(jīng)被廣泛應用于切割石材、木材、鋼材等工程中。熱處理作為圓鋸片加工中重要的一道工序，熱處理的質(zhì)量對圓鋸片的使用性能有很大的影響。熱處理缺陷導致圓鋸片產(chǎn)生軟點，使得圓鋸片的固有頻率及剛度發(fā)生變化。本文采用有限元分析了熱處理軟點對圓鋸片的模態(tài)參數(shù)以及剛度的影響。通過改變軟點的彈性模量、軟點直徑大小以及軟點的位置，分析了圓鋸片的固有頻率以及徑向和切向剛度的變化規(guī)律。結(jié)果表明軟點的存在降低了圓鋸片的固有頻率，軟點直徑越大，固有頻率越小，軟點距離中心越近，固有頻率越小。軟點的彈性模量越小，圓鋸片的固有頻率越小。軟點的存在使得圓鋸片的徑向剛度和切向剛度都有所減小。

圓鋸片； 熱處理軟點； 有限元； 模態(tài)參數(shù)； 剛度

1 前 言

圓鋸片已經(jīng)被廣泛應用于切割石材、木材和鋼材等工程中，其使用的廣泛性和特殊性，奠定了它在切割行業(yè)不可替代的地位。圓鋸片屬于典型的旋轉(zhuǎn)薄片機械，厚徑比例一般很小，導致其剛度和穩(wěn)定性較差。為了保證加工安全、切割精度和出材率，圓鋸片必須有較高的動態(tài)剛度或穩(wěn)定性，國內(nèi)外許多學者對其進行了深入的研究[1-6]。對圓鋸片進行熱處理是鋸片生產(chǎn)的一個重要的工藝。熱處理的質(zhì)量對材料的使用性能有很大的影響[7-9]。熱處理缺陷將會導致圓鋸片的硬度不均勻，產(chǎn)生軟點，從而使圓鋸片的模態(tài)參數(shù)(固有頻率及振型)和剛度發(fā)生變化，動力學性能變差。本文將通過有限元分析研究熱處理軟點對圓鋸片模態(tài)參數(shù)和剛度的影響，為圓鋸片后續(xù)的加工提供參考以及指導。

2 圓鋸片的熱處理工藝

目前圓鋸片的主要制造工藝包括下料、熱處理、磨削、校平等工序，從而在鋸片內(nèi)部會形成不同性質(zhì)的加工應力。

熱處理工藝是機械零件加工中不可缺少的工藝環(huán)節(jié)，它的根本目的是保證零件達到使用時所要求的機械性能[10]。熱處理工藝不當將會使得圓鋸片的硬度不均勻，出現(xiàn)軟點，如圖1所示。軟點區(qū)域的硬度小于圓鋸片的平均硬度，反映到圓鋸片的物理性能參數(shù)即為軟點的彈性模量小于周圍材料的彈性模量。所以軟點的特征可用區(qū)域的徑向位置R、等效面積圓直徑φ和相應區(qū)域的等效彈性模量E表示。

圖1 熱處理缺陷導致的軟點Fig.1 Soft spots caused by heat treatment defect 3 熱處理軟點對圓鋸片模態(tài)參數(shù)的影響

3.1 圓鋸片模型

本文所研究的鋸片為廠方提供的厚度為8mm，直徑為1200mm的超薄圓鋸片。鋸片的材料為65Mn。通過查閱相關(guān)資料，可得65Mn的機械性能參數(shù)如表1和表2所示[12]。

表1 鋸片材料的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of the saw blade material

表2 65Mn的力學性能Table 2 Mechanical Properties of 65Mn

本文中軟點的彈性模量E分別設(shè)定為1.0×105MPa、1.4×105MPa和1.8×105MPa。軟點的直徑分別為φ10mm、φ15mm、φ20mm、φ25mm，軟點的位置分別在徑向275mm、325mm、375mm、425mm處。

3.2 網(wǎng)格模型

為了模擬真實的熱處理缺陷，設(shè)定圓鋸片存在多個軟點，且非對稱分布。鋸片的網(wǎng)格模型如圖2所示，采用六面體單元劃分網(wǎng)格。先用平面單元劃分鋸片的平面網(wǎng)格，再由面網(wǎng)格拉伸生成體網(wǎng)格[12]。由于軟點區(qū)域和周圍材料彈性模量不同，因此這些區(qū)域的網(wǎng)格劃分較密。如圖2所示，一共有5750個單元，12111個節(jié)點。

圖2 圓鋸片網(wǎng)格劃分模型圖Fig.2 Mesh model of the circular saw blade

3.3 熱處理軟點對模態(tài)振型的影響

圓鋸片邊界條件設(shè)定為內(nèi)孔圓柱面約束和夾盤固定約束。經(jīng)過有限元分析得到圓鋸片存在軟點(直徑φ20mm，徑向位置425mm處)和均勻熱處理兩種狀態(tài)下的前6階模態(tài)振型，如圖3所示。軟點直徑不同，所在位置不同的分析結(jié)果大致相同，這里就不再一一贅述。(注：這里的“階”表示不同的振動模態(tài)和固有頻率)

從圖3中可以看到，圓鋸片在均勻熱處理和熱處理存在軟點兩種狀態(tài)下的模態(tài)都存在重疊現(xiàn)象，在提取的前6階模態(tài)中，均勻熱處理和熱處理存在軟點兩種狀態(tài)下的第1階和第2階以及第4階和第5階模態(tài)發(fā)生重疊。第3階不重疊。均勻熱處理和熱處理存在軟點兩種狀態(tài)下的前6階振型基本相同，說明軟點的存在并沒有改變圓鋸片的基本振型。

3.4 熱處理軟點對固有頻率的影響

3.4.1 軟點直徑對固有頻率的影響 鋸片的軟點彈性模量為1.4×105MPa，中心位置在徑向375mm處，軟點直徑為φ10mm、φ15mm、φ20mm和φ25mm時圓鋸片的固有頻率如表4所示。軟點直徑對圓鋸片的前6階固有頻率的影響如圖4所示。

圖3 熱處理軟點對振型的影響 Fig.3 Influence of heat treatment soft spots on vibration mode

圖4 軟點直徑對固有頻率的影響Fig.4 Influence of diameter of soft spots on natural frequency

根據(jù)表4及圖4可得，圓鋸片存在軟點時圓鋸片的前6階固有頻率會減小，而且隨著軟點直徑的增大，圓鋸片的前6階固有頻率減小。因此當圓鋸片存在‘軟點’時，圓鋸片的固有頻率減小，臨界轉(zhuǎn)速會降低，不利于圓鋸片的使用。

3.4.2 軟點位置對固有頻率的影響 當軟點直徑固定在φ20mm，軟點彈性模量為1.4×105MPa時，軟點在不同位置時圓鋸片的固有頻率如表5所示。軟點位置對固有頻率的影響如圖5所示。

根據(jù)表5以及圖5可得，圓鋸片存在軟點時的前6階固有頻率比無軟點時會減小，而且隨著軟點所在的徑向位置的減小，圓鋸片的前6階固有頻率減小。

3.4.3 軟點彈性模量對固有頻率的影響 當軟點直徑固定在φ20mm，軟點中心位置在徑向375mm處，軟點彈性模量為1.0×105MPa、1.4×105MPa和1.8×105MPa時圓鋸片的固有頻率如表6所示。軟點的彈性模量對固有頻率的影響如圖6所示。

根據(jù)表6以及圖6可得，存在軟點時圓鋸片的各階固有頻率比無軟點時圓鋸片的固有頻率小，而且軟點的彈性模量越小，圓鋸片的各階固有頻率越小。

圖5 軟點位置對固有頻率的影響Fig.5 Influence of positions of soft spots on natural frequency

表4 軟點直徑不同時圓鋸片的固有頻率Table 4 Natural frequency of the circular saw blades under different diameter of soft spots

表5 軟點在不同位置時圓鋸片的固有頻率Table 5 Natural frequency of the circular saw blade at different positions of the soft spots

4 熱處理軟點對剛度的影響

圖7顯示了軟點對圓鋸片剛度的影響。從圖7可以看出軟點的存在使得圓鋸片的徑向剛度和切向剛度都有所減小，徑向剛度減少了3.17%，切向剛度減少了1.72%。

圖6 軟點彈性模量對固有頻率的影響Fig.6 Influence of elastic modulus of soft spots on natural frequency

表6 軟點彈性模量不同時圓鋸片的固有頻率Table 6 Natural frequency of the circular saw blade under different elastic modulus of soft spots

圖7 軟點對剛度的影響Fig.7 Influence of soft spots on stiffness

5 結(jié) 論

本文通過有限元軟件ANSYS分析了熱處理軟點對圓鋸片模態(tài)參數(shù)和剛度的影響，結(jié)論如下：

1.在熱處理產(chǎn)生軟點時圓鋸片的振型并沒有發(fā)生改變，‘軟點’的存在不會影響圓鋸片的振型。

2.圓鋸片在熱處理存在軟點狀態(tài)下的固有頻率比均勻熱處理狀態(tài)下的固有頻率小，圓鋸片存在‘軟點’時，固有頻率會減小，并且軟點直徑越大，固有頻率越小，軟點距離圓鋸片中心越近，固有頻率越小。軟點的彈性模量越小，圓鋸片的固有頻率越小。

3.軟點的存在使得圓鋸片的徑向剛度和切向剛度都有所減小，徑向剛度減少了3.17%，切向剛度減少了1.72%。

[1] 張占寬,曾娟.超薄硬質(zhì)合金圓鋸片在木材加工中的應用[J].木材加工機械, 2008, 19(2): 36～38

[2] H. Lamb, R.V. Southwell. The Vibration of Spinning Disk[J]. Proceedings of the Royal Society, 1921, 99(99): 272～280.

[3] D.S. Dugdale. Stiffness of a Spinning Disc Clamped at its Center[J]. J.Mech. Phys.Solids, 1966, 14(6): 349～356.

[4] R. Szymani, L. Trinchera, J. Turner. Use and Maintenance of Thin Circular Saws at California Cedar Products Company[J]. European Journal of Wood and Wood Products, 1987, 45(8): 319～322.

[5] G.S. Schajer. Simple Formulas for Natural Frequencies and Critical Speeds of Circular Saws[J]. Forest Products Research Society, 1986, 36: 37～43.

[6] I.Y. Shen, Y. Song. Stability and Vibration of a Rotating Circular Plate Subjected to Stationary In Plane Edge Loads[J]. Journal of Applied Mechanics, 1996, 63(1): 121～127.

[7] 包翠敏,譚朝鑫,莊春瑜,等.J75鋼的時效處理工藝[J].材料科學與工程學報, 2016, 34(1): 85～89.

[8] 李激光,隋欣,張丹,等.退火溫度對冷軋超細晶亞穩(wěn)鋼組織性能的影響[J].材料科學與工程學報, 2015, 33(4): 537～541.

[9] 施國梅,張尊禮,劉永,等.電解液加熱局部淬火在航空發(fā)動機某高溫合金零件中的應用[J].材料科學與工程學報, 2014, 32(5): 745～749.

[10] J.S. Chen. Parametric Resonance of a Spinning Disk Under Space-Fixed Pulsating EdgeLoads[J].Journal of Applied Mechanics, 1997， 64: 139～143

[11] 孫繼兵.65Mn鋼鋸片基體的熱處理[J].金屬熱處理, 1999, 11: 17～19.

[12] 機械工程手冊委員會.機械工程手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社, 1997.

Effects of Heat Treatment Soft Spots on Modal Parameters and Stiffness of Circular Saw Blade

VO Tunglinh， ZANG Yong

(School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology, Beijing 100083, China)

Circular saw blade has been widely used in cutting stone, wood, steel and other objects. Heat treatment is an important process in the circular saw blade production, and has a great influence on its performance. Heat treatment defect will lead to the formation of soft spots in the circular saw blade. It decreases the natural frequency and stiffness of the circular saw blade. Effects of heat treatment soft spots on the modal parameters and stiffness of the saw circular blade were analyzed through the finite element software ANSYS in this paper. Changes of the natural frequency and stiffness with different elastic modulus, diameter and position of the soft spots were studied. Analysis shows that the soft spots reduce the natural frequency of the circular saw blade. Natural frequency decreases with increasing diameter of the heat treatment soft spots, with decreasing distance between the soft spots and the center of the circular saw blade, and with decreasing elastic modulus of the soft spots. Heat treatment soft spots reduce the radial and tangential stiffness to some extent of the circular saw blade.

circular saw blade； heat treatment soft spots； ANSYS； modal parameters； stiffness

1673-2812(2017)03-0494-05

2016-03-07；

2016-05-03

武松靈(1977-)，男，博士研究生，主要從事零件加工工藝及制造研究。E-mail:tunglinh77@gmail.com; 1513033463@qq.com。

臧 勇，教授、博導。E-mail:yzang.@ustb.edu.cn。

TG154

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.03.029