1 前言
圓鋸片已經被廣泛應用于切割石材、木材和鋼材等工程中,其使用的廣泛性和特殊性,奠定了它在切割行業不可替代的地位。圓鋸片屬于典型的旋轉薄片機械,厚徑比例一般很小,導致其剛度和穩定性較差。為了保證加工安全、切割精度和出材率,圓鋸片必須有較高的動態剛度或穩定性,國內外許多學者對其進行了深入的研究[1-6]。對圓鋸片進行熱處理是鋸片生產的一個重要的工藝。熱處理的質量對材料的使用性能有很大的影響[7-9]。熱處理缺陷將會導致圓鋸片的硬度不均勻,產生軟點,從而使圓鋸片的模態參數(固有頻率及振型)和剛度發生變化,動力學性能變差。本文將通過有限元分析研究熱處理軟點對圓鋸片模態參數和剛度的影響,為圓鋸片后續的加工提供參考以及指導。
2 圓鋸片的熱處理工藝
目前圓鋸片的主要制造工藝包括下料、熱處理、磨削、校平等工序,從而在鋸片內部會形成不同性質的加工應力。
熱處理工藝是機械零件加工中不可缺少的工藝環節,它的根本目的是保證零件達到使用時所要求的機械性能[10]。熱處理工藝不當將會使得圓鋸片的硬度不均勻,出現軟點,如圖1所示。軟點區域的硬度小于圓鋸片的平均硬度,反映到圓鋸片的物理性能參數即為軟點的彈性模量小于周圍材料的彈性模量。所以軟點的特征可用區域的徑向位置R、等效面積圓直徑φ和相應區域的等效彈性模量E表示。
圖1 熱處理缺陷導致的軟點
Fig.1 Soft spots caused by heat treatment defect 3 熱處理軟點對圓鋸片模態參數的影響
3.1 圓鋸片模型
本文所研究的鋸片為廠方提供的厚度為8mm,直徑為1200mm的超薄圓鋸片。鋸片的材料為65Mn。通過查閱相關資料,可得65Mn的機械性能參數如表1和表2所示[12]。
表1 鋸片材料的性能參數
Table 1 Performance parameters of the saw blade material
表2 65Mn的力學性能
Table 2 Mechanical Properties of 65Mn
本文中軟點的彈性模量E分別設定為1.0×105MPa、1.4×105MPa和1.8×105MPa。軟點的直徑分別為φ10mm、φ15mm、φ20mm、φ25mm,軟點的位置分別在徑向275mm、325mm、375mm、425mm處。
3.2 網格模型
為了模擬真實的熱處理缺陷,設定圓鋸片存在多個軟點,且非對稱分布。鋸片的網格模型如圖2所示,采用六面體單元劃分網格。先用平面單元劃分鋸片的平面網格,再由面網格拉伸生成體網格[12]。由于軟點區域和周圍材料彈性模量不同,因此這些區域的網格劃分較密。如圖2所示,一共有5750個單元,12111個節點。
圖2 圓鋸片網格劃分模型圖
Fig.2 Mesh model of the circular saw blade
3.3 熱處理軟點對模態振型的影響
圓鋸片邊界條件設定為內孔圓柱面約束和夾盤固定約束。經過有限元分析得到圓鋸片存在軟點(直徑φ20mm,徑向位置425mm處)和均勻熱處理兩種狀態下的前6階模態振型,如圖3所示。軟點直徑不同,所在位置不同的分析結果大致相同,這里就不再一一贅述。(注:這里的“階”表示不同的振動模態和固有頻率)
從圖3中可以看到,圓鋸片在均勻熱處理和熱處理存在軟點兩種狀態下的模態都存在重疊現象,在提取的前6階模態中,均勻熱處理和熱處理存在軟點兩種狀態下的第1階和第2階以及第4階和第5階模態發生重疊。第3階不重疊。均勻熱處理和熱處理存在軟點兩種狀態下的前6階振型基本相同,說明軟點的存在并沒有改變圓鋸片的基本振型。
3.4 熱處理軟點對固有頻率的影響
3.4.1 軟點直徑對固有頻率的影響 鋸片的軟點彈性模量為1.4×105MPa,中心位置在徑向375mm處,軟點直徑為φ10mm、φ15mm、φ20mm和φ25mm時圓鋸片的固有頻率如表4所示。軟點直徑對圓鋸片的前6階固有頻率的影響如圖4所示。
圖3 熱處理軟點對振型的影響 Fig.3 Influence of heat treatment soft spots on vibration mode
圖4 軟點直徑對固有頻率的影響
Fig.4 Influence of diameter of soft spots on natural frequency
根據表4及圖4可得,圓鋸片存在軟點時圓鋸片的前6階固有頻率會減小,而且隨著軟點直徑的增大,圓鋸片的前6階固有頻率減小。因此當圓鋸片存在‘軟點’時,圓鋸片的固有頻率減小,臨界轉速會降低,不利于圓鋸片的使用。
3.4.2 軟點位置對固有頻率的影響 當軟點直徑固定在φ20mm,軟點彈性模量為1.4×105MPa時,軟點在不同位置時圓鋸片的固有頻率如表5所示。軟點位置對固有頻率的影響如圖5所示。
根據表5以及圖5可得,圓鋸片存在軟點時的前6階固有頻率比無軟點時會減小,而且隨著軟點所在的徑向位置的減小,圓鋸片的前6階固有頻率減小。
3.4.3 軟點彈性模量對固有頻率的影響 當軟點直徑固定在φ20mm,軟點中心位置在徑向375mm處,軟點彈性模量為1.0×105MPa、1.4×105MPa和1.8×105MPa時圓鋸片的固有頻率如表6所示。軟點的彈性模量對固有頻率的影響如圖6所示。
根據表6以及圖6可得,存在軟點時圓鋸片的各階固有頻率比無軟點時圓鋸片的固有頻率小,而且軟點的彈性模量越小,圓鋸片的各階固有頻率越小。
圖5 軟點位置對固有頻率的影響
Fig.5 Influence of positions of soft spots on natural frequency
表4 軟點直徑不同時圓鋸片的固有頻率
Table 4 Natural frequency of the circular saw blades under different diameter of soft spots
表5 軟點在不同位置時圓鋸片的固有頻率
Table 5 Natural frequency of the circular saw blade at different positions of the soft spots
4 熱處理軟點對剛度的影響
圖7顯示了軟點對圓鋸片剛度的影響。從圖7可以看出軟點的存在使得圓鋸片的徑向剛度和切向剛度都有所減小,徑向剛度減少了3.17%,切向剛度減少了1.72%。
圖6 軟點彈性模量對固有頻率的影響
Fig.6 Influence of elastic modulus of soft spots on natural frequency
表6 軟點彈性模量不同時圓鋸片的固有頻率
Table 6 Natural frequency of the circular saw blade under different elastic modulus of soft spots
圖7 軟點對剛度的影響
Fig.7 Influence of soft spots on stiffness
5 結 論
本文通過有限元軟件ANSYS分析了熱處理軟點對圓鋸片模態參數和剛度的影響,結論如下:
1.在熱處理產生軟點時圓鋸片的振型并沒有發生改變,‘軟點’的存在不會影響圓鋸片的振型。
2.圓鋸片在熱處理存在軟點狀態下的固有頻率比均勻熱處理狀態下的固有頻率小,圓鋸片存在‘軟點’時,固有頻率會減小,并且軟點直徑越大,固有頻率越小,軟點距離圓鋸片中心越近,固有頻率越小。軟點的彈性模量越小,圓鋸片的固有頻率越小。
3.軟點的存在使得圓鋸片的徑向剛度和切向剛度都有所減小,徑向剛度減少了3.17%,切向剛度減少了1.72%。
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?來源:前沿數控技術
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