1 前言
圓鋸片已經(jīng)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(yè)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(wěn)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(tài)剛度或穩(wěn)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(chǎn)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(chǎn)生軟點,從而使圓鋸片的模態(tài)參數(shù)(固有頻率及振型)和剛度發(fā)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(tài)參數(shù)和剛度的影響,為圓鋸片后續(xù)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(huán)節(jié),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(xiàn)軟點,如圖1所示。軟點區(qū)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(shù)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(qū)域的徑向位置R、等效面積圓直徑φ和相應區(qū)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(tài)參數(shù)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(shù)如表1和表2所示[12]。
表1 鋸片材料的性能參數(shù)
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(wǎng)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(wǎng)格模型如圖2所示,采用六面體單元劃分網(wǎng)格。先用平面單元劃分鋸片的平面網(wǎng)格,再由面網(wǎng)格拉伸生成體網(wǎng)格[12]。由于軟點區(qū)域和周圍材料彈性模量不同,因此這些區(qū)域的網(wǎng)格劃分較密。如圖2所示,一共有5750個單元,12111個節(jié)點。
圖2 圓鋸片網(wǎng)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(tài)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(jīng)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(tài)下的前6階模態(tài)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(tài)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(tài)下的模態(tài)都存在重疊現(xiàn)象,在提取的前6階模態(tài)中,均勻熱處理和熱處理存在軟點兩種狀態(tài)下的第1階和第2階以及第4階和第5階模態(tài)發(fā)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(tài)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(jù)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(jù)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(jù)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(tài)參數(shù)和剛度的影響,結論如下:
1.在熱處理產(chǎn)生軟點時圓鋸片的振型并沒有發(fā)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(tài)下的固有頻率比均勻熱處理狀態(tài)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(shù)控技術
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