徐曉東 周琪 王玉奇 鞠軍偉 白碩瑋

摘要：

為了指導制鋸企業(yè)開展輥壓適張工藝優(yōu)化，研究輥壓適張后圓鋸片基體的殘余應力分布狀態(tài)。利用有限元仿真分析圓鋸片基體輥壓適張后殘余應力分布，并應用X射線衍射法檢測殘余應力，對比輥壓適張殘余應力檢測試驗結(jié)果和有限元仿真結(jié)果，得出輥壓后圓鋸片基體殘余應力的分布特性。研究結(jié)果表明，輥壓后圓鋸片基體徑向殘余應力沿半徑方向呈“低－高－低”的分布趨勢，切向殘余應力沿半徑方向呈“外正內(nèi)負”的分布規(guī)律，輥壓適張仿真模型能夠反映輥壓帶內(nèi)外兩側(cè)真實的應力分布狀況。

關鍵詞：

圓鋸片；輥壓適張；應力分布；有限元分析

中圖分類號：TH164

文獻標志碼：A

作為一種高效的切割工具，圓鋸片在石材、木材、金屬切割等行業(yè)廣泛應用［1］。隨著綠色制造概念的逐漸成熟和推廣，減小鋸縫寬度，縮小圓鋸片厚度成為主要發(fā)展趨勢，這對圓鋸片的穩(wěn)定性提出了更高的要求［2］。為了提高圓鋸片的穩(wěn)定性，鋸片生產(chǎn)企業(yè)廣泛采用圓鋸片適張?zhí)幚恚壳皥A鋸片的適張方法有捶擊法、輥壓法、熱適張法、漲孔法等［3］。輥壓法作為一種高效的、易于控制的適張?zhí)幚矸椒ǎ粐鴥?nèi)外廣泛使用。通過輥壓適張工藝改善圓鋸片基體殘余應力的分布狀態(tài)，提高鋸片工作過程的穩(wěn)定性［4］，是制鋸行業(yè)綠色制造研究領域的關鍵技術之一。但目前各企業(yè)制定輥壓工藝時并沒有統(tǒng)一的標準和原則，完全依靠相關技術人員的經(jīng)驗，導致生產(chǎn)的圓鋸片基體質(zhì)量一致性差，研究表明適張?zhí)幚響阡徠幸肱c熱應力相互抵消的切向和徑向應力［5］。且針對一定規(guī)格的壓輥和圓盤，有經(jīng)驗公式揭示了輥壓適張時輥壓區(qū)的膨脹、壓輥載荷和鋸片結(jié)構尺寸之間的關系，能夠計算得出鋸片內(nèi)的適張應力［6］。以上研究提供了輥壓適張應力分布的理論支持。以此為基礎，應用彈性力學中接觸理論相關知識，使用計算機仿真軟件可以建立輥壓適張后應力狀態(tài)的徑向分析模型［7］。通過仿真模型可以分析輥壓適張后圓鋸片的殘余應力分布，根據(jù)較好的應力分布確定最佳輥壓參數(shù)［8］。為了更準確的實現(xiàn)輥壓適張應力的仿真，本文使用ABAQUS有限元仿真軟件研究了圓鋸片基體輥壓適張殘余應力仿真模型的構建方法，通過實例分析輥壓適張產(chǎn)生的應力分布規(guī)律；然后使用X射線衍射法對輥壓前后的圓鋸片基體進行殘余應力檢測，并將試驗結(jié)果和仿真結(jié)果進行對比，驗證了仿真模型的正確性。

1 圓鋸片基體輥壓適張殘余應力仿真分析

1.1 仿真模型的建立

圓鋸片基體包含鋸齒、水槽等，材質(zhì)為65Mn，厚度2.4 mm（圖1）。圓鋸片基體在輥壓過程中產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，應力與應變之間的關系呈非線性［9］。為了保證仿真模型的準確性，圓鋸片基體材料的建模過程涉及的彈性模量、泊松比、剪切模量等材料屬性均由測試試驗［10］獲取，材料試驗機為MTS（美國MTS公司，Landmark100），應力－應變曲線圖如圖2所示。

輥壓適張仿真模型由圓鋸片基體與輥壓輪組成，輥壓輪材料Gr12MoV。輥壓過程中，鋸片基體受輥壓產(chǎn)生的應力值達到屈服極限而發(fā)生一定塑性變形［11］；輥壓輪的硬度與剛度遠大于圓鋸片基體，發(fā)生的微量彈性變形忽略不計。因此，基于ABAQUS有限元仿真建模時，圓鋸片基體65Mn定義為材料非線性，輥壓輪定義為剛體［12］。試驗測得圓鋸片材料的彈性模量210 GPa，泊松比為0.3，屈服強度1 100 MPa，剪切模量76.9 GPa。

輥壓輪與圓鋸片設定為“面－面”接觸，單元類型設置為C3D8R［13］，采用顯式動力學［14］求解。模型定義的單元類型為八結(jié)點六面體線性減縮積分單元，此單元類型在網(wǎng)格扭曲變形時，對求解精度影響較小，能夠減小輥壓帶處網(wǎng)格變形帶來的影響。有限元模型如圖3所示，設定鋸片模型的邊界條件為中心約束，對輥壓輪創(chuàng)建壓向圓鋸片基體50 MPa的載荷，輥壓位置位于圓鋸片0.7R處，輥壓的時長設置為2 s。

1.2 仿真結(jié)果分析

對仿真結(jié)果進行處理，得到輥壓后圓鋸片基體的切向及徑向殘余應力分布云圖［15］（圖4）。沿半徑方向提取A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K點應力的分布曲線，F(xiàn)點為輥壓半徑位置，其余點分別均布于輥壓帶的內(nèi)外兩側(cè)（圖5）。結(jié)合應力分布云圖和曲線可以看出，徑向殘余應力在輥壓帶內(nèi)側(cè)為負值，即壓應力，且越靠近輥壓帶數(shù)值越大，在輥壓帶外側(cè)由負值變?yōu)檎担以娇拷亯簬?shù)值越大，沿半徑方向呈現(xiàn)“低－高－低”的分布趨勢；切向和徑向殘余應力在輥壓帶位置均達到最大，切向殘余應力在輥壓帶內(nèi)側(cè)為負值（壓應力），在輥壓帶外側(cè)為正值（拉應力），呈現(xiàn)“外正內(nèi)負”的分布規(guī)律，且內(nèi)外兩側(cè)切向殘余應力值的大小在±10 Mpa之內(nèi)。

2 圓鋸片基體輥壓適張殘余應力檢測試驗與結(jié)果分析

2.1 檢測試驗

圓鋸片基體殘余應力檢測位置標定見圖6，F(xiàn)為輥壓半徑位置，A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K點檢測點位置與提取點一致。試驗采用KWH-SP1000型輥壓應力調(diào)校機對圓鋸片基體進行輥壓適張?zhí)幚恚?6］，輥壓載荷為50 MPa，輥壓位置位于圓鋸片基體的0.7R處。

檢測輥壓前后各點殘余應力時，使用儀器為Proto iXRD Combo型X射線衍射儀，檢測方法為側(cè)傾法［17］，輥壓前后各點的切向及徑向殘余應力值見表1。

2.2 結(jié)果分析

由各檢測點殘余應力可得圓鋸片基體輥壓前后徑向及切向應力的分布趨勢。圖7（a）為輥壓前后徑向殘余應力及其凈增量沿半徑方向變化趨勢，輥壓產(chǎn)生的徑向應力變化量為負值，即壓應力，最大值出現(xiàn)在輥壓帶F點處，向輥壓帶兩側(cè)逐漸減小，沿半徑方向呈現(xiàn)“低－高－低”的分布趨勢，這與仿真所得的徑向殘余應力“低－高－低”的分布規(guī)律一致。對比輥壓前后徑向應力分布，輥壓前徑向方向同時存在正應力和負應力，輥壓后均為負應力。同時可以觀測到輥壓后圓鋸片沿半徑方向的應力差明顯減小，徑向應力分布均勻性有所改善。

圖7（b）所示為檢測點輥壓前后切向殘余應力及其凈增量沿半徑方向變化趨勢。輥壓產(chǎn)生的切向應力沿半徑方向呈現(xiàn)出“外正內(nèi)負”的分布趨勢，這與仿真所得的切向殘余應力“外正內(nèi)負”的分布規(guī)律一致。F點處輥壓產(chǎn)生的切向應力為負值（壓應力），并隨著鋸片半徑的增大逐漸由負值（壓應力）轉(zhuǎn)變?yōu)檎担ɡ瓚Γ?，且越靠近鋸片邊緣，產(chǎn)生的拉應力越大。而輥壓帶內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的壓應力隨著半徑的減小呈現(xiàn)“先減小后增大”的現(xiàn)象，且越靠近圓心壓應力越大。

輥壓帶處的試驗結(jié)果與仿真結(jié)果有所差異：徑向應力的仿真值為正，而試驗值為負；切向應力試驗值遠小于仿真值。差異產(chǎn)生的原因是輥壓帶位置發(fā)生了塑性變形，材料晶粒伸長或破碎，晶格應變對sin2ψ呈現(xiàn)非線性關系。只有通過特定測試方法或數(shù)據(jù)處理，才能得到輥壓帶處真實的殘余應力值［18］。實際在分析圓鋸片適張程度時，主要考察是輥壓帶內(nèi)外兩側(cè)的應力分布情況，因此輥壓帶內(nèi)部殘余應力分布可不做深入分析。

在輥壓帶內(nèi)外兩側(cè)，輥壓適張測試結(jié)果與仿真測試結(jié)果相一致，而在輥壓帶內(nèi)部，測試結(jié)果與仿真結(jié)果存在差異；仿真模型可以反映輥壓帶內(nèi)外兩側(cè)真實的應力分布狀況和輥壓帶內(nèi)部的應力分布趨勢，可以為企業(yè)開展輥壓工藝優(yōu)化提供借鑒。

3 結(jié)論

本文運用輥壓適張殘余應力仿真分析與試驗分析兩種方法分析了小規(guī)格圓鋸片基體輥壓適張殘余應力分布特性。輥壓適張產(chǎn)生的徑向殘余應力沿半徑方向呈“低－高－低”的分布趨勢，且輥壓后圓鋸片徑向殘余應力分布均勻性改善，應力差最大值減小。輥壓適張產(chǎn)生的切向殘余應力沿半徑方向呈“外正內(nèi)負”的分布規(guī)律，且輥壓帶內(nèi)外側(cè)切向殘余應力值大小在±10 Mpa之內(nèi)，該應力分布特性能夠提高圓鋸片鋸切時的穩(wěn)定性。在輥壓帶內(nèi)外兩側(cè)，輥壓適張試驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果相一致，表明仿真模型能夠反映輥壓帶內(nèi)外兩側(cè)真實的應力分布狀況和輥壓帶內(nèi)部的應力分布趨勢。本次研究只考慮單一輥壓參數(shù)下殘余應力的分布，并沒有考慮在不同輥壓適張參數(shù)下殘余應力的分布規(guī)律，后續(xù)研究應將加入輥壓位置等因素，建立更完善的仿真計算模型。

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Experiment and Simulation? Research of Residual Stress

in Circular Saw Blade Matrix under Roll Tensioning

XU? Xiao-dong1， ZHOU Qi1， WANG Yu-qi1， JU Jun-wei2， BAI Shuo-wei1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

2. Hein （Shandong） Superhard Tools MFG. Co.， LTD.， Rizhao 262306， China）

Abstract：

The residual stress distribution of the body of circular sawblade after rolling tension was studied in order to guide the optimization of the process of rolling tension. The residual stress distribution of a circular sawblade was calculated by the finite element analysis （FEA） method and it was also measured by the X-ray diffraction. The characteristics of the residual stress distribution the circular sawblade were summerized by comparing the experimental results and the FEA results. The results show that the radial residual stress of the body of circular sawblade after rolling tension presents a distribution trend of “l(fā)ow-high-low” along the radius direction; meanwhile， the tangential residual stress presents the distribution law of “positive outside and negative inside” along the radius direction. The simulation model obtained in this paper can reflect the real stress distribution conditions on both sides of the rolled-zone.

Keywords： circular saw blade; roll tensioning; residual stress distribution; finite element

收稿日期：2023-05-25

基金項目：

國家自然科學基金青年基金（批準號：70701109）資助；山東省自然科學基金青年項目（批準號：ZR2020QE016）。

通信作者：

白碩瑋，男，博士，副教授，主要研究方向為綠色設計與制造、清潔生產(chǎn)理論與技術。E-mail：baishuowei1@163.com