金刚石干切圆锯片热应力和离心力耦合分析（图文）

　　１前言
　　金刚石圆锯片工作时，锯片的转速往往是一个比较敏感的参数。速度的高低影响到圆锯片的切削性能和切割表面质量，圆锯片在高速切削过程中基体内离心力对锯片稳定性影响不容忽视，有资料表明，锯片在高速旋转切削时，齿缘部分就可能变成荷叶状。干切圆锯片锯切工作时，由于锯片切削刃与被切割材料之间以及锯片与切割面之间产生很大的摩擦而产生热量，这样在锯片基体半径方向上就形成了外高内低的温度梯度，锯片基体材料一般采用高锰钢—65Mn,而65Mn具有过热敏感性。因此切削热使基体屈服强度降低，同时又增大了圆锯片应力和变形，它不仅影响加工质量，同时也将严重影响锯片的使用寿命。
　　锯片在锯切过程中承受离心力、锯切热、切削力等外载荷作用，通过改变锯片基体的结构参数，如在锯片基体上开空冷槽等结构改进，可以明显降低锯片基体变形和最大应力，但同时会削弱锯片的轴向刚度，因此对工作中不同结构参数的圆锯片进行热应力一离心力祸合分析是非常必要的。
　　本文首先建立了金刚石干切圆锯片结构的离心力和热应力一离心力祸合分析理论模型，采用有限元软件ANSYS，对普通锯片和基体开圆孔的金刚石干切圆锯片进行了热应力一离心力藕合分析研究，探讨离心力及各种锯片结构参数对锯片变形、应力的影响。
2 离心力分析模型
　　不考虑圆锯片启动和停止运转阶段锯片速度的变化，分析等速回转阶段锯片内离心力分布，圆锯片可以看作是一种中心约束的，等速回转的圆盘。圆锯片的径厚比一般在150以上，属于典型的超薄零件，干切圆锯片在正常锯切过程中承受的离心力、锯切力、切削热应力等交变载荷可以认为只作用于x-y平面内，属于典型的平面应力状态。圆锯片高速切削时，离心力对锯片基体的作用力见图1，对于锯片基体上的每一微小单元，在锯片的径向和切向上产生径向力σr和切向力σθ，相应的会产生径向和切向应变，由于基体材料间的相互约束，使得基体在径向和切向之间的变形不协调，因而会在基体中产生切向应变和径向应变，这个应变对工作中的锯片产生不利的影响。
　　在干切圆锯片每一节点处受到由于角速度引起的体力：


重量密度，[N ]T是形函数，为X和Y的线性函数。
3 热应力一离心力藕合分析模型
　　在实际应用中，热膨胀所引起的热应变和高速旋转时离心力所引起的应变是影响锯片基体使用情况的主要因素之一，因此必须同时解决结构和温度场的相互作用，即热一结构藕合问题，并给出所施加的温度场分布和旋转角速度所引起的结构应力问题。一般祸合场的分析最终可归结为两种不同的方法:序贯祸合方法和直接祸合方法。对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯祸合解法更为有效和方便，因此本文采用这种方法进行计算。
　　根据静力平衡方程，建立平衡关系：
　　[K ]{δ}={R}　 (2)
　　式中:[K ]为整体刚度矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数; {δ}为结构节点位移向量;{R}为结构节点力向量，包含热生成，ANSYS在计算时能根据单元转换将热分析的结果作为力分析的载荷，然后加载角速度，实现热一结构祸合分析。中国石材城
4 计算实例
　　本文首先对普通锯片进行热应力和热应力一离心力祸合对比分析研究，锯片的热分析理论模型参照资料建立，在此不再详述，然后根据目前圆锯片市场上出现的基体上开圆孔的锯片，以孔的直径、圆孔位置(孔圆心与锯片中心的距离)、孔的个数等结构参数为分析因素，寻求能够明显提高干切金刚石圆锯片几何刚度，同时又对锯片基体弯曲刚度削弱较小的合理参数，各试验因素的水平数取3，锯片模型如图2和图3。金刚石节块尺寸为:长x宽x高=40x3x7mm3。表1给出了圆锯片的结构参数，表2、表3分别给出了锯片各部分的材料特性。

　　根据文献的研究，普通锯片工作时转速及各部分空气对流系数:锯片基体直径为?350mm，内孔直径为小?50mm，厚度为2mm，锯片工作转速为1000rpm(即锯片每转一转为0.06s);锯片直径在[50, 150] mm区间范围为层流，空气对流系数约为λ = 9.30 W/(m.℃ )，直径在[150, 350] mm区间范围为紊流，空气对流系数 λ=22.10 W/(m. ℃)，窄水口处的空气对流系数为690 W/(m. ℃)，再根据经验公式可以算得散热圆孔处空气对流系数如表4所示。

表5为空气的部分热力参数。

分析方案用正交表具体安排如下表6：