王蔭真，張慧菊，周紹鴻，焦雪妍

(廈門工學(xué)院 柔性制造裝備集成福建省高校重點實驗室，福建 廈門 361021)

0 引言

隨著國家石材產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，金剛石鋸片的需求量劇增，同時對其使用壽命、良品率的要求也越來越高，因此研究和開發(fā)新型的雕刻工具具有一定的研究空間，具有重要的研究意義[1-2]。結(jié)合科研團隊對福建省石材廠的走訪調(diào)查結(jié)果，本文基于ANSYS對Ф350 mm金剛石鋸片進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終達(dá)到更優(yōu)性能的目的。

1 鋸片原模型的建立及靜力學(xué)分析

1.1 鋸片靜力學(xué)模型

在石材加工時，金剛石鋸片主要依靠節(jié)塊上的金剛石顆粒將材料磨去[3]，受力過大易導(dǎo)致金剛石顆粒脫落，從而造成刀具壽命降低。本文對金剛石鋸片進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而改善刀具切削時的受力情況，提高刀具性能。本文研究的金剛石鋸片來源于福建省某石材加工廠，核對其尺寸并建立模型，鋸片見圖1，模型見圖2。鋸片由34個節(jié)塊焊接在基體上，材料參數(shù)見表1，尺寸參數(shù)見表2。

圖1 Ф350 mm金剛石鋸片實物圖Fig.1 Real productpicture of Ф350 mmdiamond saw blade

圖2 金剛石鋸片原模型Fig.2 Original model of diamond saw blade

表1 金剛石鋸片材料表Table 1 List of diamond saw blade materials

表2 金剛石鋸片結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of diamond saw blade

1.2 鋸片原模型的有限元分析

使用ANSYS Workbench進行靜力學(xué)分析時，將幾何體的單元尺寸設(shè)置為3 mm，用六面體的網(wǎng)格類型進行多區(qū)域的網(wǎng)格詳細(xì)劃分，將鋸片模型劃分成75 662個節(jié)點和10 106個單元，如圖3所示。在金剛石鋸片的中心內(nèi)孔施加固定支撐約束，金剛石鋸片模型內(nèi)孔施加一個圓柱形支撐，添加軸向和切向位移固定約束，轉(zhuǎn)速值為1000 r/min。添加載荷切向力Ft=257 N，徑向力Fn=59 N(切深20 mm)[3-5]。載荷及約束施加結(jié)果見圖4。通過計算得出鋸片的仿真[6]結(jié)果見圖5和圖6，最大應(yīng)變和應(yīng)力都在鑰匙孔的邊緣處，最大等效應(yīng)力為63 MPa。

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh model

圖4 約束及載荷施加情況Fig.4 Constraint and load application condition

圖5 金剛石鋸片應(yīng)變圖Fig.5 Strain diagram of diamond saw blade

圖6 金剛石鋸片應(yīng)力圖Fig.6 Stress diagram of diamond saw blade

2 優(yōu)化方案確定以及靜力學(xué)分析

2.1 優(yōu)化方案的確定

金剛石鋸片的優(yōu)化方案如下：

方案一：通過改變節(jié)塊數(shù)量建立模型進行模擬分析。

方案二：通過改變降噪孔數(shù)量、直徑或距離安裝孔的圓心距建立模型進行模擬分析。

方案三：通過改變鑰匙孔直徑建立模型進行模擬分析。

方案四：通過改變鑰匙槽結(jié)構(gòu)建立模型進行模擬分析。

將以上四種方案中的分析結(jié)果與原有模型的相應(yīng)值進行比對，以提高金剛石鋸片的力學(xué)性能為主要目標(biāo)，從而確認(rèn)鋸片的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

2.2 節(jié)塊數(shù)量的確定

固定鑰匙槽寬度不變，改變節(jié)塊數(shù)量，分別建立節(jié)塊數(shù)量為26、28、30、34、38、40的鋸片模型，對模型進行約束加載，并用ANSYS Workbench軟件進行靜力學(xué)分析，得到節(jié)塊數(shù)與應(yīng)力關(guān)系(圖7)。由圖7可知，金剛石鋸片的最大等效應(yīng)力會隨著節(jié)塊數(shù)量的增加而增加，即節(jié)塊越多，應(yīng)力集中趨勢越明顯。但是節(jié)塊越少會造成節(jié)塊與基體焊接難度增加，從而增加制造成本，且導(dǎo)致同時參與切削的節(jié)塊數(shù)減少，造成平穩(wěn)性降低。綜合考慮，節(jié)塊數(shù)量選擇30。

圖7 節(jié)塊數(shù)與應(yīng)力關(guān)系Fig.7 Relationship curve betweensegment number and stress

2.3 降噪孔數(shù)的確定

在鋸片節(jié)塊數(shù)量為30且鑰匙槽寬度為3 mm的前提下，改變降噪孔數(shù)量，建立孔數(shù)為0、2、4、6、8的金剛石鋸片模型，分析得到不同降噪孔數(shù)量的金剛石鋸片等效應(yīng)力值(圖8)。由圖8可得，金剛石鋸片的最大等效應(yīng)力會隨著降噪孔數(shù)量的增加而減少，即降噪孔數(shù)有助于減輕應(yīng)力集中?？讛?shù)為6和8的應(yīng)力值相近，而孔數(shù)越多加工成本越高，因此選擇降噪孔數(shù)量為6。

圖8 降噪孔數(shù)與應(yīng)力關(guān)系Fig.8 Relationship curve between noise reduction hole number and stress

2.4 鑰匙槽寬度的確定

基于節(jié)塊數(shù)量及降噪孔數(shù)的結(jié)果，改變金剛石鋸片鑰匙槽寬度，設(shè)為2、3、4、5、6 mm，并建模以及對模型進行約束加載，分析得到鑰匙槽寬、受載變形量和等效應(yīng)力關(guān)系(圖9)。由圖9結(jié)果可得，金剛石鋸片模型的最大等效應(yīng)力會隨著鑰匙槽寬度的增加而變化，變化無規(guī)律。但變形程度會隨著鑰匙槽直徑的增加而減少，因此綜合選擇鑰匙槽寬度為6 mm。

圖9 鑰匙槽寬與受載變形量和應(yīng)力的關(guān)系Fig.9 Relationship curve between key slot width and load deformation and stress

2.5 鑰匙槽深度的確定

基于以上模擬結(jié)果改變鑰匙槽深度，深度值分別為24、26、27、30、33 mm，建立金剛石鋸片模型，對模型進行約束加載，并用ANSYS Workbench軟件進行靜力學(xué)分析，得到鑰匙槽深度與等效應(yīng)力關(guān)系曲線(圖10)。由圖10數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后的金剛石鋸片模型的最大等效應(yīng)力會隨著鑰匙槽深度的增加而增加。即鑰匙槽深度越深，越容易引起應(yīng)力集中，從而越容易被破壞。綜上選擇槽的深度為26 mm。

圖10 鑰匙槽深與應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.10 Relationship curve between key slot depth and stress

2.6 鑰匙孔直徑的確定

基于以上模擬結(jié)果改變鑰匙孔直徑，直徑分別為4、6、8、10、12 mm，分別建立金剛石鋸片的模型，對模型進行約束加載，用ANSYS Workbench軟件進行靜力學(xué)分析得到孔徑與應(yīng)力關(guān)系曲線(圖11)?？傻媒饎偸徠淖畲蟮刃?yīng)力會隨著鑰匙孔徑的增加而增加，即鑰匙孔直徑越大，越容易引起應(yīng)力集中，也越容易被破壞。且超過鑰匙槽寬度時，等效應(yīng)力會相應(yīng)增加。由于鑰匙槽寬度為6 mm，同時考慮便于加工原則，選擇鑰匙孔的直徑為6 mm。

圖11 鑰匙孔直徑與應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.11 Relationship curve between key hole diameter and stress

2.7 降噪孔圓心距離安裝孔圓心的距離確定

在上述優(yōu)化參數(shù)的基礎(chǔ)上，分別建立降噪孔的圓心與安裝孔圓心的距離分別為60、65、70、75、80 mm的金剛石鋸片模型，對模型進行約束加載，并用ANSYS Workbench軟件進行靜力學(xué)分析得到孔距與等效應(yīng)力關(guān)系(圖12)。結(jié)合圖12的等效應(yīng)力值和變化趨勢，可知降噪孔的位置對加工所受應(yīng)力的影響不大。因此折中取降噪孔圓心距離安裝孔圓心的距離為70 mm。

圖12 孔心距與應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.12 Relationship curve between hole center distance and stress

2.8 降噪孔直徑的確定

在上述優(yōu)化參數(shù)的基礎(chǔ)上改變降噪孔直徑，分別建立降噪孔直徑大小為8、10、13、15、17 mm的金剛石鋸片模型，對模型進行約束加載，并用ANSYS Workbench軟件進行靜力學(xué)分析得到降噪孔直徑與等效應(yīng)力關(guān)系(圖13)，從圖13中數(shù)值發(fā)現(xiàn)，降噪孔直徑的大小對金剛石鋸片的最大等效應(yīng)力影響不大，取降噪孔直徑為15 mm。

圖13 降噪孔直徑與應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.13 Relationship curve between noise reduction hole diameter and stress

3 原模型和優(yōu)化模型的數(shù)據(jù)對比及分析

通過有限元分析，得出優(yōu)化后的鋸片模型，其節(jié)塊數(shù)量為30，降噪孔為6個，降噪孔直徑15 mm，距離安裝孔圓心70 mm，鑰匙槽寬6 mm，鑰匙槽深26 mm，鑰匙孔直徑為6 mm。優(yōu)化前后的金剛石鋸片各個力學(xué)參數(shù)值見表3。

表3 原鋸片與優(yōu)化后鋸片的力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of original saw blade and optimized saw blade

由表3可知，優(yōu)化后的鋸片在等效應(yīng)力方面有較明顯的改善。在約束和載荷相同的條件下，優(yōu)化后的鋸片所產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力對比原鋸片下降了43.4%，同時在最大變形量和最大彈性應(yīng)變量的數(shù)值上也有相應(yīng)改善，減少量分別為28%和43%，因此優(yōu)化鋸片剛度等性能有所提高。

4 結(jié)論

本文基于有限元軟件ANSYS Workbench，改變相應(yīng)參數(shù)進行模擬分析，得到優(yōu)化后的鋸片模型。優(yōu)化模型的具體參數(shù)：鋸片外徑為350 mm，基體直徑為322 mm，節(jié)塊數(shù)量為30，降噪孔數(shù)量為6，鋸片安裝孔直徑為50 mm，降噪孔直徑為15 mm，降噪孔圓心距安裝孔圓心距為70 mm，鑰匙槽寬度為6 mm，鑰匙槽深為26 mm，鑰匙孔直徑為6 mm，相對原有模型，優(yōu)化后的模型的等效應(yīng)力最大減少27.54 MPa，減少量達(dá)43.4%。