带锯床切割技术发展和研究现状

1、 带锯床切割技术发展和研究现状带锯切割技术在众多切割技术中多才多艺，如木材切割，铝板切割，铸铁切割，管材切割，陶瓷和复合材料切割等，因此成了众多企业发展的目标。带锯切割已从简单的立式两轮机床发展到具有复杂刀具系统的众多类型。现在可应用的有，两轮、三轮和四轮的机床，还出现了形切、立式、卧式、倾斜式、角度、切断、摩擦等多种命名形式。一些制造商根据材料从轻载-中载-重载切割提供了立式/卧式结合的带锯机床。由于锯切速度快，锯口消耗少，加工精度高，锯切直径大，立即风靡全球。1. 带锯床产业发展现状中国带锯床产业起步较晚，改革开放以后才逐步有企业(如湖南机床厂)进入带锯床行业。20世纪80年代开始，当时正

2、处于较先进的带锯床替代相对落后的弓锯技术变革期，出现带锯床供不应求的局面，许多中小企业敏锐的抓住这个机遇，纷纷进入带锯床行业。依托于中国良好的经济发展环境，我国锯切工业发展迅猛，产量从1985年的81台增加到1990年的2000台。根据中国机床工具工业年鉴(2009)对国内24家锯床生产企业的统计，2008年我国带锯床产量为32600台，年复合增长率为16.8%，考虑到规模以下的许多企业未统计，实际年复合增长率更大。全球带锯床制造商，根据整体水平分为三个集团：排在第一集团的是世界一流的带锯床制造商，主要有德国、日本、意大利等传统制造业强国的制造商。如德国摩森纳公司（August Moessne

3、r GmbH + Co. KG）创建于1898年，坐落在斯图加特以东30公里的小镇埃沙赫（Eschache）, 是德国著名的精密锯床制造厂。德国贝灵格公司由奥古斯特·贝灵格创建于1919年，最初只是个机械修理厂。二战后建起了铸造车间，并开始生产锯床。时至今日，公司生产仍涵盖从原料到整机的全部过程。品质超群带锯机床是公司的主导产品，采用最新技术设计、制造。 第二集团为西班牙、中国台湾等地区的制造商，如台湾合济工业股份有限公司。中国大陆的制造商则被划分到第三集团。这些差距主要体现在产品水平、技术水平、经济规模、经济效益、国际化程度和服务水平等方面。对比中外带锯床制造商总体水平

4、，德国的带锯床处于整个产业的顶端，以制造高端产品为主，其产品具有结构设计合理、制造工艺精良、机床故障率低、精度保持性和使用寿命长等优点，引领世界带锯床的发展。国内厂家总体以中低档产品居多，存在设备返修率高、加工精度和锯切效率低等问题。整体发展现状呈现金字塔形，如图1所示。图1 带锯床国际市场地位带锯床在我国机床工具行业中属于小的分支，有生产企业30家以上。近2-3年高速带锯床受到市场需求的影响，有些厂家开始仿制进口锯床，处于起步阶段。但由于受高速的影响，机床结构、部件和安全因素都要突破原有技术的约束，而且高速带锯越来越多的被应用在大批量高效率加工上，因此设备的稳定性、精度、操作方式和自动化控制

5、的要求比传统带锯床更高，对一些以价格拼市场的企业很难适应这些要求。主要具有以下特征：(1) 技术研发能力薄弱。我国带锯床与其他门类机床相比，发展历史较短，技术研发能力普遍薄弱，技术水平低下，主要表现在锯床精度保持性、故障率和使用寿命等性能指标。(2) 加工制造装备落后。国外普遍使用先进的数控机床加工零件，采用先进的仪器设备进行带锯床的试验和检测。我国锯床生产规模大、但加工水平低。(3) 社会化服务体系缺失。大而全、小而全的企业内部非核心生产部分尚未剥离进入社会服务体系，造成专业化生产水平低。社会化的生产性服务体系滞后，影响了产业集群和工业经济的发展。发达国家和中国台湾地区专业化分工配套体系和社

6、会化服务体系非常发达，成为机床产业持续发展的有力支撑。近几年来，随着社会和经济的飞速发展，我国的切割技术装备产业取得了显著成就, 已经具备了一定的技术水平和较大的生产规模。值得注意的是，高速带锯床应用将带锯切割加工技术带到了发展到前所未有的水平，并从传统的金属材料切割扩大到高分子材料、复合材料和晶体材料等多种材料加工。数控技术、CAD/CAM转化、光电技术、激光测量技术、机器人和最新的通讯技术的综合应用将带锯床的切割加工具备现代机床的所有特征，5轴联动铝合金厚板轮廓切割中心成为大型飞机制造不可缺少的装备。高速带锯切割技术以其高效、高速、低成本、环保、节能和高精等特点在快速切割技术领域中保持了迅

7、猛的发展势头。2. 带锯床发展趋势随着锯切加工由下料为主逐步向精细加工转变，对带锯床的设计技术与制造水平提出了更高的要求，带锯床逐渐向高端产品发展。国际高端带锯床的发展趋势主要表现在以下几个方面：(1) 锯切精度进一步提高。采用先进的变频电机驱动，精密滚珠丝杠传动和激光定位方式，配以伺服控制系统，由计算机自动再建监控带锯床锯切全过程，锯条速度、进给速度、夹紧力均可做到任意设置和优化组合，从而保证带锯床的加工精度。目前，100mm切割高度的误差为0.1mm，预计可以进一步提高。(2) 锯切加工高效化。提高锯切效率，尤其是提高厚材及硬金属的锯切效率，避免锯切成为整个生产线的瓶颈，一直是锯切技术领域

8、的关注焦点。德国MOESSNER切割铸铝件，锯切速度可达3000m/min，锯切效率可达4000cm2/min，从而大大提高生产效率，改善了锯切锯切加工的经济性。(3) 锯切能力的扩大化。目前德国MOESSNER的大型立式和卧式带锯床可锯切2.7m*0.8m*11m的实心方材。(4) 数控化。大型工件切割过程往往需要数小时，为保证一人多机的生产条件，提高锯切加工精度和加工效率，锯切过程数控化势在必行。(5) 远程诊断和维护。远程诊断和维护是全球经济化的结果，带锯床可以提供跨国跨地区迅捷的设备维护。德国MOESSNER锯切生产线加工时可与其技术中心联机，由技术专家对设备进行远程诊断和维护。3.

9、带锯床锯切技术发展现状3.1 带锯床锯切技术关键问题及发展现状对比国内外带锯床指标的对比，可以发现：(1) 在锯切尺度范围上，国内带锯床基本上和国际水平接近，可生产出锯切直径为3m的大型带锯床。(2) 在锯切速度上，德国MOESSNER带锯床采用了喷雾润滑的方式，使加工材料快速冷却，从而大幅度提高了锯切速度，最高切削速度可达3000m/min以上。(3) 在锯切效率上，以德国MOESSNER为首的国外带锯床已具备锯切高强度、高硬度材料的能力，针对高密度、高强度和高硬度材料，在20世纪90年代MOESSNER便推出高速精密立式带锯床，控制系统可采用数字控制或PLC控制，使几乎所有材料从传统上的慢

10、速切割实现高速或超高速切割。其加工试验表明，在切割铝合金材料时，切割效率可达4000cm2/min，约是传统1200cm2/min的3.3倍；在切割硬实铬锰材料时，切割率高达500cm2/min，约是传统77cm2/min的锯切效率的6.5倍。2011年日本的Amada公司开发了用于高速切割的脉冲切割技术，德国的KASTO公司也提出了高效锯切技术。(4) 在锯切精度上，为了保证高的加工精度，国外锯床不仅配备了先进的变频大马力电动机驱动、精密滚珠丝杠传动和激光定位方式，并配以伺服控制系统，由主控系统自动在线监控带锯床锯切全过程，锯带速度、进给速度、夹紧力均可做到任意设置、最优组合，从而从细节入手

11、加以优化设计。 目前国内不少企业带锯床设计仍然处于模仿阶段，产品设计过程中没有考虑质量的可靠性。为了达到性能要求，普遍存在设计过于冗余，产品结构没有得到优化，从而造成了材料的浪费，产品成本偏高。由于设计过程中缺少对结构的动态性能和强度进行分析，产品的工作性能和参数无法预测，导致使用过程中发生故障概率较大。国内带锯床产品与国外同类产品存在较大差距，其主要原因是国内带锯床产业缺乏系统、先进的带锯床设计理论与方法，影响带锯床设计质量的如干问题有待解决。3.1.1 锯切机理和锯切力计算模型的研究为完成各种材料的锯切，尤其是难加工材料的高速锯切，研究材料切削锯带的锯切机理是至关重要的。通常锯切材料可以分

12、为高强度低速锯切材料(如合金钢、钛合金等)、硬脆高速锯切材料(如硅晶体、蓝宝石等)、复合材料和高强度高速锯切材料(如铝合金等材料)。针对不同的锯料，通常选用不同的锯带和不同锯切工艺，如高强度低速锯切材料其锯切速度在30-90m/min，而高强度高速锯切材料其切割速度则可高达3000m/min。因此，材料的锯切机理存在明显不同。对于高强度低速锯切材料，如高合金钢和钛合金的强度都很高(其抗拉强度b可达1000MPa以上)。如此高强度的材料锯切力很大，比锯切45钢(正火)高出30%以上。锯切过程中，塑性变形大，使锯切力大大增加；同时出现加工硬化现象，是热强度提高，进一步增大了锯切抗力。另外，钛合金、

13、不锈钢和高温合金的导热系数小，导热性差，仅为45钢的四分之一，造成切削热不易散发。在加工过程中产生较大的热应力，还会引发加工粘结现象。因此研究快速带走加工过程行程的切削热，使加工材料快速冷却，对于大幅度提高锯切速度是技术难点之一。相比之下，高强度高速锯切材料，如铝合金材料，其具有导热系数高，易于高速锯切等优点。其锯切机理与高强度低速锯切完全不同。对于硬脆材料，如硅片材料，由于材料在切割过程中极易破损，切割时要求进行小进给量的高速锯切，通常线速度可高达30m/s。锯切过程中，使用金刚石磨料锯锯带进行切割，切割刀具为金刚石颗粒的多刃微切削，同时专用冷却液带走切削热，实现精密高速切削，达到较好的表面

14、光洁度。带锯生产影响最主要的因素是带锯振动，而锯带本身所受的应力状态对于其振动和稳定性最为重要。锯带的应力主要由下列部分组成：弯曲应力B，离心力C，张紧力T，切割力和热应力。这里我们看到，弯曲应力是周期性的，且幅值很大，他们是引起带锯疲劳失效的主要原因。最大弯曲应力近似和带厚与带径之比（h/D）成正比，因此使用大直径带轮和薄锯带会减小锯带的弯曲应力。图2 带锯示意图为了获得最大切削性能且不引起锯带的疲劳和断裂问题，引入适当的预紧力或张紧力是十分重要的。精确的张紧力测试是十分困难的，随着传感器技术的发展，这一技术也有了新的进展。张紧导致了锯带产生了一个横向变形，这个变形和残余应力分布密切相关。A

15、oyama等人总结变形主要依赖于锯带的几何形状、辊子的数目和位置、辊子的几何形状和压力。即使两侧锯带的横向变形相似，但是它们对应的应力分布却可能是不同的。因此light gap技术不能给出一个精确的残余应力评价。另外，张紧力可以抵消一部分热效应，并且防止锯带脱离带轮。锯带和工件在振动过程中相互作用以摩擦的形式加热了锯带，在将近250时，蓝点和蓝斑会出现。带轮倾斜被常用来解决硬木锯切时遇到的这个问题。锯带应力对于研究带锯寿命十分重要，也能解释锯带在仿真中不同参数下动态行为。引起带锯疲劳寿命降低主要有三个原因：带的张紧力，带轮周边的弯曲和带轮和切削带之间的扭转。这里可以给出一个简单的公式来计算在带

16、轮上由张力和弯曲引起的应力，这个公式是基于梁模型计算所得的：T=Teb, F=Ee2Rv+eEe2Rv (1)当然，对于弯曲应力F的值是最大应力，在锯带上表面是正的(拉应力)，和带轮接触的表面是负值(压应力)。如果是板模型，弯曲应力也可以给出：F=Ee2Rv+e1-2 (2)锯带的扭转仍然没有深入的研究，它可能和大变形壳的扭转相关。由此产生的应力可能是纵向的，也可能是横向的或剪切应力。离心效应产生了一个附加的纵向应力，它不均匀的进入了锯带的横截面，可由下式计算：v=Vc2 (3)注意这个应力值通常比张紧力小。其他原因的应力也存在，但是他们的效果通常被假设是比较小的，没有被彻底地研究：带轮倾斜，

17、带轮表面形状，带材料热效应，切削力。到目前为止，针对不同锯料的锯切机理研究有待深化。为开发高端带锯床，需要比较准确地计算出锯切力，而目前国内带锯床行业尚未详细研究锯带在锯切过程中的锯切机理，也未建立合理的锯切数学模型，缺乏锯料锯切力的测试数据。带锯床的核心功能是锯切工件，因此锯切功能模块的设计是带锯床设计的核心内容。科学揭示锯切机理并获取锯切力数据是带锯床合理设计的第一步。3.1.2 锯架系统的受力分析及带锯张紧力的研究 目前国内带锯床存在凭经验设计的问题，尚未建立带锯床系统的力学模型，如锯架系统的力学分析、带锯床系统动态特性分析模型、锯带强度和疲劳设计理论。为了保证锯切过程不打滑，通常带锯床

18、需要施加初始预紧力，使得锯带具有一定的张紧力，以保证工作时锯轮与锯带之间的摩擦力需大于锯带切入最大断面时同时参与锯切的当量锯齿数的合力。由于带锯床的工作特点，工作时锯带交替受到拉应力和扭转应力产生的切应力，张紧力过大极易导致锯带疲劳寿命的降低，甚至由于强度不足断裂失效；张紧力过小，则容易导致锯轮与锯带打滑，影响正常切削。锯架结构的受力分析是锯架结构合理设计的前提，也是带锯床可靠性设计的基础。3.1.3 高效锯切技术和数控技术带锯床的发展趋势是高锯切效率，尤其是提高厚材及硬金属的锯切效率。避免锯切成为整条生产线的瓶颈，一直是锯切及锯床技术领域多年关注的焦点。带锯床在锯切过程中经常遇到不规则截面的

19、锯料和型腔。锯切材料为大截面时，锯切宽度大，同时进行锯切的齿数增加，工件受到的锯切力就大；锯切材料为小截面时，锯切宽度小，同时进行锯切的齿数少，工件受到的锯切力就小。锯切过程中锯切力的大小直接反映了带锯床的锯切效率。因此，带锯床的效率最大化问题实质上是带锯床在锯切过程中如何保持最大的锯切力直至锯切完成。带锯床锯切力的控制是提高锯切效率的关键。锯切抗力是锯切模块设计的关键参数，不论卧式还是立式带锯床，其锯切功能的结构都是相似的，带锯床的锯切抗力及锯切系统中的其他载荷，如张紧力的数学关系等是设计锯轮、锯架等关键零部件的基础。目前，数控带锯床一般可实现自动定长、自动夹紧、自动送料等功能，但是并没有实

20、现真正意义上的自动锯切。当面对不规则截面的材料和材料的硬质点时，锯切力会急剧增加，而进给速度却不能相应的自动改变，只能通过手动改变进给速度，因此锯切过程中锯切力分布不均匀，必然导致功率浪费和锯切效率低的问题。先进的带锯床产品最终要体现在高效锯切的数控技术上，因为高效锯切的数控技术不仅包含锯切过程中的锯切机理、锯切数学模型，还包含如何突破带锯床系统的动态特性和锯带疲劳寿命等对锯切效率的约束瓶颈。如依据不同材料、材质、大小、锯带受力、锯带磨损情况，自动确定张紧力，延长锯带使用寿命；再如依据锯切材料工艺数据库，实时根据材料材质、大小、截面形状等参数，自动匹配锯带锯切的线速度和进给速度。而目前国内带锯

21、床行业所谓的数控仅仅包含“计数”和顺序控制等简单功能。以数控技术为基础，解决上述问题，提高带锯床的锯切效率。因此，数控技术真正的核心是锯切力反馈及其合理控制。3.1.4 带锯床结构的振动控制带锯床振动是影响带锯床锯切质量和效率的关键问题。振动较大将影响锯带的寿命和带锯床运行的稳定性，对锯切质量也有较大影响，如据切面的平面度和锯切精度等。因此在带锯床设计阶段对其动态性能分析，并进行振动控制是非常重要的。带锯床结构的动态特性分析是评价设计结果动态特性的重要手段。锯带振动是由生产环境中法向扰动引起的，且总是存在。带锯的激励来源于切割力，锯带侧面和工件之间的作用力，带轮偏心或形状不规则，带锯刚度变化，

22、导向引起的扰动。那么这些激励可以分成两类：直接激励和参数激励。在切削过程中，有直接的周期力，如按照锯齿进给频率产生的切削力；也存在直接的随机力，如锯带表面和工件之间的作用力。直接力使得锯带产生横向扭转运动。当有足够的直接激励能产生振动时，且频率和锯带基频相同或接近时，就锯带会产生极大的振动。另一方面，振动带来导致带锯床控制的难度，影响数控的稳健性。带锯床系统的控制变量主要是锯切力，振动将导致锯切力大幅度波动，增加滤波的难度，对控制系统的稳健性产生严重影响。尽管众多学者研究了带锯扭转-弯曲振动和边部屈曲问题，但是研究深度尚显不足，也没有进行试验验证。锯带表面和工件之间的作用力也是非常重要的一个研

23、究方向，但是这也是一个有难度的课题。当张紧力变化频率是锯带任何自然频率的2倍时,尤其是基频的2倍时，带锯张紧力周期性变化可能引起横向的不稳定性。这被命名为参数振动，由于锯带振动是由一个振荡刚度引起的，而不是外载荷直接作用在锯带上激发的。许多学者研究表明参数振动引起的振动幅值可能超过直接激励引起的振动幅值。张紧力周期性变化来源于带轮偏心或形状不规则，或锯带不规则。锯带的轴向拉力可由下式给出：Rc,t=R0t+mc2=R0t+(1-)mc2 (4)R0(t)是由带轮位置和形状决定的张力；是描述带锯张力的一个常数，=1-。初始为静态拉伸，c=0，对于旋转偏心或非圆带轮它是一个时间的周期函数。公式1中

24、的第二项，涉及到或，这项主要来源于带轮上锯带的法向加速度。锯带张紧的一部分，指动力学部分，需要用来加速带轮周边上的带锯。动态张紧分量并不引起带和接触带轮之间相互作用。静态拉伸分量是由带和带轮相互作用引起的。那么动态张紧就不在轮轴方向上产生作用。使用杠杆系统加载的带轮，从机械上来说相当于使用弹簧来施加张力，这样动态张紧就和初始静态张紧叠加在一起。张紧力随速度增加，并在=0或=1时最大。一般来讲，对于通过弹簧施加的拉力，静态张紧力分量可以参考图3中在0<<1范围内所描述的，这里0对应的是无线软的弹簧和1对应的是刚性弹簧。杠杆张紧系统在实践中能够成功是因为它能产生最大张紧力，并有依据的最

25、大化带锯自然频率。图3 带锯张力和速度关系图Mote依据梁模型总结存在两个激励频率，fexcit1和fexcit2，但是在典型静态情况下只有一个（Vc=0），且比锯带任一自然频率的2倍值要大。而对于Vc0，和静态激励频率相比较，有一个高频和一个低频，如图4所示。图4 纵向激励频率切削力的对动态不稳定性的影响也被密切关注和研究。法向力表明当它达到一个边部屈曲临界值时，发生静态不稳定。切向力被认为是动态不稳定性的一个可能因素，如果它被看做是一个在切削刃上的附着力，因此是非保守力。但是这个假设明显可以被证明，切向力总是和切削刃相切。当锯带发生振动时，切削刃便不再垂直，切削力存在一个侧向分量，这可能激

26、发锯带振动。侧向力在一定条件下会引发一种现象，称之为“洗衣板”现象，它可以引起锯切工件表面质量的下降。Okai等人的结果表明当锯齿进给频率略高于锯带的自然频率那么这种现象就会发生。他们总结因为在齿尖上的侧向切削力和这些齿尖瞬间运动方向具有相同的方向，锯带发生振动，也同时给了锯带的激励能。但是Le-Ngoc和McCallion也讨论了同样的问题，使用同样的实验数据，执行了同样的计算。他们建议仅仅扭转振动和锯切表面波纹现象相关，在锯带和锯切表面之间空气的阻尼效应才是物理的根源，因为扭转运动中的阻尼标准比侧向力的低。图5锯切表面洗衣板现象当一个微小的扰动在锯带上产生一个偏离平衡位置幅值很大的响应，那

27、么就称带锯是不稳定的。由于带锯不稳定会极大的降低切削性能，因而不稳定性的标准被密切关注和研究。静态不稳定类型发生在边部载荷达到一定临界值时，这个临界值依赖于锯带几何尺寸、材料、支撑条件、张紧力和进给速度。锯带轴向速度和边部屈曲载荷之间的关系如图所示。这种描述属于静态型，就是在特定环境下，锯带寻求到一种通过弯曲扭转模式决定的不同的平衡形状。图6 轴向速度和边部屈曲载荷关而动态不稳定则是不同的，它是关于平衡状态的大幅值的带锯振动，而不是平衡状态的转移。动态不稳定性仍然研究得不够深入，但是通过观察到的这些现象表明确实这种不稳定状态发生了。那么为了避免这些共振现象产生，或者至少限制这些现象产生，控制方

28、法必须要提出、研究和验证。那么最古老的、使用最广泛的便是通过张紧对锯带应力进行控制。以前张紧是通过hammering来实现的，现在通常采用滚动机械进行张紧。最近，自动辊子张紧和热张紧方法出现，也得到了很好的应用。Kribach和Bonac试验证实了辊子张紧的优势。Yang和Mote，Damren和Le-Ngoc应用一个传感器和一个非接触机构，发展了一种主动控制理论和系统。试验表明锯带稳定性是可能的，且提高了他的性能。轴向拉力、进给率、导向位置的自动在线调整也随之被提出。Zhao等人和Cyra等人更加关注通过锯带偏差来自适应控制进给速度。这种系统首先趋向避免由于带锯过大的法向力导致屈曲而引起锯带

29、偏差，而且理论上对洗衣板现象又没有影响。更进一步的说，这样系统的效率会受限，也即极大的减小了进给速度，降低了生产率。带锯产生噪声已知是超过95dBA。圆锯噪声机理已经被很多学者研究，但是带锯噪声源却很少被关注。Pahlitzsch和Eckert总结得到空气动力学不足以提供带锯噪声，这个结果是和圆锯噪声相比较得出的，也即圆锯噪声主要由空气动力学引起。3.1.5 带锯床产品可靠性设计高性能的产品需要以先进的设计方法作为基础，目前国内带锯床产品的设计仍以依赖经验和模仿为主，尚未形成系统化、理论化的设计方法和体系。设计过程中未能考虑产品的可靠性与稳健性，导致设计质量不理想，设计比较盲目。目前，主流的设计理念是在设计阶段就综合考虑产品可靠性的设计方法，以及在设计阶段及考虑产品的稳健性并进行优化设计方法。目前，德国MOESSNER、BEHLINGER及日本的AMADA公司生产的带锯床工作可靠性明显优于我国生产的带锯床。3.2 带锯床设计理论与方法的体系结构针对以上问题，研究认为带锯床的设计理论和方法主要包括锯切机理和锯切力计算模型、锯切系统力学分析方法、带锯床的设计过程、带锯床的控制系统设计、带锯床数字化仿真技术和带锯床可靠性优化设计方法。4. 结论装