| 摘要：采用ANSYS有限元分析软件，对节块前方加焊不同负倾角护齿插件的金刚石圆锯片进行变形和应力计算，得出最佳的护齿插件锯片结构，并与普通圆锯片比较，可知在相同载荷作用下，合理设置插件倾角，可使最大变形、应力值大大减小，应力均衡，应力集中区明显改善，表明护齿插件提高了锯片基体的刚度和节块的抗冲击能力，有利于延长锯片的使用寿命。 |
1 引言
金刚石圆锯片具有切削性能良好、生产效率高等优点，在超硬材料、非金属材料、石材加工以及各种水泥、沥青路面切割上得到广泛的应用。随着金刚石圆锯片应用范围的日趋扩大，加工对象的日益复杂，越来越多的新型锯片结构不断出现，已有的研究成果表明，改善锯片基体及锯齿结构是提高锯片锯切效果的重要途径，但在理论方面的分析尚还欠缺。本文主要针对金刚石圆锯片锯切时，由于锯片的高速运转，岩屑流及锯齿切入时的冲击，导致薄板状锯片基体的变形，甚至掉齿等现象，采用ANSYS有限元分析软件，对节块前方设置有不同倾角护齿插件的抗冲击金刚石圆锯片进行变形和应力计算，并将普通圆锯片与之比较，寻求最佳的护齿插件锯片结构，为今后抗冲击锯片结构设计提供理论参考依据。
| 表1 圆锯片基体、节块及护齿插件的材料性质参数 |
| | ρ(kg/m3) | E(N/m2) | µ |
|---|
| 65Mn(基体) | 7800 | 2×1011 | 0.3 |
| 节块及护齿插件 | 8100 | 5.6×1011 | 0.25 |
| 表2 普通圆锯片的形状参数(m) |
| 基体外径 | 基体内径 | 基体厚度 | 节块长度 | 节块厚度 | 节块高度 | 水口长度 | 水口宽度 | 底端圆弧直径 |
|---|
| 0.35 | 0.05 | 0.002 | 0.04 | 0.003 | 0.007 | 0.015 | 0.010 | 0.010 |
2 有限元分析
在基体上沿旋转方向加焊负倾角护齿插件的锯片结构，该锯片的护齿插件用具有高耐磨性、高硬度的材料做成，插件延伸到槽底之下2～5mm与基体结合在一起，上部略高于基体外圆周与金刚石节块构成整体，可起到保护锯齿、有效提高锯片抗冲击能力的作用。2.1 ANSYS计算过程
- 定单元类型
- 根据普通锯片情况，一般可用平面应力的方法来分析，但护齿插件由于材质与锯片基体不同，考虑其厚度，用实体单元更符合实际，因此采用SOLID45 作单元类型进行结构分析。
- 定单元材料参数高耐磨性、高硬度的护齿插件的材料性质可考虑为与节块一致，基体的材料为65Mn。具体参数如表1所示:
- 建模
- 普通锯片的模型为一块空心圆板，板上水口采用宽水口，形状参数见表2。
- 护齿插件比基体高2mm，总长21mm，宽度3mm，厚度与基体一致为2mm。
- 对直径为Ø350mm锯片，当锯切深度为20mm，锯片转速为1000r/min，进给速度为1.8m/min时，可以推算出在切削过程中，只有两个齿同时参与切削。因此将金刚石圆锯片的ANSYS 模型可简化为锯片整体的1/6(即四个齿情况)进行计算。设定坐标方向为:水平方向(切向)X，垂直方向(法向)Y，轴向Z。并且为使锯齿工作条件一致，采用每个宽水口都设置有插件。
- 网格划分
- 为便于插件周围的有限单元的划分，这里统一采用三角形单元，另外由于宽水口插件所处位置是应力集中敏感区，须将宽水口附近的网格进一步细化，以便更精确地反映出整个有限元模型的状态，因此整个运算模型达上万个节点。
- 确定约束
- 锯片在锯切过程中只有绕轴向方向的转动，在其它自由度上都固定，即没有位移，而转动由电机带动，在理想情况下为匀速转动，也可认为是受约束的，因此，内孔整个圆环面积受到全约束。即ANSYS模型受全约束。
- 载荷的加载
- 根据上述的工作参数，锯切水泥混凝土，测得平均切向力Ft=257N，径向力Fn=59N。这时同时工作齿数两个齿，则可认为载荷加在两个齿上，受力面积为刀齿底面和侧面，在此简化为均布载荷。
2.2 ANSYS 计算结果
取护齿插件倾角分别为-3°，-5°，-10°的情况，按照上述建模、加载、运算后，得到普通锯片与抗冲击锯片在受力后的变形、应力分布情况。- 圆锯片变形情况分析
- 普通锯片和插件倾角为-5°的特殊锯片在Z方向的变形分布，各种锯片变形最大值比较见表3。
表3 各种锯片变形最大值比较(mm)| 变形方向 | 普通锯片 | 插件倾角-3°锯片 | 插件倾角-5°锯片 | 插件倾角-10°锯片 |
|---|
| 最大值 | 最大值 | ηi | 最大值 | ηi | 最大值 | ηi |
|---|
| X | 0.682 | 0.181 | 73% | 0.164 | 76% | 0.182 | 73% |
| Y | 0.386 | 0.101 | 74% | 0.0831 | 78% | 0.0945 | 76% |
| Z | 0.00697 | 0.00655 | 6% | 0.00335 | 52% | 0.00677 | 3% |
| 注:ηi=1——特殊锯片的变形值(应力值)/ 普通锯片的变形值(应力值)，i=x，y，z。 |
- 结果表明，与普通锯片相比，具有护齿插件的锯片最大变形区明显缩小，变形区的变形均衡，变形量大为减弱：护齿插件的锯片所产生的最大变形量均比普通锯片减少，其中在X、Y方向上减少达73%以上，而在Z方向上，-5°倾角的最大变形量比普通锯片减少达52%。说明在锯齿前加焊插件可以增加锯片的刚度，使基体不易变形、弯曲，提高节块抗冲击性。
- 圆锯片应力情况分析
- 由于基体材料为65Mn，65Mn的抗拉强度σb=1200MPa、σ0.2=410MPa，而许用应力[σ]为σ0.2除以它的安全系数1.5，则[σ]=σ/1.5约为270MPa，根据第三强度理论，[σ]=σ1-σ3≤270MPa，圆锯片在锯切过程中，所受的应力不能超过这个许用应力。因此研究锯片受到的第一、第三主应力大小以及应力集中的情况能够判断锯片的优劣。普通锯片和插件倾角为- 5°锯片的第一、第三主应力分布云，各种锯片的最大应力值及第一、第三主应力最大值见表4。
表4 各种锯片的应力最大值比较Pa| 应力方向 | 普通锯片 | 插件倾角-3°锯片 | 插件倾角-5°锯片 | 插件倾角-10°锯片 |
|---|
| 最大值 | 最大值 | ηi | 最大值 | ηi | 最大值 | ηi |
|---|
| X | 1.72×107 | 1.46×107 | 15% | 9.52×106 | 45% | 1.85×107 | — |
| Y | 2.35×107 | 1.87×107 | 20% | 1.19×107 | 50% | 1.93×107 | 18% |
| Z | 7.37×106 | 5.18×106 | 30% | 1.99×106 | 73% | 6.82×106 | 8% |
| σ1 | 5.16×107 | 2.15×107 | 58% | 2.07×107 | 60% | 2.41×107 | 53% |
| σ3 | -4.2×107 | -1.54×107 | 63% | -1.45×107 | 65% | -1.5×107 | 64% |
- 从计算结果可以看到普通锯片和有护齿插件的锯片在切削载荷作用下的应力情况，最大应力均发生在宽水口圆弧底端，在该处当第一应力σ1处于最大时，第三应力σ3为0：当σ3最大时，σ1为0，即σ1和σ3代表了该处的最大应力，受到的最大应力集中出现在锯齿的宽水口周围。从第一、第三主应力分布看出，具有护齿插件的特殊锯片大部分区域应力已明显降低，无论在宽水口的圆弧底端和基体与节块连接处的应力集中区域，高应力区均大大缩小，且应力均衡，应力值显著下降：而普通锯片的最大主应力已超过了安全许用应力，特殊锯片的最大主应力均减少了50%以上，尤以插件倾角为-5°锯片效果最好。表明在节块前方设置负倾角护齿插件的锯片结构能够有效的改善锯片的应力状况，保护锯齿，提高节块的抗冲击能力，因此有利于延长锯片的使用寿命。
3 结论
- 采用ANSYS 有限元软件分析表明，节块前方设置有负倾角护齿插件的锯片与普通金刚石锯片相比，在变形、应力方面都得到了较大改善。在相同载荷的作用下，合理设置插件倾角，可以加强基体的刚度，使之变形小：应力、变形均衡，高应力区均大大缩小，最大主应力明显降低，提高了锯片基体的刚度和节块的抗冲击性，有利于延长锯片的使用寿命。
- 插件倾角分别为-3°、-10°的锯片，虽然比普通锯片的效果要好，但在轴向的变形并没有显示出很强的优越性。从应力、变形各项指标看，以-5°的综合效果最好，即对于直径为350mm 的圆锯片，护齿插件倾角为-5°的锯片结构，其抗冲击性能最佳。
