張威浩

摘要：通過有限元法和正交試驗法相結(jié)合來分析在不同鋸切參數(shù)下圓鋸片的消音降噪效果。分析結(jié)果表明

鋸片夾緊比、厚度的減小可以消音，回轉(zhuǎn)速度對其影響較小；夾緊比增加可減小鋸片的徑向和切向最大應(yīng)力，回轉(zhuǎn)速度減小可減小徑向和切向最大應(yīng)力，而圓鋸片厚度對其影響較小。三因素對鋸片應(yīng)力影響的主次順序為：回轉(zhuǎn)速度>夾緊比>基體厚度。最優(yōu)消音效果的鋸切參數(shù)為夾緊比為0.3，回轉(zhuǎn)速度為180rad/s，基體厚度為2.0mm。

關(guān)鍵詞：圓鋸片；正交試驗；有限元分析；固有頻率；消音

引言

金剛石圓鋸片加工質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、切削性能優(yōu)越而被廣泛應(yīng)用。圓鋸片在鋸切過程中產(chǎn)生巨大噪聲污染，工作噪音達(dá)110分貝左右。因此，金剛石圓鋸片的消音問題引起國內(nèi)外研究人員的高度重視。鋸片在進(jìn)行鋸切加工過程中的固有頻率以及其應(yīng)力狀態(tài)兩個因素是用來衡量鋸片穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，然而，對于圓鋸片來講，其動態(tài)穩(wěn)定性將直接決定其噪音的大小【1-2】。通常情況下影響和制約鋸片的動態(tài)穩(wěn)定性的主要技術(shù)參數(shù)包括以下幾個方面：鋸片厚度、夾緊比、切削力、回轉(zhuǎn)速度以及鋸片材料等多個因素，其中對鋸片的動態(tài)穩(wěn)定性影響最大的三個因素主要是：鋸片厚度、夾緊比以及回轉(zhuǎn)速度【3-4】。因此，采用有限元分析法再結(jié)合正交試驗法，研究圓鋸片在不同的厚度、夾緊比以及回轉(zhuǎn)速度條件下的固有頻率，進(jìn)而分析他們對圓鋸片的動態(tài)穩(wěn)定性的影響，從而找到最優(yōu)的鋸切參數(shù)；最終，為實際鋸切消音提供重要的理論依據(jù)【5】.

1 有限元分析模型

圓鋸片在工作時由夾盤夾緊，被夾的中心部分可看成全自由度約束狀態(tài)，同時鋸片與中心軸的聯(lián)接為固定約束。故圓鋸片的有限元分析模型可簡化為一個由夾盤半徑處緊固、材質(zhì)均勻的圓環(huán)薄板。實際工作中金剛石結(jié)塊尺寸相對片體非常小，對圓鋸片整體的動態(tài)特性影響不大并且為了簡化模型，故結(jié)塊可以忽略不計。查《石材機(jī)械與工具實用手冊》取黑旋風(fēng)鋸業(yè)用于高頻焊接的鑰匙孔金剛石圓鋸片，基體參數(shù)取鋸片基體直徑為400mm.

2 正交試驗設(shè)計

夾緊比、回轉(zhuǎn)速度和基體厚度對鋸片的影響頗大，是生產(chǎn)中著重考慮的因素。鋸片減振降噪的效果和鋸片的固有頻率有關(guān)：相同階次固有頻率越小，則噪聲輻射效率降低。金剛石圓鋸片的切削加工速度通常在30～55m/s.對于直徑為364mm的鋸片，其回轉(zhuǎn)速度在165～302rad/s，故回轉(zhuǎn)速度選取180rad/s、230rad/s和280rad/s 3個水平。鋸片的夾緊比選取0.2、0.3和0.4三個水平；鋸片的基體厚度選取2mm、2.2mm和2.8mm3個水平，相應(yīng)的節(jié)塊厚度水平分別為2mm、2.2mm和2.8mm。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

利用ANSYS10.0對每一組試驗進(jìn)行分析。鋸片的振動能量主要集中在低頻率范圍上，故提取前4階模態(tài)振型。

3.2 試驗結(jié)果分析

對所選三因數(shù)前4階模態(tài)固有頻率求極差，見表3.3。由表知，各因素對鋸片模態(tài)（0，0）、（0，1）和（0，4）固有頻率影響的主次順序為：夾緊比>厚度>回轉(zhuǎn)速度，而模態(tài)（0，2）和（0，3）固有頻率影響的主次順序為：厚度>夾緊比>回轉(zhuǎn)速度。

由于鋸片在回轉(zhuǎn)速度的作用下有“剛化作用”，抵抗鋸齒沖擊工件產(chǎn)生的切向反力，從而來減少鋸片工作過程中的扭轉(zhuǎn)振動。為此適當(dāng)?shù)剡x擇回轉(zhuǎn)速度可以有效地增加鋸片的穩(wěn)定性，同時鋸片的有效回轉(zhuǎn)速度對與鋸片的固有頻率也沒有太大的影響。故回轉(zhuǎn)速度取180rad/s，即B1水平。因此，三個因素對鋸片固有頻率影響的最優(yōu)化組合水平為：A1、B1、C1，則此時：鋸片基體厚度為2.0mm，鋸片夾緊比為0.2，鋸片回轉(zhuǎn)速度為180rad/s。

表3.3 各因數(shù)對鋸片前四階模態(tài)固有頻率的極差

模態(tài) 夾緊比 回轉(zhuǎn)速度 基體厚度

（0，0） 146.9 5.5 54.3

（0，1） 581.1 31.3 344.7

（0，2） 323.9 48.2 413.5

（0，3） 839.8 41.4 908.2

（0，4） 1099.7 75.6 1035.1

通過對所選三因數(shù)的徑向和切向最大應(yīng)力求極差，見表3.4。由表知，各因數(shù)對鋸片的最大徑向和切向應(yīng)力影響的主次順序為：回轉(zhuǎn)速度>夾緊比>基體厚度。因此通過上述的分析可以得出：三個因素對于應(yīng)力的影響最優(yōu)化參數(shù)組合為：A3、B1、C1，則此時：鋸片基體厚度為2.0mm，鋸片夾緊比為0.4，鋸片回轉(zhuǎn)速度為180rad/s。

表3.4 各因數(shù)對鋸片徑向和切向最大應(yīng)力的級差

因數(shù) 回轉(zhuǎn)速度 夾緊比 基體厚度

最大切向應(yīng)力 19.93 12.57 1.14

最大徑向應(yīng)力 4.25 4.05 1.51

結(jié)合圓鋸片固有頻率以及最大應(yīng)力分析結(jié)果，可得出夾緊比的減小可以有效的降低鋸片固有頻率，從而減小了鋸片的噪音，但能產(chǎn)生較大的應(yīng)力。為此可以適當(dāng)?shù)剡x擇夾緊比，即滿足了鋸片消音降噪的目的，又不會形成太大的應(yīng)力場，故鋸片的夾緊比選擇A2水平。綜上分析得出各因素對鋸片最優(yōu)消音影響水平的最優(yōu)參數(shù)組合為A2、B1、C1，則此時，鋸片基體厚度為2.0mm，鋸片夾緊比為0.3，鋸片回轉(zhuǎn)速度為180rad/s。

4 結(jié) 論

1）鋸片夾緊比、厚度減小可以消音，回轉(zhuǎn)速度對其影響較小。

2）夾緊比增加可減小鋸片的徑向以及切向的最大應(yīng)力；回轉(zhuǎn)速度減小可以減小徑向以及切向的最大應(yīng)力，然而，圓鋸片的厚度對其影響較小。同時得到各種不同因素水平條件下對于鋸片的應(yīng)力影響因素的先后順序為：回轉(zhuǎn)速度>夾緊比>基體厚度。

3）最佳消音效果的鋸切參數(shù)組合為：A2B1C1，即夾緊比為0.3，回轉(zhuǎn)速度為180rad/s，基體厚度為2.0mm。這樣即保證了鋸片良好的降噪效果，同時也滿足了鋸片動態(tài)穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]習(xí)寶田.固有頻率在衡量圓鋸片穩(wěn)定性與適張度方面的作用[J].林產(chǎn)工業(yè)，1990，26（5）：12-15.

[2]吳佳賓.基于有限元法的金屬圓鋸片動態(tài)特性研究[D].石家莊：河北工業(yè)大學(xué)，2005

[3]臧勇，李同金，陶登奎，等.圓鋸片的有限元模態(tài)分析[J].重型機(jī)械，2002，49（1）：49-52.

[4]馬云善，李遠(yuǎn)，徐西鵬.鋸切參數(shù)與鋸片結(jié)構(gòu)對鋸片臨界載荷影響的有限元分析[J].工具技術(shù)，2006，40（12）：18-22.