耐沖擊型金剛石圓鋸片鋸切受力的數(shù)值模擬*
——以鑰匙孔水槽底孔中鑲銅釘?shù)匿徠瑸槔?/h1>
2020-03-14 01:10張?jiān)撇?/span>李春林
金剛石與磨料磨具工程 2020年1期
胡 歡, 張?jiān)撇? 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)越的切割性能和便捷、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)用亦越來越廣泛[1-2]。金剛石鋸片在建筑施工領(lǐng)域主要以鋼筋混凝土等為切割對象，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)甚至裂縫等原因，鋸片基體在切割過程中的受力狀態(tài)與切割機(jī)理極為復(fù)雜，對鋸片基體的性能要求比對傳統(tǒng)石材加工用鋸片基體的性能要求更高，主要體現(xiàn)為屈強(qiáng)比(屈服強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度)要求更高，基體剛性要更好，同時(shí)基體齒部的耐沖擊性要求更高[3]。因此，金剛石鋸片在建筑施工領(lǐng)域使用過程中由于沖擊力和負(fù)荷的急劇變化，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)生裂紋等問題，不但降低了鋸片的使用壽命，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,為減少鋸片基體在鋸片高強(qiáng)度、大沖擊工況下出現(xiàn)使用裂紋等，國內(nèi)外同行一方面主要改進(jìn)金剛石刀頭配方和使用金剛石有序排列，使鋸片在切割過程中更加鋒利[4-5]；另一方面，通過對基體和鋸齒結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì),提高鋸片的抗沖擊能力,來提高其鋸切效果。胡映寧等[2]介紹了國內(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、徑向延伸齒和硬質(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)特點(diǎn)及存在問題；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)大大縮小。
將二者綜合起來考慮，發(fā)現(xiàn)用現(xiàn)有技術(shù)對水槽形狀進(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：在傳統(tǒng)鑰匙形水槽的底槽圓孔中鑲?cè)脬~釘填充材料，因鑲?cè)胨鄣撞繄A孔中的銅釘較軟，起到很好的緩沖作用，使得鋸切時(shí)水槽底孔處應(yīng)力過于集中的現(xiàn)象得以消除，避免因局部應(yīng)力集中而產(chǎn)生的裂紋，極大地提高了鋸片的耐沖擊性能。
針對鑰匙孔水槽底孔中鑲?cè)脬~釘?shù)男滦妄X形結(jié)構(gòu)的金剛石鋸片基體，建立其相應(yīng)的鋸切受力時(shí)的有限元模型，開展傳統(tǒng)鑰匙孔水槽齒形和新型的鑰匙孔水槽底孔中鑲?cè)脬~釘?shù)炔煌愋偷慕饎偸瘓A鋸片鋸切受力的數(shù)值模擬對比研究，探究其應(yīng)變及應(yīng)力的變化規(guī)律。
1 金剛石圓鋸片鋸切受力的有限元建模
1.1 圓鋸片結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料屬性
圓鋸片基體材料為鋸片專用鋼50Mn2V，其主要尺寸如表1所示，其刀頭尺寸的寬為刀頭沿基體方向的尺寸，刀頭尺寸的高為刀頭沿基體外徑方向的尺寸。鋸片基體、刀頭和銅釘?shù)牟牧咸匦詤?shù)如表2所示。
表1 圓鋸片結(jié)構(gòu)參數(shù)
表2 金剛石圓鋸片的材料特性
1.2 定義單元類型
根據(jù)表1和表2的金剛石圓鋸片基本結(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)鋸片的受力情況一致，設(shè)定傳統(tǒng)鑰匙孔齒形和新型鑰匙孔鑲銅釘齒形的鋸片基體齒長是一致的。
由于表1中的金剛石圓鋸片基體的徑厚比較大，屬于典型的平面薄板件，其受力可簡化為平面應(yīng)力問題，因此在建模時(shí)選用了ANSYS軟件分析時(shí)常用的2種單元類型：殼單元SHELL63和體單元SOLID45。根據(jù)表2的基體材料、刀頭結(jié)塊材料和鑲嵌銅釘材料對應(yīng)的材料屬性參數(shù)，對于薄板平面結(jié)構(gòu)的金剛石圓鋸片基體簡化的平面應(yīng)力情況，選用板殼單元SHELL63，2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。
由于金剛石圓鋸片刀頭節(jié)塊的厚度與基體不同，鑰匙孔底孔中鑲嵌銅釘?shù)牟馁|(zhì)與基體不同，因此選用SOLID45體單元類型來模擬其實(shí)際受力情況。
1.3 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)控制有限單元大小。為便于水槽齒部周圍的有限單元?jiǎng)澐?，統(tǒng)一采用四邊形單元。另外，由于水槽底部所處位置是應(yīng)力集中敏感區(qū)，須將水槽附近的網(wǎng)格、銅釘與底孔交界面上的網(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～圖4所示。
1.4 定義約束及施加載荷
鋸片在鋸切過程由中孔和法蘭盤固定在主軸上，且鋸切加工時(shí)只有繞軸向方向的轉(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]，鋸切過程中的主要工作參數(shù)設(shè)定為：鋸片鋸切轉(zhuǎn)速1 000 r/min，進(jìn)給速度1.8 m/min，鋸切進(jìn)刀量20 mm/次(單次進(jìn)刀深度)，其中結(jié)塊寬度為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)齒參加切屑時(shí)的切向力為Ft=257 N，徑向力Fn=59 N。此時(shí)，可認(rèn)為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)面的均布載荷Pt=Ft/(At/2)=6.119 MPa，單個(gè)齒頂面均布載荷Pn=Fn/(An/2)=0.246 MPa，且載荷將均布加至2個(gè)刀頭結(jié)塊的頂面和側(cè)面上。
2 仿真結(jié)果與分析
2.1 圓鋸片變形情況分析
傳統(tǒng)鑰匙孔齒形圓鋸片以及新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片綜合變形D值分布云圖如圖5～圖6所示，其綜合變形D最大值見表3所示，表3中：
η1=(1-2#的變形最大值/1#的變形最大值)×100%。
表3 2種鋸片的綜合變形最大值比較
由圖5～圖6及表3發(fā)現(xiàn)：在承受相同載荷的情況下，與傳統(tǒng)的金剛石圓鋸片1#相比，新型鑰匙孔水槽鑲銅釘圓鋸片2#的綜合變形D最大值比傳統(tǒng)1#的減少了6.36%，說明新型齒形結(jié)構(gòu)的鋸片較傳統(tǒng)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)力為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，即圓鋸片在鋸切過程中所受的應(yīng)力不能超過許用應(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)鑰匙孔水槽圓鋸片1#以及新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片2#的第一、第三主應(yīng)力分布云圖見圖7～圖10所示；其第一、第三主應(yīng)力最大值見表4所示，表4中：
η2=(1-2#的對應(yīng)應(yīng)力最大值/1#的對應(yīng)應(yīng)力最大值)×100%
其中，第一主應(yīng)力為拉應(yīng)力，第三主應(yīng)力為壓應(yīng)力。
由圖7～圖10及表4的結(jié)果可知：在承受相同鋸切載荷的情況下，傳統(tǒng)鑰匙孔水槽圓鋸片1#的最大應(yīng)力均發(fā)生在水槽的圓弧底部，即受到的最大應(yīng)力集中出現(xiàn)在鋸齒的水槽圓弧周圍；而新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片2#的最大應(yīng)力及應(yīng)力集中出現(xiàn)在銅釘頂部與水槽接觸處。同時(shí)，2#和1#相比，高應(yīng)力區(qū)大大縮小，且應(yīng)力均衡，應(yīng)力絕對值顯著下降，且應(yīng)力最大值分別降低了38.04%和41.36%。這也說明在使用新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片與傳統(tǒng)齒形鋸片相比，在變形、應(yīng)力方面都得到了較大改善。在變形和應(yīng)力一定的情況下，新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片比傳統(tǒng)齒形鋸片能承受更大的載荷或沖擊，說明該新齒形結(jié)構(gòu)適合用于耐沖擊型金剛石圓鋸片。
表4 2種鋸片的應(yīng)力最大值
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，新型鑰匙孔水槽圓孔中鑲銅釘鋸片較傳統(tǒng)鑰匙孔水槽鋸片在鋸切受力時(shí)的變形量減少6.36%，表明新型齒形結(jié)構(gòu)鋸片與傳統(tǒng)齒形鋸片相比，能承載更大的載荷。
(2)從第一、第三主應(yīng)力分布云圖看出，新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片和傳統(tǒng)鑰匙孔水槽圓鋸片相比，第一、第三主應(yīng)力分別降低38.04%和41.36%，并且對應(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。
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1 金剛石圓鋸片鋸切受力的有限元建模
1.1 圓鋸片結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料屬性
圓鋸片基體材料為鋸片專用鋼50Mn2V，其主要尺寸如表1所示，其刀頭尺寸的寬為刀頭沿基體方向的尺寸，刀頭尺寸的高為刀頭沿基體外徑方向的尺寸。鋸片基體、刀頭和銅釘?shù)牟牧咸匦詤?shù)如表2所示。
表1 圓鋸片結(jié)構(gòu)參數(shù)
表2 金剛石圓鋸片的材料特性
1.2 定義單元類型
根據(jù)表1和表2的金剛石圓鋸片基本結(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)鋸片的受力情況一致，設(shè)定傳統(tǒng)鑰匙孔齒形和新型鑰匙孔鑲銅釘齒形的鋸片基體齒長是一致的。
由于表1中的金剛石圓鋸片基體的徑厚比較大，屬于典型的平面薄板件，其受力可簡化為平面應(yīng)力問題，因此在建模時(shí)選用了ANSYS軟件分析時(shí)常用的2種單元類型：殼單元SHELL63和體單元SOLID45。根據(jù)表2的基體材料、刀頭結(jié)塊材料和鑲嵌銅釘材料對應(yīng)的材料屬性參數(shù)，對于薄板平面結(jié)構(gòu)的金剛石圓鋸片基體簡化的平面應(yīng)力情況，選用板殼單元SHELL63，2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。
由于金剛石圓鋸片刀頭節(jié)塊的厚度與基體不同，鑰匙孔底孔中鑲嵌銅釘?shù)牟馁|(zhì)與基體不同，因此選用SOLID45體單元類型來模擬其實(shí)際受力情況。
1.3 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)控制有限單元大小。為便于水槽齒部周圍的有限單元?jiǎng)澐?，統(tǒng)一采用四邊形單元。另外，由于水槽底部所處位置是應(yīng)力集中敏感區(qū)，須將水槽附近的網(wǎng)格、銅釘與底孔交界面上的網(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～圖4所示。
1.4 定義約束及施加載荷
鋸片在鋸切過程由中孔和法蘭盤固定在主軸上，且鋸切加工時(shí)只有繞軸向方向的轉(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]，鋸切過程中的主要工作參數(shù)設(shè)定為：鋸片鋸切轉(zhuǎn)速1 000 r/min，進(jìn)給速度1.8 m/min，鋸切進(jìn)刀量20 mm/次(單次進(jìn)刀深度)，其中結(jié)塊寬度為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)齒參加切屑時(shí)的切向力為Ft=257 N，徑向力Fn=59 N。此時(shí)，可認(rèn)為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)面的均布載荷Pt=Ft/(At/2)=6.119 MPa，單個(gè)齒頂面均布載荷Pn=Fn/(An/2)=0.246 MPa，且載荷將均布加至2個(gè)刀頭結(jié)塊的頂面和側(cè)面上。
2 仿真結(jié)果與分析
2.1 圓鋸片變形情況分析
傳統(tǒng)鑰匙孔齒形圓鋸片以及新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片綜合變形D值分布云圖如圖5～圖6所示，其綜合變形D最大值見表3所示，表3中：
η1=(1-2#的變形最大值/1#的變形最大值)×100%。
表3 2種鋸片的綜合變形最大值比較
由圖5～圖6及表3發(fā)現(xiàn)：在承受相同載荷的情況下，與傳統(tǒng)的金剛石圓鋸片1#相比，新型鑰匙孔水槽鑲銅釘圓鋸片2#的綜合變形D最大值比傳統(tǒng)1#的減少了6.36%，說明新型齒形結(jié)構(gòu)的鋸片較傳統(tǒng)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)力為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，即圓鋸片在鋸切過程中所受的應(yīng)力不能超過許用應(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)鑰匙孔水槽圓鋸片1#以及新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片2#的第一、第三主應(yīng)力分布云圖見圖7～圖10所示；其第一、第三主應(yīng)力最大值見表4所示，表4中：
η2=(1-2#的對應(yīng)應(yīng)力最大值/1#的對應(yīng)應(yīng)力最大值)×100%
其中，第一主應(yīng)力為拉應(yīng)力，第三主應(yīng)力為壓應(yīng)力。
由圖7～圖10及表4的結(jié)果可知：在承受相同鋸切載荷的情況下，傳統(tǒng)鑰匙孔水槽圓鋸片1#的最大應(yīng)力均發(fā)生在水槽的圓弧底部，即受到的最大應(yīng)力集中出現(xiàn)在鋸齒的水槽圓弧周圍；而新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片2#的最大應(yīng)力及應(yīng)力集中出現(xiàn)在銅釘頂部與水槽接觸處。同時(shí)，2#和1#相比，高應(yīng)力區(qū)大大縮小，且應(yīng)力均衡，應(yīng)力絕對值顯著下降，且應(yīng)力最大值分別降低了38.04%和41.36%。這也說明在使用新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片與傳統(tǒng)齒形鋸片相比，在變形、應(yīng)力方面都得到了較大改善。在變形和應(yīng)力一定的情況下，新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片比傳統(tǒng)齒形鋸片能承受更大的載荷或沖擊，說明該新齒形結(jié)構(gòu)適合用于耐沖擊型金剛石圓鋸片。
表4 2種鋸片的應(yīng)力最大值
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，新型鑰匙孔水槽圓孔中鑲銅釘鋸片較傳統(tǒng)鑰匙孔水槽鋸片在鋸切受力時(shí)的變形量減少6.36%，表明新型齒形結(jié)構(gòu)鋸片與傳統(tǒng)齒形鋸片相比，能承載更大的載荷。
(2)從第一、第三主應(yīng)力分布云圖看出，新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片和傳統(tǒng)鑰匙孔水槽圓鋸片相比，第一、第三主應(yīng)力分別降低38.04%和41.36%，并且對應(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。
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