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                                  鋸切機理和鋸切力計算模型的研究
                                  時間:2015-05-12

                                  為完成各種材料的鋸切,尤其是難加工材料的高速鋸切,研究材料切削鋸帶的鋸切機理是至關重要的。通常鋸切材料可以分為高強度低速鋸切材料(如合金鋼、鈦合金等)、硬脆高速鋸切材料(如硅晶體、藍寶石等)、復合材料和高強度高速鋸切材料(如鋁合金等材料)。針對不同的鋸料,通常選用不同的鋸帶和不同鋸切工藝,如高強度低速鋸切材料其鋸切速度在30-90m/min,而高強度高速鋸切材料其切割速度則可高達3000m/min。因此,材料的鋸切機理存在明顯不同。

                                  對于高強度低速鋸切材料,如高合金鋼和鈦合金的強度都很高(其抗拉強度σb可達1000MPa以上)。如此高強度的材料鋸切力很大,比鋸切45鋼(正火)高出30%以上。鋸切過程中,塑性變形大,使鋸切力大大增加;同時出現加工硬化現象,是熱強度提高,進一步增大了鋸切抗力。另外,鈦合金、不銹鋼和高溫合金的導熱系數小,導熱性差,僅為45鋼的四分之一,造成切削熱不易散發。在加工過程中產生較大的熱應力,還會引發加工粘結現象。因此研究快速帶走加工過程行程的切削熱,使加工材料快速冷卻,對于大幅度提高鋸切速度是技術難點之一。

                                  相比之下,高強度高速鋸切材料,如鋁合金材料,其具有導熱系數高,易于高速鋸切等優點。其鋸切機理與高強度低速鋸切完全不同。對于硬脆材料,如硅片材料,由于材料在切割過程中極易破損,切割時要求進行小進給量的高速鋸切,通常線速度可高達30m/s。鋸切過程中,使用金剛石磨料鋸鋸帶進行切割,切割刀具為金剛石顆粒的多刃微切削,同時專用冷卻液帶走切削熱,實現精密高速切削,達到較好的表面光潔度。

                                  帶鋸生產影響最主要的因素是帶鋸振動,而鋸帶本身所受的應力狀態對于其振動和穩定性最為重要。鋸帶的應力主要由下列部分組成:彎曲應力σB,離心力σC,張緊力σT,切割力和熱應力。

                                  這里我們看到,彎曲應力是周期性的,且幅值很大,他們是引起帶鋸疲勞失效的主要原因。最大彎曲應力近似和帶厚與帶徑之比(h/D)成正比,因此使用大直徑帶輪和薄鋸帶會減小鋸帶的彎曲應力。

                                  新聞.jpg 

                                  2 帶鋸示意圖

                                  為了獲得最大切削性能且不引起鋸帶的疲勞和斷裂問題,引入適當的預緊力或張緊力是十分重要的。精確的張緊力測試是十分困難的,隨著傳感器技術的發展,這一技術也有了新的進展。張緊導致了鋸帶產生了一個橫向變形,這個變形和殘余應力分布密切相關。Aoyama等人總結變形主要依賴于鋸帶的幾何形狀、輥子的數目和位置、輥子的幾何形狀和壓力。即使兩側鋸帶的橫向變形相似,但是它們對應的應力分布卻可能是不同的。因此light gap技術不能給出一個精確的殘余應力評價。另外,張緊力可以抵消一部分熱效應,并且防止鋸帶脫離帶輪。

                                  鋸帶和工件在振動過程中相互作用以摩擦的形式加熱了鋸帶,在將近250℃時,藍點和藍斑會出現。帶輪傾斜被常用來解決硬木鋸切時遇到的這個問題。

                                  鋸帶應力對于研究帶鋸壽命十分重要,也能解釋鋸帶在仿真中不同參數下動態行為。引起帶鋸疲勞壽命降低主要有三個原因:帶的張緊力,帶輪周邊的彎曲和帶輪和切削帶之間的扭轉。這里可以給出一個簡單的公式來計算在帶輪上由張力和彎曲引起的應力,這個公式是基于梁模型計算所得的:      

                                                        新聞2.png   (1)

                                             

                                         當然,對于彎曲應力σF的值是最大應力,在鋸帶上表面是正的(拉應力),和帶輪接觸的表面是負值(壓應力)。

                                  如果是板模型,彎曲應力也可以給出:

                                                      新聞3.jpg            (2)

                                   鋸帶的扭轉仍然沒有深入的研究,它可能和大變形殼的扭轉相關。由此產生的應力可能是縱向的,也可能是橫向的或剪切應力。

                                  離心效應產生了一個附加的縱向應力,它不均勻的進入了鋸帶的橫截面,可由下式計算:

                                                        新聞4.png

                                                      

                                  注意這個應力值通常比張緊力小。其他原因的應力也存在,但是他們的效果通常被假設是比較小的,沒有被徹底地研究:帶輪傾斜,帶輪表面形狀,帶材料熱效應,切削力。

                                          到目前為止,針對不同鋸料的鋸切機理研究有待深化。為開發高端帶鋸床,需要比較準確地計算出鋸切力,而目前國內帶鋸床行業尚未詳細研究鋸帶在鋸切過程中的鋸切機理,也未建立合理的鋸切數學模型,缺乏鋸料鋸切力的測試數據。帶鋸床的核心功能是鋸切工件,因此鋸切功能模塊的設計是帶鋸床設計的核心內容??茖W揭示鋸切機理并獲取鋸切力數據是帶鋸床合理設計的第一步。

                                   

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