胡 歡， 張?jiān)撇牛?李春林， 趙 磊

(黑旋風(fēng)鋸業(yè)股份有限公司， 湖北 宜昌 443005)

金剛石鋸片具有優(yōu)越的切割性能，具有便捷、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)。不僅應(yīng)用于石材、超硬材料的加工，而且在各種道路(機(jī)場(chǎng)跑道、瀝青路面等)及建筑物的改造與拆除等建筑施工領(lǐng)域的應(yīng)用亦越來(lái)越廣泛[1-2]。金剛石鋸片在建筑施工領(lǐng)域的應(yīng)用主要以鋼筋混凝土等作為切割對(duì)象，但由于鋼筋在混凝土中隨機(jī)分布，混凝土內(nèi)部存在不連續(xù)點(diǎn)甚至裂縫，因而鋸片基體在切割過(guò)程中的受力狀態(tài)與切割機(jī)理極為復(fù)雜，對(duì)鋸片基體的性能要求也比傳統(tǒng)石材加工用鋸片基體的更高，主要體現(xiàn)為屈強(qiáng)比要求高，基體剛性要更好，同時(shí)基體齒部耐沖擊性要求更高[3]。因此，在建筑施工領(lǐng)域鋸片的使用過(guò)程中，由于沖擊力和負(fù)荷的急劇變化，金剛石鋸片基體容易變形，尤其是鋸片刀頭易掉齒或基體水槽底部易產(chǎn)生裂紋等問(wèn)題，不但縮短了鋸片的使用壽命，同時(shí)鋸切加工時(shí)易形成較大的安全隱患。

已有的研究成果表明，為減少鋸片基體在高強(qiáng)度、大沖擊工況下使用時(shí)出現(xiàn)裂紋等，國(guó)內(nèi)外同行一方面從金剛石刀頭的配方和金剛石有序排列的角度改進(jìn)，使鋸片在切割過(guò)程中更加鋒利[4-5]；另一方面，通過(guò)對(duì)基體和鋸齒結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，提高鋸片的抗沖擊能力。胡映寧等[2]介紹了國(guó)內(nèi)外優(yōu)化金剛石圓鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)的有關(guān)成果，如鋸片基體開(kāi)氣流孔槽或鑲阻尼材料，形成鋸齒中凹磨損的三明治夾層齒、多重細(xì)齒、徑向延伸齒、硬質(zhì)合金護(hù)齒等，分析了各種用于干切削、抗沖擊和低噪音的鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及存在問(wèn)題。仇君等[6]研究發(fā)現(xiàn)合理的水槽結(jié)構(gòu)能使鋸片的應(yīng)力分布均衡，高應(yīng)力區(qū)均大大縮小。綜合現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)用現(xiàn)有技術(shù)對(duì)水槽形狀進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，工業(yè)化控制的難度低，且效果較為明顯。如專利[7]介紹：將傳統(tǒng)的U形水槽優(yōu)化為全新的半圓形水槽，這種水槽結(jié)構(gòu)使得鋸切時(shí)的齒根部應(yīng)力過(guò)于集中的現(xiàn)象得以消除，避免因局部受力而產(chǎn)生裂紋，極大地提高了鋸片基體的耐沖擊性能。

因此，針對(duì)半圓形水槽新型齒形結(jié)構(gòu)的金剛石鋸片基體，建立了相應(yīng)的鋸切時(shí)受力的有限元模型，開(kāi)展了傳統(tǒng)U型槽齒形和新型的半圓齒形水槽的金剛石圓鋸片鋸切受力的數(shù)值模擬對(duì)比研究，探究其應(yīng)變及應(yīng)力的變化規(guī)律。

1 耐沖擊型金剛石圓鋸片鋸切受力的有限元建模

1.1 確定結(jié)構(gòu)參數(shù)、定義單元類型和材料屬性

建模時(shí)，對(duì)圓鋸片進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，傳統(tǒng)的U形水槽和新型半圓形水槽圓鋸片的主要尺寸為：外徑350 mm、內(nèi)孔50 mm、齒數(shù)24、基體厚度2.0 mm、刀頭3 mm×7 mm(寬×高)，傳統(tǒng)的U形水槽尺寸為10 mm×15 mm,新型半圓形水槽尺寸為R5 mm；鋸片基體、刀頭的材料特性參數(shù)如表1所示。

表1 金剛石圓鋸片基體和刀頭的材料特性

根據(jù)上述金剛石圓鋸片的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性參數(shù)建立有限元仿真模型，為保證鋸切時(shí)受力情況一致，設(shè)定傳統(tǒng)U型水槽和半圓形水槽齒形鋸片基體的齒長(zhǎng)一致。

由于金剛石圓鋸片基體的徑厚比較大，屬于典型的平面薄板件，其受力可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力問(wèn)題，因此在建模時(shí)定義了2種單元類型：殼單元SHELL63和體單元SOLID45。根據(jù)表1的基體和刀頭對(duì)應(yīng)的材料屬性參數(shù)，對(duì)平面薄板結(jié)構(gòu)的金剛石圓鋸片基體簡(jiǎn)化其平面應(yīng)力模擬，選用板殼單元SHELL 63，對(duì)厚度與基體不同的刀頭節(jié)塊，選用SOLID45體單元來(lái)模擬其實(shí)際受力情況，得到2種結(jié)構(gòu)類型的金剛石圓鋸片的有限元仿真模型如圖1所示。

(a)傳統(tǒng)U型水槽Traditional U-shaped sink(b)新型半圓形水槽New semi-circular sink圖1 2種結(jié)構(gòu)類型的金剛石圓鋸片的有限元仿真模型Fig. 1 Finite element simulation model of two types of diamond circular saw blades

1.2 網(wǎng)格劃分

使用ANSYS分析軟件中的網(wǎng)格劃分選項(xiàng)Smart sizing進(jìn)行智能網(wǎng)格自由劃分，程序自動(dòng)控制單元大小。為便于水槽齒部周圍有限單元的劃分，統(tǒng)一采用四邊形單元。另外，由于水槽齒部所處位置是應(yīng)力集中敏感區(qū)，須將水槽附近的網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化，以便更精確地反映出整個(gè)有限元模型的狀態(tài)，其劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。

1.3 定義約束及施加載荷

鋸片在鋸切時(shí)由中孔和法蘭盤固定在主軸上，且鋸切加工時(shí)只有繞軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)，因而在其他自由度上是固定的，而轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)帶動(dòng)，理想切割狀態(tài)下為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，也可認(rèn)為是受約束的。因此，基體內(nèi)孔整個(gè)圓環(huán)面積受到全約束，即ANSYS模型受全約束。

依據(jù)建模時(shí)鋸片的相關(guān)參數(shù)，再參考文獻(xiàn)[1]，鋸切過(guò)程中的主要工作參數(shù)設(shè)定為：鋸片鋸切轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，進(jìn)給速度為1.8 m/min，鋸切進(jìn)刀量為20 mm，其中刀頭寬度為3 mm。根據(jù)金剛石鋸片的力學(xué)模型[8-10]，可計(jì)算出同一時(shí)刻有2個(gè)齒參加鋸切加工，求得其切向力Ft=257 N，徑向力Fn=59 N。此時(shí)可以認(rèn)為這2個(gè)齒承受了所有的壓力，受力位置為刀頭的頂面和側(cè)面，其面積分別為An和At，則單個(gè)齒側(cè)面均布載荷Pt=Ft/(At/2)=6.119 MPa，單個(gè)齒頂面均布載荷Pn=Fn/(An/2)=0.246 MPa，且載荷將均布于2個(gè)刀頭結(jié)塊的頂面和側(cè)面上。

(a)金剛石圓鋸片劃分網(wǎng)格后模型Diamond circular saw blade meshed model(b)傳統(tǒng)U型水槽網(wǎng)格細(xì)化Traditional U-shaped sink mesh refinement(c)新型半圓形水槽網(wǎng)格細(xì)化New semi-circular sink mesh refinement圖2 劃分網(wǎng)格后的有限元模型Fig. 2 Finite element simulation model after meshing

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 圓鋸片變形情況分析

傳統(tǒng)U型水槽圓鋸片和新型的半圓形水槽圓鋸片綜合變形(USUM)分布云圖如圖3、圖4所示，其USUM綜合變形最大值見(jiàn)表2所示，表2中η1=(1-新型鋸片的變形值/傳統(tǒng)鋸片的變形值)×100%。

圖3 傳統(tǒng)U型水槽圓鋸片綜合變形(USUM)云圖

圖4 新型半圓水槽圓鋸片綜合變形(USUM)云圖

鋸片類型綜合變形USUM最大值Dmax/mm 傳統(tǒng)U型水槽齒形0.009 211新型半圓形水槽齒形0.008 146η111.56%

由圖3、圖4及表2可知：在承受相同載荷的情況下，與傳統(tǒng)的U型水槽金剛石圓鋸片相比，新型的半圓形水槽圓鋸片最大變形量減少了11.56%。說(shuō)明新型齒形結(jié)構(gòu)的鋸片較傳統(tǒng)齒形鋸片在鋸切受力時(shí)的變形量減小。因此，在變形量一定的前提下，新型齒形結(jié)構(gòu)的鋸片能承載更大的載荷。

2.2 圓鋸片應(yīng)力情況分析

根據(jù)第三強(qiáng)度理論，圓鋸片的基體材料許用應(yīng)力[S]=S1-S3[1]，其中S1和S3分別表示圓鋸片所受的第一和第三主應(yīng)力。圓鋸片在鋸切過(guò)程中所受的應(yīng)力不能超過(guò)許用應(yīng)力[S]。因此，研究鋸片受到的第一、第三主應(yīng)力大小以及應(yīng)力集中的情況，就能夠判斷鋸片的優(yōu)劣。傳統(tǒng)U型水槽圓鋸片、新型的半圓形水槽圓鋸片的第一、第三主應(yīng)力分布云圖如圖5～圖8所示，其第一、第三主應(yīng)力最大值如表3所示，表3中的η2=(1-新型鋸片對(duì)應(yīng)應(yīng)力最大值/傳統(tǒng)鋸片對(duì)應(yīng)應(yīng)力最大值)×100%，且第一主應(yīng)力為拉應(yīng)力，第三主應(yīng)力為壓應(yīng)力。

(a)分布云圖 Stress distribution(b)局部放大圖Partial enlargement圖5 傳統(tǒng)U型水槽圓鋸片第一主應(yīng)力S1分布云圖及局部放大圖Fig. 5 Distribution of 1st principal stress S1 of circular sawblade with traditional U-shaped sink and its partial enlargement

(a)分布云圖 Stress distribution(b)局部放大圖Partial enlargement圖6 傳統(tǒng)U型水槽圓鋸片第三主應(yīng)力S3分布云圖及局部放大圖Fig. 6 Distribution of 3rd principal stress S3 of circular saw blade with traditional U-shaped sink and its partial enlargement

(a)分布云圖 Stress distribution(b)局部放大圖Partial enlargement圖7 新型半圓水槽圓鋸片第一主應(yīng)力S1分布云圖及局部放大圖Fig. 7 Distribution of 1st principal stress S1 of circular saw blade with new semi-circular sink and its partial enlargement

表3 2種鋸片應(yīng)力最大值比較(絕對(duì)值)

(a)分布云圖 Stress distribution(b)局部放大圖Partial enlargement圖8 新型半圓水槽圓鋸片第三主應(yīng)力S3分布云圖及局部放大圖Fig. 8 Distribution of 3rd principal stress S3 of circular saw blade with new semi-circular sink and its partial enlargement

由圖5～圖8及表3分析可知：在承受相同鋸切載荷的情況下，傳統(tǒng)U型水槽圓鋸片、新型的半圓形水槽圓鋸片的最大應(yīng)力均發(fā)生在水槽的圓弧底部，受到的最大應(yīng)力集中出現(xiàn)在鋸齒的水槽周圍。從第一、第三主應(yīng)力分布云圖看出，新型的半圓形水槽圓鋸片和傳統(tǒng)U型水槽圓鋸片相比，高應(yīng)力區(qū)均大大縮小，且應(yīng)力均衡，應(yīng)力值顯著下降(只考慮應(yīng)力絕對(duì)值)，且應(yīng)力最大值分別降低了24.04%和34.19%，這也說(shuō)明新型半圓形水槽圓鋸片在變形、應(yīng)力方面較傳統(tǒng)齒形鋸片有了較大改善。在變形和應(yīng)力一定的情況下，新型的半圓形水槽圓鋸片比傳統(tǒng)齒形鋸片能承受更大的載荷或沖擊，說(shuō)明該新型的齒形結(jié)構(gòu)適合用于耐沖擊型金剛石圓鋸片。

3 結(jié)論

(1)建立了耐沖擊型新型齒形結(jié)構(gòu)的金剛石圓鋸片鋸切受力的有限元模型。在承受相同載荷的情況下，新型半圓形水槽圓鋸片較傳統(tǒng)U型水槽圓鋸片在鋸切受力時(shí)的變形量減少11.56%，表明與傳統(tǒng)齒形鋸片相比，新型齒形結(jié)構(gòu)鋸片能承載更大的載荷。

(2)從第一、第三主應(yīng)力分布云圖可看出，新型半圓形水槽圓鋸片和傳統(tǒng)U型水槽圓鋸片相比，第一、第三主應(yīng)力分別降低24.04%和34.19%，并且對(duì)應(yīng)的高應(yīng)力區(qū)均大大縮小，應(yīng)力均衡，表明新型齒形結(jié)構(gòu)鋸片較傳統(tǒng)齒形鋸片在同等條件下的應(yīng)力明顯改善，耐沖擊性能顯著提高。