圆锯片锯切H型钢过程分析及齿形参数优化.pdf

I 甸 似 圆锯片锯切H型钢过程分析及齿形参数优化 The anal y sis of t he cir cul ar s aw bl ade s aw ing pr oce ss of H st eel and opt im iza t ion of par am et er s of t oot h pr of il e 谭心 黄虎 陈琳 T A N Xi n HUANG Hu CHEN L i n 1 内蒙古科技大学 机械工程学院 包头 0 1 4 0 1 0 2 包钢钢联股份有限公司 包头 0 1 4 0 1 0 摘 要 针对冷锯机在锯切H 型钢生产过程中出现的锯片磨损快 工件断面质量不高等问题 结合H 型 钢结构特点 通过理论计算和有限元分析 改变锯片齿形参数 分析锯切力和锯切应力的变 化情况 对两种常用的齿形进行应力分析 结合实际找出较好的满足生产需要的合理齿形 提高锯切生产效率 关键词 锯切 齿形参数 应力 有限元分析 中囝分类号 T H 1 1 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 4 0 6 下 0 0 6 9 0 4 O o i 1 0 3 9 6 9 A i s s n 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 4 0 6 下 1 9 0 引言 锯机 的锯切工作 由锯 齿完成 齿形 的选择 和 设计 是否合理 对锯切 的能耗影 响很 大 与锯齿 强 度 锯片寿命 锯切噪 声有直接关 系 且影 响 锯切的生产效率以及工件 的断面质量 合理的锯 齿齿形 应满足能耗少 寿命长 制造 易 噪声低 的要求 而且为节约成本 锯 片都会 有修复的过 程 考 虑修复时 间和成本 合理 的齿形还 应该具 有容易修复的特点 臧勇 邹家祥 引 分析了锯切过程中锯屑的变形 特 点 给 出 了锯切 的单位 压力公 式 刘培锷 通 过 锯切 实验验证 了多种锯齿齿形 的优 劣 并分析 了运动参数 对锯切过程 的影 响 张 庆斌 等从 实 际问题出发 改进锯片 结构 优化锯 切参数 林 学杰 等运用仿真软 件模拟锯切 力的大小 并通 过 实验验证仿真结果的正确性 A G Ma ma il s 通 过 实验研究锯切参数对 锯切 力的影 响规律 实验 表明锯切力随着进给速度的而增大 S e g me n t s M A Be j a r 7 1 等研究发现锯切力和锯齿的磨损会受到进 锯速度和锯切时间的影响 本文在对锯片锯切H型 钢过程 中的锯切力进行 了理论分析 并结合有限 元分析对锯齿齿形参数进行优化 1 锯片锯切H 型钢的过程 课题 以包钢轨梁厂冷锯机锯切H型钢为研究背 景 锯 片直径为1 8 0 0 mm 材质为4 5 Mn 2 V 其弹 性模量为E 2 0 6 e 5 MP a 泊松 比la 0 3 质量密度 p 7 8 k g m 屈服极 限O 8 3 4 MP a 强 度极限ob 9 8 1 MP a 锯 片是一个大 而薄 的旋转圆盘 厚径 比t e d 各种 力均可近似地看作是作用在和锯片 对称平行的平面上 沿厚度方 向均匀分布 属于 平面应力 问题 可 以忽略轴 向力的作用 锯切 时 锯切厚度很小 锯切力可近似地看作集 中力作用 在齿尖上 在对锯齿进行有限元分析时 在锯齿 同时加载切 向力和径向力 1 1力能参数计算模型 考 虑 到 H型 钢 的 结 构 特 性 以 规 格 为 2 5 0 X2 5 0 9 1 4 的H型钢为例进行计算分析 开 始时锯片锯切H型钢的腿部 接着同时锯切腹板和 单个腿部 锯切面积最 多时是 同时锯切腹板和双 腿部 根据H型钢 的特点 将锯切过程分为多个阶 段来计算锯切力 其锯切模型如图l 所示 图1 锯切 H 型钢过程示意 图 由文献 5 可知 总锯切力P ZXP 单齿锯切 力P p B S 是平均相迎 角 B为锯切宽度 锯切 过程单位锯切力 收稿日期 2 0 1 3 1 2 2 4 基金项目 包头市重大科技发展项 目 2 0 1 2 Z 1 0 0 6 2 作者简介 谭心 1 9 7 4一 女 副教授 硕士生导师 研究方向为机械电子工程 第3 6 卷第6 期2 0 1 4 0 6 下 6 9 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m I 匐 似 出 当等腰三角齿形 的顶 角变化 时 其 受力位 置 变 化不大 受力大小发生 改变 由图3 b 可看 出 当鼠牙形锯齿前角变化时 锯齿最大应力由齿 尖根部向齿尖顶部转移 齿前角增大 虽然应力变 小 但是锯齿齿尖磨损加快 使用寿命缩短 2 2锯齿前角的影响 锯齿前 角的大小直接影响锯切 的过程 也会 影响切削变形 锯切 力 切 削温 度 刀具磨损和 刀具耐用度 增大前 角 可以减 小切屑变形 从 而减小锯切 力 降 低锯切功 率 提高刀具的使用 寿命 但是前 角过 大 则齿顶角变小 锯齿高度 降低 刀具寿命降低 锯齿前角改变 锯齿齿形 发生变化 由于齿 顶 角和齿数 不变 认为锯齿大小没有发生变化 同时单 齿锯切 力发生改变 计算 出单齿锯切力来 研 究锯齿前角 Y对锯切力的影响 锯齿前 角变化 时锯切 力的变化如图5 所示 图5 单齿锯切力随齿前角变化曲线 从图5 中可以看出 任其他条件相同时单齿锯 切力随锯齿前角的增大而减小 在一 5 0 之间 锯 切力的变化曲线的梯度变小 但是整体梯度随齿前 角的增大变化不大 在 只改变锯切前角时总锯切力 的变化趋势与单齿锯切力的变化趋势大致相同 锯齿 齿形的变化不仅 引起锯切 力的变化 同 样影响锯齿 应力的分 布 锯片应力的合理分布对 提高锯 片的使 用寿命 有重要意义 在其他参数相 同的条件下对不同前角的齿形进行有限元分析 图6 是齿前角为0 时的应力云 图 由计算结果 可 以看 出 锯 齿前角不同 但是应力分布情况大 致相同 锯齿的最大Vo n Mi s e s 应力位于锯齿前面 受 力部位 稍下 方 第一 应力最大位于锯齿 后面 齿尖部 稍下 方 这是因 为锯齿在锯切 的过程 中 锯齿受 力面主要受到的是拉应力 受力后面主要 受到压 应力 从 等效应 力上来看 锯齿前后面受 力区都 存在较 高的等效应力 所以这也说 明齿尖 受力区域稍下方是齿尖最容易断裂 的部位 一 一 a 最 大 Vo n M i s e s 应力 云 图 b 第 一 主 应 力 石 l玺 I 图6 前角为0 时锯齿应力云图 在 其他参数 相同的情况下 根据计算得到的 锯切 力的大4 J n 载到锯齿上进行有限元分析 其 最大Vo n Mi s e s 应力和第一主应力的变化趋势如图5 所示 图5 中单齿锯切力以齿前角为0 齿顶角为 5 0 时的应力作为基准 a 最 大 Vo nMi s e s 应 力 曲 线 b 第 一 主 应 力 ln l 线 图7 锯齿应力随齿前角变化曲线 由图7 可 以看出 锯切力的变化受锯齿前角的 变化影响十分 明显 整体变化较大 当锯齿前 角 在一 l 5 l 5 范围内变化时 锯齿 的最大Vo n Mi s e s 应 力值 随锯齿 前角 的增大 而减小 在一 1 5 一 一 5 时 最大Vo n Mi s e s 应力下降的较快 到一 5 时曲 线梯度变化稍小 到 1 O 以后曲线梯度接近于0 锯 齿的第一主 应力在一 1 5 5 时其应力值 急剧减 小 在一 5 8 区间缓慢增大 在8 1 5 区间迅速 增大 结合两种 应力变化 曲线可 以认为锯齿前角 在一 5 一 0 的应力分布比较理想 2 3齿顶角的影响 对 锯切过程以及锯切力分析可知 齿顶角的 变化不引起 锯切 力的变化 但是锯齿齿形发生变 化对锯齿应力的分布会产 生影 响 锯片 的锯切参 数不变 锯齿前角取0 齿顶 角变化时应力变化 规律如图6 所示 a 最大V o n Mi s e s 应力曲线 b 第一主应力 曲线 图8 锯齿应力随齿顶角变化曲线 第3 6 卷第6 期2 0 1 4 0 6 下 I 7 1 1 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m I 匐 化 为了获得较为准确 的数 学模型 要在相 同的 情 况下多次实验 以消除随机干扰信号 的影 响 这里以实验室的直流 电机 为例 经过 多次 测量 后 可得电机的模型为 l 2 实验验证 为 了进一步验证 获得模型的准确性 我们需 要用实验 来验证 这里用MAT L A B软件搭建控制 系统的控制模型并进行仿 真 并将仿真 曲线与实 际测得 曲线进行对 比 MAT L A B仿真 曲线与电机 的实际控制 曲线分别如图1 0 图1 1 N 示 图 1 0 MATLAB仿 真 曲 线 从两图对比可 以看出 仿真曲线与电机的实测 曲线基本是一致的 即基于L a b VI E W与P L C 通信的 辨识系统获得的系统模型精度可以满足实际需要 3 结束语 L a b VI E W易于识 别的G语 言图形符号避开 了 繁琐 的编程 语法 其 优秀的可视化界面方便 了用 图1 1 电机实 测曲线 户的使用口 三菱F X2 NP L C具有性价比高 稳定 性好的优点 将P L C与L a b V I E W进行通信来控制 被控对象使两者各显所长 本辨识 系统 的优点是 不需要额外的搭建硬 件电路 而且稍作修改便可 应用在其他P L C 控制电路中 柔性好 使用方便 原 理 简单 为控 制 系统 的设计 与 优化 打下 了基 础 具有很好的应用价值 参考文献 1 岂兴 明 田京 京 夏 宁 L a b VI E W入 门与实 践开 发1 0 0 例 北京 电子工业出版社 2 0 1 1 7 6 8 5 2 曲丽荣 胡荣 范寿康 L a b VI E W MA T L A B及其混合编 程技术 M 北京 机械工业 出版社 2 0 1 1 1 8 4 2 0 4 3 史 国生 电气控制 与可编程控制 器技 术 M 北京 化 学工 业 出版社 2 0 0 8 2 7 8 2 8 4 4 4 张崇 智 P C与三菱F X2 N型P L C串 口通信 的实现 J 机 床 电器2 0 0 5 0 3 5 杨 久红 王小增 MS Co mm控 件实现P C与P L C串行通 讯 J 现代 电子技术2 0 0 5 0 5 6 刘兴堂 现代辨识工程I M 北京 国防工业出版社 2 0 0 6 9 1 3 7 潘立登 潘仰东 辨识 系统与建模 M 北京 化学工业出版 社 2 0 0 4 1 2 3 重 蠢 盘 蠡I 矗 岛 矗 盘 j岛 矗 I 赢 矗 矗 蠡 岛I 矗 如 蠡 重 重 矗 上接第7 2 页 的的齿形参数 齿数选择5 0 0 5 5 0 齿 锯齿前角 取 5 O 齿顶角选择5 0 5 2 齿根圆取l mm 3 在同等受力情况下 鼠牙齿形应力表现 比 等腰三 角齿 形更好 为锯片齿形的设计和锯片的 使用提供了很好的理论依据 参考文献 1 王 廷溥 轧钢工艺 学 M 北 京 冶金工 业 出版社 1 9 8 l 9 3 98 2 臧 勇 邹家祥 金属热锯 机锯齿应 力分 析 J 重型机 械 1 9 8 8 1 0 1 4 6 5 0 4 刘培 锷 运动参数对圆锯锯切过程 的影 响f J 重型机 械 1 9 9 0 3 4 2 4 7 5 林学杰 圆锯机锯切金属过程力能参数计算研究 D 长 沙 中南大学 2 0 1 2 6 A G Ma ma l i s R S ch u l z e a n d H K To n s h o f T h e s l o t tin g o f b l o ck s o f h ard wo wit h a d ia mo n d s e g me n d cir cu l a r s a w b l a d e I n d u s t r i a l D iam o n d R e v ie w 1 9 7 9 3 9 3 5 6 3 6 5 7 S e g me n t s C Y Wa n g R C