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        金剛石框架鋸條變形特性研究*

        2019-12-26 05:59:00孫蓬勃張進生司衛(wèi)衛(wèi)
        關(guān)鍵詞:鋸條法向石材

        孫蓬勃, 張進生,王 碩,司衛(wèi)衛(wèi)

        (山東大學(xué) a.機械工程學(xué)院;b.山東省石材工程技術(shù)研究中心;c.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室,濟南 250061)

        0 引言

        金剛石框架鋸是鋸解石板材的重要設(shè)備,相對于傳統(tǒng)的砂鋸、圓盤鋸和多繩鋸,具有綠色、高效的特點,鋸縫小,噪聲低,生產(chǎn)的石材幅面大。提高金剛石框架鋸設(shè)備的市場占有率是落實石材行業(yè)資源節(jié)約和環(huán)境保護政策的重要方法。但金剛石框架鋸在鋸解硬質(zhì)石材時,受到的載荷大,鋸條經(jīng)常出現(xiàn)嚴重變形,導(dǎo)致石板材厚度不均,平整度不足,降低了石板材的質(zhì)量[1-2]。因此,為了實現(xiàn)硬質(zhì)石材的高質(zhì)量鋸解,應(yīng)從鋸條入手,分析鋸條變形特性,提高鋸條質(zhì)量和剛度,降低鋸條變形。

        趙民[3]通過有限元法分析了大理石鋸條的模態(tài),通過改變鋸齒的幾何參數(shù)提高鋸條的性能。王成勇[4]分析了鋸條加工大理石時鋸條鋸齒焊接根部受力,對鋸條的變形進行了仿真分析研究。須穎[5]分析了金剛石帶鋸的受力及其內(nèi)應(yīng)力情況,提出了防止產(chǎn)生疲勞裂紋的有關(guān)措施。付曉勇[6]對鋸條在加工大理石時的受力、變形及穩(wěn)定性進行了測量、分析和計算,探討了提高石材鋸解表面質(zhì)量的途徑。這些學(xué)者的研究都是基于大理石的加工,沒有涉及薄鋸條加工花崗石等硬質(zhì)石材的分析。本文借鑒前人的研究方法對鋸條鋸解硬質(zhì)石材的變形進行了系統(tǒng)分析。基于ANSYS有限元,分析鋸條在偏心張緊力作用下的法向變形和應(yīng)力,提出偏心張緊力優(yōu)化方案,基于非線性靜力學(xué),分析了鋸解力與側(cè)向變形之間的關(guān)系,得到側(cè)向變形優(yōu)化方法。此優(yōu)化方法降低了研發(fā)成本,提高鋸條鋸解硬質(zhì)石材的能力,具有廣闊的應(yīng)用前景。

        1 偏心張緊力對鋸條法向變形和應(yīng)力的影響

        鋸解硬質(zhì)石材的金剛石框架鋸條的基體是由厚度為3.5 mm,高度為180 mm,長度為4100 mm的薄鋼板加工而成[7],鋸條跨度大,自身剛性較差。在金剛石框架鋸條安裝過程中,鋸條一端固定,另一端施加張緊力[8],為了平衡鋸條法向變形,降低鋸條應(yīng)力,通常設(shè)置偏心張緊[4],使鋸條具有向下彎曲的趨勢,用于抵消鋸解法向變形。鋸條受力模型如圖1所示,其中T為張緊力、e為偏心量、b為鋸條寬度、c為鋸條厚度、L為鋸條長度、L1為鋸條未加工區(qū)域、qz為鋸條加工區(qū)域豎直方向上的進給鋸解均布力、F側(cè)為側(cè)向鋸解力。石材加工企業(yè)的鋸條張緊力一般為11t~15t(與鋸條厚度有關(guān)),偏心量一般為0~10 mm[8],不合理的張緊力和偏心量會降低鋸條穩(wěn)定性,導(dǎo)致鋸條變形大,板材平整度差,不利于后續(xù)石板材磨拋加工。目前依靠工人經(jīng)驗確定偏心張緊力的方法難以發(fā)揮偏心張緊力的最大優(yōu)勢,阻礙了鋸條穩(wěn)定性的進一步提升。本節(jié)采用有限元法仿真分析鋸條在不同張緊力和偏心量下法向變形和應(yīng)力,進而優(yōu)化偏心張緊力施加方式[9]。

        圖1 金剛石框架鋸條受力模型

        采用ANSYS Workbench軟件建立鋸條模型,鋸條材料為75Cr1,密度為7800 kg/m3,彈性模量為2.44×1011Pa,泊松比為0.3,屈服強度750 MPa。采用自動劃分網(wǎng)格,約束鋸條一端位移和x方向轉(zhuǎn)動,約束另一端y、z方向位移和x方向轉(zhuǎn)動并施加偏心張緊力,如圖2所示。

        (a) 鋸條網(wǎng)格劃分

        (b) 鋸條載荷施加 圖2 鋸條模型建立

        分別調(diào)整鋸條張緊力和偏心量,獲得法向變形和應(yīng)力數(shù)值,整理后如圖3和圖4所示。

        圖3 不同張緊力下鋸條的最大法向變形圖

        圖4 不同張緊力下鋸條的最大應(yīng)力變化

        圖3和圖4給出了鋸條在不同偏心張緊力作用下的最大法向變形和最大應(yīng)力。由圖可以看出,增大偏心量與張緊力均可以降低鋸條法向變形。而且,隨著偏心量的增大,張緊力每增加1t對降低鋸條法向變形的作用會更加明顯。這是因為偏心量與張緊力的乘積為鋸條抵抗法向變形的力矩,兩者的增加會急劇增大抵抗力矩,從而體現(xiàn)為降低鋸條法向變形。但隨著兩者的增加,鋸條受力提高,即應(yīng)力值會逐漸增大,在實際生產(chǎn)中,為了避免鋸條應(yīng)力過大,防止鋸條斷裂失效,通常限定鋸條張緊力15t以內(nèi)。鋸條偏心張緊力的設(shè)置應(yīng)以降低鋸條工作狀態(tài)下的法向變形,使鋸條內(nèi)部應(yīng)力均勻為目標。由以上分析可知,張緊力為15t,偏心量為10 mm時,鋸條法向變形最小,比水平張緊力的鋸條最大法向變形降低47%。為了驗證鋸條整體變形的均勻性,以鋸條水平中軸線上各點為研究對象,獲得鋸條延長度方向的法向變形量,如圖5所示,在此偏心張緊力作用下鋸條工作狀態(tài)下的法向變形更均勻,鋸條穩(wěn)定性更高,是本文工況下的優(yōu)選方案。

        圖5 施加鋸解力前后鋸條法向變形圖

        在實際加工硬質(zhì)石材過程中,鋸條所受鋸解力尤其是法向鋸解力很大,穩(wěn)定性問題常常超過鋸條偏心張緊力控制的法向變形范圍,出現(xiàn)嚴重的側(cè)向變形。在調(diào)整鋸條偏心張緊的同時,為了降低側(cè)向變形,需對鋸條鋸解力進行分析,以調(diào)整鋸條尺寸和工藝的方法控制鋸條受力和變形。

        2 法向鋸解力對鋸條側(cè)向變形的影響

        長、薄型鋸條在受到法向力作用時存在失穩(wěn)特性,當(dāng)鋸條受力小于臨界失穩(wěn)力時,變形較小,達到臨界失穩(wěn)力時變形急劇增大,即出現(xiàn)跑偏[10]。普通線性靜力學(xué)分析難以準確地反映鋸條大變形時產(chǎn)生的變化。因此本節(jié)采用非線性靜力學(xué)方式分析鋸條在不同法向鋸解力的作用下變形特性,根據(jù)法向鋸解力與側(cè)向變形關(guān)系,探究鋸條法向臨界失穩(wěn)力,判斷鋸條側(cè)向變形原因。

        基于ANSYS Workbench建立鋸條有限元模型,網(wǎng)格劃分、約束與載荷同上節(jié)所述,其中設(shè)定y方向的鋸解力從小到大共13步,獲得z方向最大變形云圖,如圖6所示。

        圖6 鋸條z方向最大變形云圖

        將鋸條z方向云圖整理后,獲得鋸條z方向最大變形與鋸解力關(guān)系,如圖7所示。

        圖7 鋸條z方向最大變形-鋸解力關(guān)系圖

        圖7給出了整理后的鋸條最大側(cè)向變形與鋸解力關(guān)系圖??梢钥闯?,鋸條的臨界法向失穩(wěn)力為27000 N。在此力以下,法向力對鋸條的側(cè)向變形影響很小。在實際加工過程中,鋸條受力與有限元仿真中的理想受力有一些不同,如存在鋸條振動和往復(fù)運動、鋸條和石材材質(zhì)不均勻等問題。在這些問題的作用下,鋸條在達不到27000N受力時,仍然會出現(xiàn)側(cè)向變形的趨勢,隨著鋸條穩(wěn)定性逐漸變差,鋸條會發(fā)生急劇變形,形成失穩(wěn),因此在實際加工中鋸條的臨界法向失穩(wěn)力應(yīng)略小于27000N。

        在實際加工中,一根鋸條受鋸解力為2420N左右[8],并不會達到臨界法向失穩(wěn)力,但鋸條仍然有較大側(cè)向變形,因此考慮側(cè)向力對鋸條側(cè)向變形影響,以探究石板材厚度不均的原因。

        3 側(cè)向鋸解力對鋸條側(cè)向變形的影響

        石材具有非均質(zhì)的特性,內(nèi)部結(jié)構(gòu)成分復(fù)雜[11],微小的側(cè)向變形趨勢在偏斜鋸縫的引導(dǎo)作用下會進一步導(dǎo)致鋸條側(cè)向力的增加,導(dǎo)致鋸條難以矯正回位。因此鋸條側(cè)向力是導(dǎo)致鋸條側(cè)向變形的主要原因,鋸條的側(cè)向變形主要體現(xiàn)為鋸條彎曲和鋸條扭轉(zhuǎn)[12]。分別分析鋸條側(cè)向鋸解力對鋸條彎曲與鋸條扭轉(zhuǎn)的作用。

        3.1 側(cè)向力對鋸條彎曲影響分析

        如圖8所示,根據(jù)鋸條受力特點建立撓曲線微分方程,代入鋸條一端固定一端游動的邊界條件從而得到特解,建立鋸條側(cè)向變形與側(cè)向鋸解力關(guān)系函數(shù)。

        圖8 鋸條彎曲模型圖

        鋸條在z方向轉(zhuǎn)動慣量為:

        鋸條z方向彎矩為:

        根據(jù)撓曲線微分方程:

        EIw″=M

        整理得:

        代入邊界條件w|x=0=0,w|x=L=0,可得:

        代入鋸條數(shù)據(jù),可得鋸條最大側(cè)向彎曲量為:

        w=4.1×10-6·F側(cè)(m)

        由上式可知,側(cè)向力越大,鋸條彎曲越嚴重,鋸解硬質(zhì)石材的鋸條對鋸齒的均勻性要求較高,鋸齒上的金剛石顆粒和基體良好的均勻性可以降低鋸條受到的側(cè)向力。鋸條越長,鋸條最大側(cè)向彎曲量越大,應(yīng)減小鋸條未加工區(qū)域,盡可能降低鋸條長度來提高石板材質(zhì)量。鋸條側(cè)向彎曲隨著鋸條截面尺寸的增大而減小。

        3.2 側(cè)向力對鋸條扭轉(zhuǎn)影響分析

        鋸條側(cè)向鋸解力作用點在鋸條下端,扭轉(zhuǎn)方式如圖9所示。通過建立扭矩方程,獲得鋸條側(cè)向力與最大扭轉(zhuǎn)側(cè)偏量的關(guān)系函數(shù)。

        圖9 鋸條扭轉(zhuǎn)方式

        金剛石框架鋸條的扭轉(zhuǎn)剛度與鋸條基體幾何參數(shù)的關(guān)系是:

        k=GIt=Gβhb3

        則鋸條基體的剪切模量為:

        那么由鋸條側(cè)向力產(chǎn)生的扭矩為:

        鋸條的扭轉(zhuǎn)角為:

        鋸條最大扭轉(zhuǎn)側(cè)偏量(以鋸條中心為側(cè)偏零點)為:

        代入鋸條數(shù)據(jù),可得:

        w=1.38×10-4·F側(cè)(m)

        由上式可知,隨著鋸條側(cè)向鋸解力的增大、鋸條長度和寬度的增加,鋸條扭轉(zhuǎn)側(cè)偏量增大;隨著鋸條厚度的增大,鋸條扭轉(zhuǎn)側(cè)偏量減小。

        因此,在鋸條失穩(wěn)之前,為了減小鋸條側(cè)向變形,應(yīng)在允許范圍內(nèi)降低側(cè)向鋸解力和張緊力,降低鋸條長度,提高鋸條厚度,改善鋸條材料屬性。在鋸條結(jié)構(gòu)和鋸解工況已確定情況下,可采用我實驗室研發(fā)的“一種金剛石框架鋸鋸條跑偏確認結(jié)構(gòu)、裝置及方法”[13]。將鋸條未加工區(qū)域L1用定位部件限定和矯正位置,從而控制和降低鋸條側(cè)向變形。

        4 結(jié)束語

        以金剛石框架鋸條為研究對象,仿真分析了偏心張緊力對鋸條應(yīng)力和法向變形的影響,基于非線性靜力學(xué)仿真分析了法向鋸解力與鋸條側(cè)向變形的映射關(guān)系,同時理論推導(dǎo)了側(cè)向鋸解力對鋸條彎曲和扭轉(zhuǎn)變形關(guān)系,主要結(jié)論如下:

        (1)相對于水平張緊,偏心張緊力可以降低鋸條法向變形,提高鋸條剛性,減小最大應(yīng)力。依據(jù)本文工況,偏心量為10mm,張緊力為15t時,鋸條法向變形更均勻,鋸條穩(wěn)定性更高。

        (2) 鋸條的臨界法向失穩(wěn)力約為27000 N,當(dāng)鋸解力低于臨界法向失穩(wěn)力,法向鋸解力對側(cè)向變形影響很小;當(dāng)鋸解力高于臨界法向失穩(wěn)力,側(cè)向變形急劇增大。

        (3) 鋸條的側(cè)向鋸解力是鋸條發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)的主要因素,為了減小鋸條側(cè)向變形,提高鋸條穩(wěn)定性,應(yīng)在允許范圍內(nèi)降低側(cè)向鋸解力和張緊力,降低鋸條長度,提高鋸條厚度,改善鋸條材料屬性。

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