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河北工业大学硕士学位论文 基于有限元法的金属圆锯片动态特性研究 摘要 圆锯片是一种高效的切断加工工具，但是圆锯片工作时的振动和噪音却会对锯切效果 造成破坏，对周围的环境造成污染。近年来，随着金属圆锯片应用的日益广泛，如何设法 降低锯片工作中的振动和噪声已经成为了生产厂家和学者们竞相研究的课题。 圆锯片的振动形式主要有横向振动，扭转振动和径向振动；锯片的工作噪音主要由空 气动力性噪音，机械性噪音和共振噪音组成；金属圆锯片的动态特性包括固有频率、振型 及临界转速等评价参数：圆锯片的动态特性与锯片工作时的振动和噪音关系较大，降低锯 片的工作振动的噪音，应该从如何提高圆锯片的动态稳定性入手：改变锯片的几何参数、 适张状况是改变锯片动态特性的主要途径。 本文确定计算圆锯片的固有频率是研究其动态特性的第一步，总结出固有频率的确定 方法有公式法，实验法和有限元分析法：本文分别利用实验法和有限元计算法对圆锯片进 行了固有频率的确定；有限元法是近年来发展迅速的种分析和计算方法，准确，高效是 有限元法的特点；结合用有限元法对圆锯片的固有频率进行分析使分析过程更加快捷准 确。 本文还利用有限元分析软件a n s y s 对金刚石圆锯片进行了模态分析，提取了低阶固 有频率和振型，并对分析结果进行了归纳和总结，初步确定了锯片几何参数对固有频率的 影响。 关键词：圆锯片，动态特性，减振降噪，有限元法，固有频率，a n s y s 苎王塞里垂堡塑皇墨婴塑生垫查堑丝竺塞 r e s e a r c ho nt h ec i r c u l a rs a w sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cb a s i n gt h ef e m a b s t r a c t t h ec i r c u l a rs a wi sa ne f f e c t i v ec u t t i n gt o o l ；v i t hg r e a td i s a d v a n t a g et h a ti tw i l lg e n e r a t eg r e a t v i b r a t i o na n dn o i s ew h e ni tw o r k s t h ev i b r a t i o na n dn o i s ed oh a r mt ot h ec u t t i n gp r o c e s sa n d t h ee n v i r o n m e n t i nr e c e n ty e a r s ，a l lk i n d so fc i r c u l a rs a w sa r eu s e dw i d e l y h o wt or e d u c et h e v i b r a t i o na n dn o i s eb e c o m eah o tq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o n t h ev i b r a t i o no ft h ec i r c u l a rs a wc o n s i s t so ft h r e ek i n d so fv i b r a t i o n ：l a n d s c a p eo r i e n t a t i o n v i b r a t i o n ，r e t o r t i o nv i b r a t i o n ，r a d i a lv i b r a t i o n ；t h ew o r k i n gn o i s ec o n s i s t so fa e r o d y n a m i c sn o i s e ， m e c h a n i c a ln o i s ea n ds y n t o n i cn o i s e ；t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i e so fc i r c u l a rs a wc o n s i s t so f n a t u r a lf r e q u e n c y , v i b a r a t i o nm o d a l i t ya n dc r i t i c a lr o t a r ys p e e d ；刀徭d y n a m i cp a r a m e t e ro f c i r c u l a rs a wa l e t i g h t l yr e l a t e d 谢mt h ev i b r a t i o na n dt h en o i s e ；m o d i 匆t h eg e o m e t r i c a ls t r u c t u r e i n i t i a ls t r e s sc a nc h a n g et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h i sa r t i c l ec o n f i r m st h a tt h ec i r c u l a rs a w sn a t u r a lf r e q u e n c yc a nb eg o tb yf o r m u l a ，b yt e s to r b yf e ma n a l y s i s f e mi se f f e c t i v ea n da c c u r a t e ；c a l c u l a t i o no nt h ec i r c u l a rs a w sn a t u r a lf r e q u e n c y b y t e s ta n df e m ；a n a l y s i so nc i r c u l a rs a ww i t ht h eh e l po ff e mc a nm a k et h er e s e a r c hp r o c e s s a c c u r a t ea n ds p e e d y t h i sa r t i c l ee x t r a c tt h es a w sf i r s tt e nv i b r a t i o nm o d e lb yf e m ；c o n f i r mt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ef r e q u e n c ya n dt h ep a r a m e t e r k e yw o r d s ：c i r c u l a rs a w ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，r e d u c et h ev i b r a t i o na n dn o i s e ，f e m ， n a t u r a lf r e q u e n c y , a n s y s 河北工业大学硕士学位论文 l 一1 一l 金属圆锯片的种类 第一章绪论 卜1 金刚石圆锯片的概述 金属圆锯片是一种常用的切割工具，因其使用简单、灵活，切割效率高而广泛应用于冶金、建材、 交通等行业。圆锯片一般由基体和齿块组成，基体材料多采用钢，有些也采用铜，而齿块的材料组成则 根据加工对象的不同而不同，可以是人造金刚右或者硬质合金，因此圆锯片大体上可以分为金刚石锯片 和硬质合金锯片。其中，金剐石圆锯片具有优越的切削性能和磨损性能，主要用于各种石材，混凝土， 耐火材料等非金属材料，如切割机场跑道，混凝士墙板等，具有加工效率高、加工质量好等优点。但由 于天然金刚石价格昂贵，使用初期不能大规模的应用于生产。第一片金刚石圆锯片是由法国人j a e g u i n 在1 8 8 5 年发明的，它是一种手工镶嵌天然钻石的金刚石圆锯片。1 9 3 0 年以后，随着粉末冶金技术的发 展，产生了焊接式金刚石圆锯片。1 9 5 4 年，人造金刚石诞生，它使得金刚石工具制造业得到迅速发展， 金刚石圆锯片大规模应用于石材加工才成为可能。近年来，用于石材加工业的人造金刚石的数量直线上 升，其耗用量约占全国人造金刚石总产量的9 0 左右。据国内外统计资料估计，目前世界上工业金刚 石7 0 左右用于制造石材加工工具，其中占绝大多数的是金刚石圆锯片。据中国石材工业协会统计， 目前全国各类石材企业拥有并使用锯片直径中1 6 0 0 2 2 0 0m m 的金刚石圆盘锯机数万台，金刚石圆盘 锯机成为了石材制品加工行业的最主要、应用最广泛的设备，每年纯消耗的圆锯片基体达数十万张a 随 着石材制品应用量的增加。金两石圆锯片的应用量越来越大。硬质合金圆锯片主要用于木材及有色金属 的切断及加工，具有优良的切割精度及较高的耐用度。硬质合金圆锯片主要分为木工圆锯片和金工圆锯 片，硬质合金圆锯片相对来讲锯身较薄，直径较小。 圆锯片在使用时安装在锯机主轴上，由电机带动高速旋转以实现切断加工对象的目的。由于圆锯片 厚度较小，直径较大，是一面积较大的薄板，因此在空转和进给加工材料时都会产生振动。金刚石圆锯 片结构相对复杂，加工制造技术含量较高，因此，多年来，针对金刚石圆锯片的研究课题层出不穷；而 硬质合金圆锯片结构简单，制造成本低，相关研究较少。本文主要以目前应用最广泛的金刚石圆锯片作 为研究对象。 卜i 一2 金刚石圆锯片定义及分类 金刚石圆锯片是一种整体上呈圆盘状的刀具，它采用粉末冶金的方法将金刚石颗粒镶嵌在基体的周 围。利用金刚石颗粒的压裂压碎以及大面积剪崩其他材料而达到切削的目的。总的说来，金刚石圆锯片 的种类很多，分类也很复杂。通常有以下几种分类方式： 1 )按结构分类：宽水槽金刚石锯片、节块组合式金刚石锯片、窄水槽金刚石锯片、钥匙孔槽 金刚右锯片、钻头锯片、碗形锯片等： 2 )按j 口i i i 艺分类：激光焊接金刚矗锯片、烧结式金刚石锯片、高频焊接金刚石锯片等： 河北工业大学硕士学位论文 1 一卜l 台属圆锯片的种类 第一章绪论 卜1 金刚石圆锯片的概述 金属圆锯片是一种常用的切割工具，因其使用简单、灵活，切割效率高而广泛应用于冶金、建材、 交埔等行、【k 。圆锯片一般由基体和齿块组成，基体材料多采用钢有些也采用铜，而齿块的材料组成则 根据加工对象的不同而不同，可以是人造金刚舌或者硬质合金，因此圆锯片大体上可以分为金刚石锯片 和硬质合金锯片。其中，金剐石剧铡片具有优越的切削性能和磨损性能，士要用于各种石材，混凝土， 耐火材料等非金属材料，如切割机场跑道，混凝土墙板等，具有加工效率高、加工质量好等优点。但由 于天然金刚石价格昂贵，使用初期不能大规模的应用丁生产。第一片金刚石圆锯片是由法国人j a e g u i n 在1 8 8 5 年发明的，它是一种手工镶嵌天然钻右的金刚石圆锯片。1 9 3 0 年以后，随着粉末冶盎技术的发 展产生了焊接式金刚石圆锯片。1 9 5 4 年，人造金刚石诞生它使得金刚石工具制造业得到迅速发展， 金刚石圆锯片大规模应用于石材加工才成为可能。近年来，用于石材加工业韵人造金刚石的数量直线上 升，其耗用量约占全国人造金剐石总产量的9 0 左右。据国内外统计资料估计，目前世界上工业金刚 石7 0 左右用于制造石材加工工具，其中占绝大多数的是金刚石圆锯片。据中国石材工业协会统计， 目前全国各类石材企业拥有并使用锯片直径m 1 6 0 0 2 2 0 0l l a l l l 的金刚石圆盘锯机数万台，金刚石圆盘 锯机成为了石材制品加工行业的最主要、应用最广泛的设备每年纯消耗的圆锯片基体达数十万张a 随 着石材制品应用量的增加，金刚石圆锯片的应用量越来越人。硬质合金圆锯片主要用于木材及有色金属 的切断及加上，具有优良的切割精度及较高的耐用度。硬质台金圆锯片主要分为木工圆锯片和金工圆锯 片，硬质合金圆锯片相对来讲锯身较簿，直径较小。 圆锯片在使用时安装在锯机主轴上，由电机带动高速旋转以实现切断加工对象的目的。由于圊锯片 厚度较小，直径较大，是一面积较大的薄板，因此在空转和进给加工材料时都会产生振动。金刚石圆锯 片结构相对复杂，加工制造技术含量较高，因此，多年来，针对金刚石圆锯片的研究课题层出不穷；而 硬质台金圆锯片结构简单，制造成本低，相关研究较少。本文主要以目前应用最广泛的金刚石圆锯片作 为研究对象。 1 _ 卜z 金刚石蹦铡片定义及分类 金刚石圆锯片是一种整体上呈魁盘状的刀具，它采用粉末冶金的方法将金剐石颗粒镶嵌在基体的周 围。利用金刚石颗粒的压裂压碎咀及人面积剪崩其他材料而达到刨削的目的。总的说来，金刚石圆锯片 的种类很多，分类也很复杂。通常有以下几种分类方式： 1 )接结构分类：宽水槽金刚石锯片、节块组台式金刚石锯片、窄水槽金刚石锯片、钥匙孔槽 金剐南锯片、钻头锯片、碗形锯片等： 2 )按加r t 艺分类：激光焊接金刚石锯片、烧结式金刚石锯片、高频焊接金刚石锯片等： 2 )按加上工艺分类；激光焊接金刚石锯片、烧结式金刚石锯片、高频焊接金刚石锯片等： 基于有限元法的金属圆锯片动态特性研究 3 ) 按加t 对象分类：大理石切割锯片、花岗石切割锯片、混凝土切割锯片等。 当然，上述分类方法不能把所有的金刚石圆锯片都包括进去，还有一些特殊用途的金刚石圆锯片如 切玉锯片，切陶瓷的锯片。图1 1 1 3 所示的是几种常见的金刚石圆锯片和硬质合金圆锯片： 卜1 3 金刚石圆锯片的应用场合 一般说来，金刚石圆锯片的工作环境比较恶劣，产品的主要用途是锯切石材，广泛应用于大理石、 花岗石、陶瓷墙地砖及混凝土制品的切割，是石材、建材行业重要且广泛使用的加工工具。不同的加工 行业有不同的加工要求，因此所使用的金刚石锯片的材质( 主要是锯齿的材质) 会有所区别，比如，切 割沥青路面的锯片与切割石材的锯片就有区别。 1 一卜4 金刚石圆锯片结构及组分 图1 1 通用型金刚石圆锯片 f i 9 1 1g e n e r a ld i a m o n dc i r c u l a rs a w 图1 2 石材专用全刚石片 f i g 2d i a m o n dc i r c u l a rs a wf o rs t o n e 金刚石锯片种类繁多，形式多样，但在实际应用中，仍以金刚石圆锯片为主。金刚石圆锯片( 也称节块 河北工业大学硕士学位论文 图i 3 木工硬质舍金锯片 f i g13h a r d a l l o yc i r c u l a rs a wf o rw o o d 式金刚石圆锯片) 是目前我国石材工业使用最普遍的锯切工具。其通用规格从中1 0 5 m m 起始，最大达 2 2 0 0 r a m ( 国外最大圆锯片的规格为o 5 0 0 0 r a m ) 。共有1 7 种规格。其中$ 3 5 0 - - 5 0 0 m m 援格主要用于 半成品板材的剪裁加工，中6 0 0 - - 9 0 0 m m 规格主要用于类似墓碑、墓柱等较厚石板( 柱) 的成型锯 切加工，o1 0 0 0 m m 以上的规格主要用于荒料的锯切成( 板) 材加工。目前尤以中1 6 0 0 m m 锯片使 用最为普遍。八十年代中期石材切割锯片的品种比较单一，主要用于大理石的锯切。八十年代后期， 随着石材工业的发展，锯切花岗石的锯片得到很大的发展，为了达到最佳的锯切效益，锯片研究者们致 力于各种配方的研究。 1 金刚石圆锯片的结构及参数 传统的金刚石圆锯片多为整体式设计，其结构为一个盘形基体上镶焊金刚石结块而成。依靠法兰盘 传递力矩切割荒料。金刚石圆锯片结构如图1 4 所示： 2 金刚石圆锯片的刀头 金刚石凰锯片的本质是基体通过适当胎体材料将金刚石嵌镶固定。它是在基体上焊接一种由金刚石 颗粒与胎体材料组成的复合烧结体，常称之为刀头。刀头的形式多种多样，通常做成长方体。胎体即结 合剂，应具备两个基本功能：一是把持金刚石；s s 是能随着金刚石的磨耗而磨耗，使金刚石正常出刃。 结合剂除了具备一定的硬度和耐磨性之外，还应具备一定的韧性。结合剂有四种基：铜基结合剂、钴基 结合剂、铁基结合剂、碳化钨基结合剂。其中，以钴基结合剂使用效果最好，但由于价格昂贵，不能大 规模应用。应用最为广泛的是铁基结合剂。结合剂中的添加成分有四种：粘结成分、骨架成分、强化成 分、亲和成分。对丁- 不同基的结合剂，其添加成分也不相同。在胎体成分中常选用高熔点的金属如钨、 碳化钨等以调节胎体的硬度和耐磨性，同时选用低熔点井对碳有很好化学亲和性的金属如钴、镍、锰等 铜基合金作为金剐石的粘结材料。“ 墨三互坚耍鎏些垒星璺墨苎垫查生丝翌耋 其中： d 金刚石圆锯片的外径 h 一金刚石圆锯片的内径 l 一结块的长度 一结块的宽度 卜结块的厚度 卜基体的厚度 3 金刚石圆锯片的基体 图i 4 金刚石圆锯片 f i 9 1 4d i a m o n dc i r c u l a rs a w 基体一般是由6 5 m n 、t 1 2 等材料组成的带开槽的圆盘，经过淬火+ 中温回火热处理而成。其加工 要求有尺寸精度和形位精度两种要求。尺寸精度要求包括：外径、内径、厚度、水口、齿台。形位精度 包括：正圆度、同心度、平直度、平行度、径向跳动、端面偏摆。目前广泛使用的金目石锯片的基体厚 度都做得尽量小，一般都不超过6 毫米，多数中等直径的金刚石锯片基体厚度为4 毫米。 卜2 1 锯切参数 i - 2 金刚石圆锯片切割石材 以花岗石为例影响金刚石圆锯片效率和寿命的锯切参数有锯片线速度、进刀速度和锯切深度。此 外还有几个方面会影响到金刚石圆锯片的寿命和效率，包括金刚石的粒度、浓度、结合剂硬度等”5 。 l 锯片线速度 在实际工作中，金刚石圆锯片的线速度受到设备条件、锯片质量和被锯切石材性质的限制。从最佳 锯片使用寿命与锯切效率来说，应根据不同石材的性质选择锯片的线速度。锯切花岗石时，锯片线速度 可在2 5 m 3 5 m s 范围内选定。对于石英含量高而难于锯切的花岗石锯片线速度取下限值为宜。在生 产花岗石面砖时，使川的金刚石圆锯片直径较小，线速度可以达到3 5 m s 。 2 锯切深度 4 河北工业大学顶士学位论文 锯切深度是涉及金刚石磨耗、有效锯切、锯片受力情况和被锯切石材性质的重要参数。一般来讲， 当金刚石圆锯片的线速度较高时，应选取小的切削深度，从目前技术来说，锯切金刚石的深度可在 1 m m l o m m 之间选择。通常用大直径锯片锯切花岗石荒料时，锯切深度可控制在l m m 2 m m 之间， 与此同时应降低进刀速度。当金刚石圆锯片的线速度较大时，应选取大的切削深度。但当在机床性能和 刀具强度许可范围内，应尽量取较大的切削深度进行切削，以提高切削效率。当对 h i 表面有要求时， 则应采用小深度切削。 3 进刀速度 进刀速度即被锯切石材的进给速度。它的大小影响锯切率和锯片受力以及锯切区的散热情况。它的 取值应根据被锯切石材的性质来选定。一般来讲，锯切较软的石材如大理石，可以加大锯切深度而降 低进刀速度，更有利于提高锯切率。锯切细粒结构的、比较均质的花岗石，可适当提高进刀速度，若进 刀速度过低，金刚石刃容易被磨平。但锯切粗粒结构而软硬不均的花岗石时，应降低进刀速度，否则会 引起锯片振动导致金刚石碎裂而降低锯切率。锯切花岗石的进刀速度一般在9 m - 1 2 n d m i n 范围内选定。 卜2 2 金刚石圆锯片锯切效果的其他影响因素 1 金刚石粒度 常用的金刚石粒度在3 0 3 5 6 0 8 0 范围内。岩时愈坚硬，宜选用较细的粒度。因为金刚石愈细愈 锋利，有利于切入坚硬的岩石”。另外，一般大直径的锯片要求锯切效率高，宜选用较粗的粒度，如3 0 4 0 ， 4 0 5 0 ；小直径的锯片锯切效率低，要求岩石锯切截面光滑，宜选用较细的粒度，如5 0 6 0 ，6 0 8 0 。 2 刀头浓度 浓度表示结块中金刚石所占体积的多少，并规定，当金刚石的体积占总体积的1 4 、相当于重量比 为o 8 8 c m 3 时的浓度为1 0 0 。增大金刚石浓度可望延长锯片的寿命，因为增加浓度即减小了每粒金刚 石所受的平均切削力。但增加浓度必然增加锯片的成本，因而存在一个最经济的浓度，且该浓度随锯切 率增大而增大。一般情况下，金刚石颗粒在刀头中的分布是不均匀的，通常是做成波浪形。这样有利于 提高金刚石圆锯片的寿命和使用精度。图l - 5 是金刚石刀头浓度与锯切效率和使用寿命的关系： 度 图1 5 金刚石浓度与效率寿命的关系 f i 9 1 5c o n c e n t r a t i o n ，e f f i c i e n c ya n dl i f e 3 刀头结合剂的硬度 一般地，结合剂的硬度越高，其抗磨损能力越强。因而，当锯切研磨性大的岩石时，结合剂硬度宜 越高：当锯切材质软的岩石时，结合剂硬度宜越低；当锯切研磨性大且硬的岩石时，结合剂硬度宣适中。 l 一2 3 力效应、温度效应及磨破损 金刚石圆锯片在切割石材的过程中，会受到离心力、锯切力、锯切热等交变载荷的作用。由于力效 应和温度效应而引起金剐石圆锯片的磨破损。 1 力效应 在锯切过程中，锯片要受到轴向力和切向力的作用。由于在圆周方向和径向存在力的作用，使得锯 片在轴向呈波浪状。在径向呈碟状。这两种变形都会造成岩石切面不平直、石材浪费多、锯切时噪音大、 振动加剧，造成金月q 石结块早期破损、锯片寿命降低“1 。 2 温度效应 传统理论认为：温度对锯切过程的影响主要表现在两方面：一是导致结块中的金刚石石墨化：二是 造成金刚石与胎体的热应力而导致金刚石颗粒过早脱落。新研究表明：切割过程中产生的热量主要传入 结块。弧区温度不高，一般在4 0 1 2 0 度之间。而磨粒磨削点温度却较高，一般在2 5 0 7 0 0 度之间。而 冷却液只降低弧区的平均温度，对磨粒温度却影响较小。这样的温度不致使石墨炭化，却会使磨粒与工 件之间摩擦性能发生变化并使金刚石与添加剂之间发生热应力，而导致金刚石失效机理发生根本性变 化p j 。研究表明，温度效应是使锯片破损的最大影响因素。 3 磨破损 由于力效应和温度效应锯片经过一段时间的使用会产生磨破损。磨破损的形式主要有以下几种： 磨料磨损、局部破碎、大面积破碎、脱落、结合剂沿锯切速度方向的机械擦伤。磨料磨损：金剐石颗粒 与工件不断摩擦，棱边钝化成平面，失去切削性能，增大摩擦。锯切热会使金刚石颗粒表面出现石墨化 薄层，硬度大大降低，加剧磨损：局部磨损：金刚石颗粒表面承受交变的热应力，同时还承受交变的切 削应力，就会出现疲劳裂纹而局部破碎，显露出锐利的新棱边，是较为理想的磨损形态；大面积破碎： 金刚石颗粒在切入切出时承受冲击载荷，比较突出的颗粒和晶体内部有缺陷的颗粒就会因加载而处于不 利的位置和冲击作用而造成大面积破碎，这会使金刚石颗粒过早消耗掉；脱落：交变的切削力使金刚石 颗粒在结合剂中不断的被晃动而产生松动。同时，锯切过程中的结合剂本身的磨损和锯切热使结合剂软 化。这就使结合剂的把持力下降，当颗粒上的切削力大于把持力时，金刚石颗粒就会脱落。无论哪种 磨损都与金刚石颗粒所承受的载荷和温度密切相关。而这两者都取决于锯切工艺和冷却润滑条件”。 4 金刚石圆锯片切割效果分析 判断金刚石圆锯片切割效果的好坏，主要依据三项指标：即锯切效率、使用寿命、加工质量。锯切 效率是关于生产率的指标，是锯片锋利性的标志。对于不同的石材，国家已有标准的锯切效率。使用寿 命是关于工作能力的指标，或是耐用度的指标。它是一副锯片总共能加工板材的数量。加工质量是锯片 锯切出来的的板材的质量，主要是指表面平整度、平直度、两面平行度以及边棱完整性等。 影响金刚石圆锯片切割效果的因素有很多，从大的方面讲有制造因素和使用因素两方面。制造因素 包括原材料因素和制造工艺因素。其中，原材料指金刚石、结合剂和基体。制造工艺因素指原材料的配 方、烧结、焊接、整形等。使用因素指锯片的选择、锯切参数的选择以及锯片的安装、操作等a 详述请 看相关的参考资料，在这里就不赘述了“1 。 s 金刚石圆锯片的发展 总的来讲，国内外金剐石圆锯片的发展都有以下一些主要特点：为生产高效优质锯片，开发锯片级 专用金刚石；更加重视粉末、胎体与烧结工艺的研究；更加重视石材可锯性与锯切机理的研究：激光焊 接锯片得到发展；发展超大尺寸的金刚石圆锯片”。 6 目前，金刚石圆锯片的应用越来越广泛，今后金刚石圆锯片的发展方向就是提高切割效率、锯片寿 命、降低生产成本此外还要做到环保。为了达到上述目的，就要在材料、结构、尺寸上进行改进。 首先，从材料上讲，各个厂家更加重视基体、胎体配方的研究。力争在考虑经济性的基础上，做到 提高锯片的寿命及效率。其典型代表是复合基金刚石圜锯片。复合基金两日石锯片采用低温电沉积合金胎 体和金刚石镶嵌工艺，有效地解决了胎体机械性能差及对金刚石把持力弱的问题。利用该技术工艺制备 的胎体机械性能相当于用冶金方法制各的胎体，具有优良的抗弯强度并可根据各种石材特点，调整配方 组成，使其具有适宜的硬度与韧性，适合金刚石的镶嵌固定口】。 其次，从结构上讲，通过改变金刚石圆锯片的结构达到降低噪音、提高加工精度的目的。目前，研 制开发低噪声锯片，大致遵循两条途径：一是改变基体结构，在基体上用激光加工特定沟槽，在沟槽中填 入阻尼材料；二是将基体分成3 层组合而成，中间层采用阻尼材料。据报道，世界上大型金刚石工具制造 厂之一，芬兰的l e v a b t o o y 公司生产的低噪直锯片近期已开始供应世界上最大的混凝土制件生产商 a d d t e k g r o u p c o ”1 。l e v a b t o o y 公司的低噪声锯片，采用德国的基体，在基体上有激光加工的环槽，环槽中 填入阻尼材料。刀头设计成三明治形式。经检测，噪声强度可从1 0 0 db 降至8 1 8 3db 1 0 1 。 再次，在尺寸上，金刚石圆锯片直径越来越大，厚径比越来越小。目前，国外最大的金刚石圆锯片 的直径已经达到了5 m 。通过对锯片进行整形、校正、应力处理。热处理等以达到最佳使用效果。 卜3 金刚石圆锯片使用中存在的问题及研究现状 卜3 一l 存在的问题 虽然相对于其他切割工具，金属圆锯片操作简单方便( 一台便携式圆锯机即可开展工作) ，工作效 率高，但是，在使用过程中，它的弊端也很明显，即，无论是金剐石锯片还是硬质合金锯片，在进行切 割工作时都要高速旋转，因此在与工件接触时产生的振动很大。振动韵危害是多方面的： 首先，振动会产生噪音污染。对于工作中的圆锯片，旋转速度越大，工作效率越高；但旋转速度越 高。锯切时的噪音也越大，产生的噪声污染也越严重。以金刚石圆锯片为例，在石材加工厂和建筑装潢 工地，凡是用到金刚石锯片的地方都会产生很大的噪声。最大噪声声级可超过1 2 0 d b ，尤其是高音频部 分，尖锐刺耳，令人震耳欲聋，给人们带来很多危害；而且即使那些用于装饰材料加工的小型圆盘手锯， 其发出的噪声也严重地危害着操作者和周期居民的身体健康1 。噪声对人身心健康构成危害最显著的 表现是听力下降。据统计长期工作在噪声为9 0 1 0 0 d b 之间时，就有4 的人产生嗓声性耳聋。在l o o d b 以 上时。患噪声性耳聋人数显著增多，一般在1 9 以上。长期工作在噪声中的人常会感到头晕、头疼、耳鸣、 失眠心慌、记忆力减退、全身乏力等症。噪声还能对人体的心血管系统、消化系统、内分泌系统、视觉 器官等造成不同程度的损害。噪声不仅严重地危害操作者，而且也危害着周围其他人的身体健康。国内 外环保部门早已重视噪声的危害，并已制定了一系列的环境噪声标准，每年花费在治理噪声污染方面的 经费也相当可观n 2 i 。可见治理金刚石锯片噪声闯题已追在眉琏。因此如何对圆锯片产生的噪声进行测 量，有效地控制噪声成了一个值得锯片生产商、噪声研究界人士研究探讨的问题。 其次，振动会加大锯路损失，即增大锯缝的宽度，从而增加了被加工材料的浪费。目前所使用的圆 锯片的设计厚度在保证r t 作强度要求的前提下都尽可能设计得薄一些。即使是大型的金刚石锯片，厚度 也只有儿毫米，硬质台金锯片和一些特种作业锯片( 如切玉锯片) 的锯身厚度还要薄一些，以满足节省 被加工材料的要求。 7 再次振动会对锯切效果造成一定的影响。振动会增大工件的锯切面的粗糙度。同时噪声的震动也 容易造成切缝崩裂，影响切割精度。 最后，振动会加剧锯片的变形失效，甚至引起安全事故。 由于上述问题，金属圆锯片振动和噪声控制的研究直是锯片生产厂家研究的重点，并且吸引了一 大批学者进行相关课题的研究。 1 3 2 金属圆锯片旋转锯切噪声研究现状 从国外研究情况看，对圆盘锯研究较早且较深入的是美国的c d ，m o t e 教授等人。他在六十年代初 就开始从事薄板动力学的研究，七十年代末开始探讨木工圆锯片的减振机理，进而还研究了锯切过程的 空气动力噪声，圆锯片振动的自适应控制及齿形对噪声的影响等问题。其特点是侧重于理论和试验室研 究，还没有与工程实际广泛而深入地结合起来。此外德国、日本、苏联及澳大利亚也有一些有关圆锯减 振降噪的专利和文献报道。有学者在已有研究工作的基础上，对小型木工圆盘锯的噪声源进行了系统的 分析，并以直径为1 0 英寸的锯片为研究对象，采取了一系列的减振降噪措施，经过大量的试验，取得 了显著的降噪效果。但上述研究主要针对中小型的木工圆盘锯1 。六、七十年代人们对锯片噪声问题 的研究还处于初级阶段。主要是通过大量实验、建立模拟噪声源模型等方法弄清噪声产生的原因、机理： 同时也通过实验，摸索到了一些降低噪声的方法，但降噪效果都不太明显。六十年代末七十年代初，人们 对空转圆锯片的噪声源研究较多通过实验模型研究发现空转圆锯片的噪声频率是由锯齿之间振动激发 的空气流动决定的。c d mote 等从动力学的角度对刚性圆锯片噪声机理进行了一定的研究。m f devrjes 等利用他们自己设计的一套计算机程序开发了一种最佳齿距的锯片，实验发现此锯 片的噪声比般锯片要低。七十年代中、后期有大量文献报道有关圆锯片的噪声问题，国际上对圆锯片 的噪声问题研究出现了一个鼎盛时期，金刚石圆锯片噪声方面的研究也有大量文献报道。r f ke l tie 等通过大量实验分析转速、厚度、沟槽直径、深度等因素对空转圆锯片产生的空气动力学噪声的 影响得出了一个经验方程，用此方程可以预测某种几何尺寸的锯片辐射噪声的水平。m s bobec 2ko 发现基体中带有切缝的金属圆锯片在切割铝板时能降低噪声1 9 db a ，机理在于基体中有了切 缝后从基体周边到中心的振动线被切缝割断，基体的噪声共鸣反弹、振动噪声减弱。debe ers 公 司研究了沟槽形状和刀头间隙对锯片性能的影响，发现在设计锯片时必须考虑价格、被切割材料、切割 质量、刀头中金刚石含量、噪声、基体的抗疲劳性能等因素。k nj emiec 研究了降低圆锯片噪 声的阻尼方法，发现阻尼方法降低噪声的效果严重地受到锯齿之间引起的空气动力学噪声的限制，虽然 基体的振动和与之相关的辐射噪声降低有了一定的效果，但与一般操作条件下的整个噪声比较起来其效 果显得不太明显。八十年代以后对圆锯片噪声的研究报道较多，主要是进一步深入研究噪声产生机理， 同时也研究发明大量的降噪方法。haya saka 等通过大量实验研究了刀头、缝隙的数量和基体的 振动对噪声的影响，发现旋转噪声的产生受锯片的旋转速度的影响，刀头数目增加旋转噪声增大，旋转噪 声的产生与基体的振动和锯片外圈缝隙之间的空气流动有关。 国内从8 0 年代开始对旋转锯切噪声进行研究，早期主要对术工圆锯的噪声进行治理，对一般木工 圆盘锯机的噪声进行了一些测试分析并采取了许多降低噪声的措施，取得了不同程度的效果。有学者 分别从理论和激光全息测量方面对木工锯的空气动力噪声进行了较为系统全面的研究。通过上述研究工 作的完成，已经能对术工圆盘锯机的噪声，采取一些切实可行的办法，经治理后的锯机，虽然产生的噪 声与人们的期望还差的甚远，但已低于国家环境卫生标准的要求。 河北工业大学硕士学位论文 我国对金属锯切噪声进行研究是从八十年代中开始的，有的学者在试验的基础上，研究了金属锯切 噪声的特征及若干因素的作用并探讨了诸分析因素与金属锯切噪声间的关系。然后通过有限元计算方 法，计算了锯片的前几阶固有频率和振型( 不考虑夹盘) 。用沙型激振试验法和脉冲激振试验法的相互补 充，研究了在夹盘夹紧作用- f 金属圆锯片的对称动态特性：推导了夹紧比一定时弹性的均厚圆板的固有 频率和振型的估算方法：探讨了脉冲声响应法用于圆锯片结构动态特性分析的可能性和便利性。有的学 者虽然没有直接对锯切噪声进行研究，但对锯切过程的力学特性、锯齿形状及锯切位置对锯切过程的影 响、锯切功率的计算和锯片刚度的试验研究等，对深入探讨锯切噪声的产生机理及有效地进行控制都是 非常有用的。有的学者在对锯切过程有效减振降噪途径进行探讨的基础上。研究设计了不等齿距随机分 布的锯片结构，因为这种锯片能使周期性的齿通频率强迫激励能量在领域上分散化。以有效地减弱齿通 频率噪声及其倍频噪声的幅值能量。另外还设计r 基于干摩擦阻尼耗能机理的分层圆锯片，这种锯片可 有效地耗散产生噪声辐射的锯片振动能量。近几年，有些学者对某钢厂型钢生产线上的直径1 8 0 0 m m 的 大型热锯机的振动和噪声进行了现场测试，通过对固定在锯罩及转动轴轴承上三个点的加速度响应的测 量和幅频分析，并与测得的噪声频谱进行比较分析，对大型热锯机噪声的产生原因及频率分布情况进行 了讨论，并提出了一些控制方法“。 对于大型金属锯机，由于锯切速度快驱动功率大( 几百千瓦) 被切工件大多属声辐射效率比较高 的金属材料，加上工作环境比较恶劣。给治理带来了很多因难，用于木工锯噪声治理比较成熟的许多方 法已不适用。以轧钢厂直径1 6 5 0 m 的大型金属旋转锯机为研究对象，在金属旋转锯切噪声的产生过程、 定量预估和有效控制方面作了比较系统深入的研究。为了搞清楚锯机的主要声源所在，并对其噪声进行 定量预估和有效控制。通过对锯切过程中锯片和被锯切工件的受力分析，认为虽然在锯切过程中锯片和 工件的受力很多，但引起锯片振动并有效辐射噪声的主要力是径向力和轴向正压力，而工件所受的主要 力有工件对锯片切向、径向以及对锯片的横向力，这三个力都引起工件的横向弯曲振动而辐射噪声，上 述各力均属周期脉冲激励。根据受力分析建立了确定锯片和被切工件动态响应的力学模型，并得出了在 这些力作用下锯片及工件振动响应的解析表达式和数字计算的动力方程。借助于大型有限元分析软件 a n s y s ，通过对动力方程的计算分析，发现象锯齿这样高频周期脉冲激励引起工件和锯片的振动，其响 应中既有结构的固有振动成分，又有脉冲激励引起的强迫振动成分。激励点及其附近单元的响应幅值比 较大随着离激励点距离的增加迅速衰减：无论增大脉冲的作用时间还是增大脉冲周期都使振动响应 减小，对于原始锯片，夹盘上各点的响应值差别不大，且比锯片上的响应小得多。加大夹盘后，在同样 脉冲作用情况下，锯片上的响应比原始锯片减小，但夹盘上的响应则比小夹盘大且不同点的响应有差 别。由于锯齿脉冲激励的频率比较高，因而其产生的响应相当于高频稳态振动。据此由计算得到的锯片 和工件在切削点附近单元速度响应的平均值，然后根据结构声辐射理论，对锯片和工件的辐射声功率进 行了定量预估。经过与现场实测结果进行比较，理论预估值与实测结果吻合良好，证明了所建立的金属 旋转锯切噪声定量预估理论及过程是正确的。经过对锯片和工件产生的噪声声功率进行定量预估表明， 在金属旋转锯切过程中，主要噪声是由锯片和工件产生的。具体锯切过程中，那一个产生的噪声声功率 级大，因锯切工况而异。对于大型圆盘锯，如果被切割的工件比较长，且属金属薄壁结构，最大噪声级 是由工件的声辐射所致。如果工件的k 度比较小且截面尺寸大，那么最大噪声级将可能由锯片的局部振 动所致。但最大幅值都出现在齿通频率附近。对于多根工件并排锯切的情况，由于工件之间振动能量的 相互传递，加上工件之间的碰撞和摩擦，使得齿通频率以f 的噪声幅度增大，有时可能超过齿通频率附 近的幅度。此时的主要噪声源是由所有工件的振动引起的e 总的来讲，国内对金属圆锯片噪声控制的研究晚于国外。但是由于我国木材及石材加工业的发展， q 对金属圆锯片振动及噪声控制的研究越来越繁荣起来。 卜4 本课题的研究内容 随着我国改革开放的逐步实施和市场经济的发展，我国的建筑，交通，冶金，装饰等行业的市场需 求日益增长，这也促进了国内市场对石材，金属及木材加工产品的需求，而作为这些材料的主要加工工 具，金属圆锯片的消耗量年年递增。在这种市场需求的驱动下，国内近些年来涌现出了许多以生产圆锯 片为主的企业来满足市场曰益增长的需求。但是，困扰我国大部分锯片生产企业的难题在于：这些企业 基本上没有产品的自主研发能力，因此只能靠抄袭甚至复制国外蕾名锯片生产商的产品来添补和丰富自 己的产品线。抄袭别人的产品能够使企业获得短时期的经济效益，但是因为这种生产方式始终无法使企 业获得发展的根本一一核心技术，所以只能在锯片行业做市场的跟随者而不能成为主导行业发展的市场 领导者，也就不能实现企业更大，更强的发展。这种情况的出现是与我国多年来停滞不前的经济发展所 引起的市场需求不大所引起的。需求不大导致行业发展速度远不如国外，又加之国外学者对圆锯片设计， 生产的研究早于我国学者，因此我们在圆锯片的设计领域比较落后。 可喜的是近些年来，在市场需求的带动下，越来越多的企业开始重视产品的自主研发；同时也有许 多高校和研究所的学者投入到金属圆锯片的开发设计当中，使锯片的研究工作呈现出前所未有的繁荣并 且已经取得了一定的成果。例如北京科技大学的藏勇，李同进等学者用有限元分析法对圆锯片的振动模 态进行了分析；北京林业大学的习宝田等学者系统的分析了圆锯片的动态稳定特性，并对影响圆锯片动 态特性的因素及提高其动态稳定性的方法提出了自己的看法，有些被证明是可操作性较强的实用方法； 西安理工大学的马建敏等学者对旋转锯切的金属圆锯片的噪声产生机理和控制方法作了比较全面的研 究；大连理工大学的吴雪松等通过研究，总结出了圆锯片平面应力的计算模型及求解方法；武汉科技大 学激光研究所的学者们研制的新型消音金刚石圆锯片填补了国内自主开发的消音圆锯片的市场空白。 经过分析和研究，可以看到目前对圆锯片动态特性的研究是锯片设计研究的热点，同时也是雉点。 过去对于圆锯片减振降噪的研究主要是采用实验法，理论计算法，近些年由于计算机技术的飞速发展及 有限元理论的成熟，基于计算机技术和有限元法的分析方法成为锯片研究领域的主要途径t 由于新方法 的出现，过去准确性不高的实验可以在计算机上由特定的分析软件来代替；以往耗时费事的计算可以由 计算机在极短的时间内完成；甚至可以利用软件的优化功能，按照设计者的具体要求，设计出符合特定 需要的新产品。 本课题主要对金属圆锯片的动态特性及其振动和噪声的产生和控制进行了分析和研究，主要由以下 几个部分组成： 一：阐述了金属尉锯片基本知识和存在的问题。 二：圆锯片锯切受力分析及力学模型。 三：系统的分析总结了金属圆锯片的动态特性。 四：对影响圆锯片动态特性的因素进行了总结眭研究。 五：对有限元法及有限元法及其应用进行了阐述。 六：介绍了确定倒锯片固有频率的几种方法，提出了通过有限元软件a n s y s 确定金刚石锯片固有频 率和振型的方法。 七：总结并展望。 0 河北工业大学顾士学位论文 第二章圆锯片锯切受力分析及力学模型 2 - 1 圆锯片受力分析概述 圆锯片的受力分析对于研究其动态特性，进而探索振动蝶声的产生机理和控制方式有着根本的意 义，正确的确定圆锯片的受力情况有利于建立科学的，合理的圆锯片力学简化模型，这对我们理解其工 作原理和进行精确的有限元计算是非常重要的。 由上面的金刚石圆锯片概述可知，锯片工作时的受力状况是十分复杂的，但锯片的受力主要分为径 向力，切向力和轴向力。径向力的产生是由于工件对锯齿的冲击，切向力主要来源于锯片对工件的摩擦 反力，轴向力来源于不对称的工件对锯齿的冲击，有时还来源于锯片的加工和安装误差。 为建立锯片的理论力学模型并以此作为有限元分析提供理论依据，我们总是假设工件与锯齿的接触 表面是平整对称的，而锯片也无任何加工和安装误差，因此，我们主要探讨其锯切时所受的径向力和切 向力，以及锯切瞬问的受力模型分析，锯片内部应力的分布及影响，圆锯片理论力学模型分析等。 2 - 2 圆锯片的切削力学分析 圆锯片在工作时，各个锯齿周期性的冲击被加工工件，人造金刚石锯齿的刚度和强度大大高于被加 工件，因此在接触点对被加工件造成了冲击破坏，从而形成了切割。锯片受力主要是瞬时与石材切割相 接触的金刚石锯齿上。参与切割的锯齿数与切割深度有关。 图2 i 所示的是某一锯片与切削瞬间锯片的受力分析“1 。 图2 i 圆锯片的切削力学模型 f i g2 1m e c h a n i c sm o d e lo f t h ec i r c u l a rs a w i nc u t t i n g 根据此图得出参与切割的锯齿数z 与切割深度的关系式： z = 睾a 娟一争 ( 2 1 ) 1 1 基于有限，6 法的金属圆锯片动态特性研究 式中： r - 一锯片半径 p 一金刚石节块齿距 从公式可以看出切割深度越大，参与切割的齿数越多。作用在锯齿上的力是切向力，因此把切向力 分解成x 方向和y 方向的两个分力并按集中力作用在锯齿节点上。当锯片电机功率确定以后，切向力的 大小由锯片线速度而定。 锯切时，金刚石锯片的锯齿对年i 村产生的切削力有两个：一个是法向力f n ，一个是沿线速度方向 的切向力f t 。锯切力f t 是锯片的主切割力，真接影响锯切功率。法向力f n 则直接影响锯片的刚度， 稳定性和耐磨损等特性。但由于f t ，f n 直接测量比较困难，把这两个力分解成沿进给方向的切割力f x 和切割深度方向的垂直力f y 。在某瞬时，可以把f n 和f t 投影到x ，y 轴上，通过上述几何关系，可得 到： e = cs i n 8 + f c o s t ) ( 2 2 ) e = 一f c o s o + f s i n 0 ( 2 3 ) 式中的口是取菜瞬时，切割石材中点直径与垂直方向的夹角，也是锯片从切割最低点沿切割轨迹转 到切削中点时的夹角，即 0 =1 一生 r 2 3 圆锯片的平面应力分析及影响 2 - 3 1 圆锯片平面应力分析 ( 2 4 ) 圆锯片在锯切过程中锯片承受离心力、锯切力、锯切热等交变载荷作用这些外载荷在锯片内形成 不同的应力区这些