刘 贝，李 慧，冯显英,1b，王兆国，路笃存

(1.山东大学 a.机械工程学院；b.高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南 250061；2.中共汶上县委组织部，山东 济宁 272501)

龙门型石材数控复合锯切机床圆锯片的受力分析与优化

刘 贝1a，李 慧1a，冯显英1a,1b，王兆国1a，路笃存2

(1.山东大学 a.机械工程学院；b.高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南 250061；2.中共汶上县委组织部，山东 济宁 272501)

为了减小因切削区域垂向力作用使圆锯片基体产生的交变应力，改善和提高圆锯片性能，采用ANSYS有限元分析对圆锯片进行力学分析后，提出了一种圆弧型基体表面，在锯片锯齿厚度一定的情况下，较好地改善了平切圆锯片的垂向切削承受能力，圆锯片切削性能和使用寿命得到了显著的提高。实验结果表明：优化后的锯片质量只增加了200g，而切削区域垂向力产生的交变应力减小了30%以上，弯曲变形更是减少了40%以上，锯片的使用寿命和切削性能得到了较大的提高。

圆锯片；弯曲变形；交变应力；结构优化

0 引言

目前，为提高路沿石条的生产效率，龙门型石材数控复合锯切机床应运而生。复合锯切机在工作时，立平两圆锯片同时进行切割，从整块大理石上切下石条，圆锯片的结构简图及相对位置如图1所示，这种锯切机大大提高了石条切割的效率。

在切割过程中，两个相同的圆锯片在同样的进给量和切割速度下，立切圆锯片正常工作，而平切圆锯片却出现锯齿部分或整体脱落；另外，平切圆锯片切得的石材锯缝明显大于立切圆锯片，同时平切圆锯片的下齿面的磨损比立切圆锯片严重，且测得平切圆锯片向上的切削区域的垂向力明显高于立切圆锯片。通过对比分析表明在这种结构工况下，圆锯片受到的垂直向上的力比较大，对立切圆锯片是沿径向方向，而对平切圆锯片是沿轴向方向，这就是使得平切圆锯片产生较大的弯曲变形，经过圆锯片的周期旋转为了循环交变应力，导致锯片刚度急剧下降，出现基体疲劳失效[1-6]。

为改善圆锯片的性能，提高圆锯片寿命，国内学者也多有研究。郑春英、王怀超等通过优化圆锯片的工艺参数来实现[6-7]；张占宽、李博等通过适当的适张来来实现[8-9]；邹娟等通过优化基体材料来实现[10]；张士强、张明松、邓福铭等通过优化锯齿参数来实现[11-13]；邱瑜铭、陈秋平等通过加厚基体中心基体来实现[14-15]。然而经过工程验证这些优化对这种承受较大交变应力的平切圆锯片效果并不明显，对此本文提出了一种弧形基体圆锯片来改善圆锯片的性能，并通过ANSYS的分析和实际工作的验证，改进后的圆锯片性能确实得到了提升和改善[16-18]。

1 圆锯片的锯切受力分析

1.1 建立有限元分析模型

本文采用ANSYS Workbench 14.5对切削区域垂向力引起的圆锯片弯曲变形进行力学分析[19-20]。锯切机所用金刚石圆锯片的外径为350mm，内径为50mm，厚度为2mm，齿数为24，基体材料为65Mn钢，密度为7800kg/m3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，约束圆锯片的法兰盘直径为100mm[21]。为了提高分析精度，在尽量减小计算量的情况下尽可能的将网格划分的越精细越好，根据上述参数建立ANSYS分析模型，建立好的网格模型如图2所示。

1.2 建立受力模型进行模拟仿真分析

圆锯片的受力分析有很多专家和学者都进行分析和研究，包括静态力学分析，瞬态力学分析等[22-23]。锯片切削深度面的刀齿位置才有力的作用，这里设置锯片的切削深度为实际加工深度20mm(图3)。房怀英等研究圆锯片在工作过程中，切削区域垂向力引起的变形和应力用静态力学分析即可，因此有限元分析可以对模型的图中阴影部分施加由实验测得的恒定切削区域垂向力约70N，进行静态力学分析[23]。为了模拟实际工作状态，对法兰盘的加紧采用无摩擦支撑约束，主孔轴面采用圆柱支撑，圆锯片基体的旋转速度为1440r/min。

对锯片进行有限元分析，并获得某一时刻锯片一周的弯曲应力和弯曲形变如图4所示。变形最大值为1.6788mm，出现在锯齿部分，这使得锯缝变大，对石材造成了浪费；应力最大值为103.18MPa，出现在靠近法兰盘的位置，跟实际上圆锯片破裂的位置相符，证实了开始的猜想：平切圆锯片确实是因为切削区域垂向力导致基体所受交变应力过大，在周期旋转中出现疲劳失效，导致圆锯片基体失效锯齿脱落。

2 对圆锯片进行优化分析

2.1 建立优化模型进行有限元分析

为了减小切削区域垂向力对平切圆锯片产生的弯曲应力和变形，提高圆锯片的工作寿命，对原来的普通锯片的基体结构进行优化。优化前后的圆锯片横截面示意图见图5。经有限元的分析可知，切削区域垂向力产生的应力主要集中在靠近法兰盘的位置，圆锯片基体失效的部分也主要集中在该位置，传统的方法是增加整个圆锯片基体的厚度，这种方法虽然简单有效，同时也使得圆锯片锯齿上下表面的可磨损量大幅下降，这本身就会使得圆锯片的使用寿命降低。基于以上分析本文提出了两种优化结构，一种是将基体改造成圆弧式基体，圆弧表面跟圆锯片的法兰盘安装表面相切；一种是斜坡式基体，基体表面跟法兰盘安装表面呈一定角度。切圆锯片的锯齿的下表面磨损的比较快，锯片的两侧同时加厚后，会导致下表面的基体过早与石材接触产生摩擦，降低锯片的使用寿命。同时混有石粉的冷却液在重力作用下从圆锯片的下表面流走，下表面加厚后会阻碍冷却液的流动，影响冷却和排屑效果，甚至恶化加工环境，加剧锯齿的磨损，使得圆锯片寿命下降。

对优化后的两种结构进行建模，添加与优化前模型同样的条件约束，进行有限元静态力学分析，获得在某一时刻斜坡式基体圆锯片弯曲变形和应力分布如图6所示，圆弧式基体圆锯片的弯曲变形和应力分布如图7所示。

2.2 对结果进行分析讨论

从分析结果可以看出优化后的两种圆锯片，相对于优化前的标准圆锯片在减弱切削区域垂向力对锯片的影响上都有巨大的作用：弯曲交变应力减小了30%以上，弯曲变形减少了40%以上；此外两种锯片最厚的地方只增加了0.5mm，而且主要集中在近中心轴位置，这也使得增加的质量集中在近中心轴的位置，而不会明显增加锯片的离心应力(见表1)。

对于两种优化后的结构进行比较，虽然两者最大应力和弯曲应变很相近，弯曲变形的分布图也几乎相同，可是从应力分布图中可以明显看到斜坡式的圆锯片的红颜色的区域明显大于圆弧式圆锯片，同时最大应力出现在冷却水槽处，而圆弧式圆锯片没有出现这种现象，这说明斜坡式圆锯片上出现了应力集中，对圆锯片的性能提高是不利的。圆弧式圆锯片却很好的通过相切，弧面的缓慢过度大大降低了这种应力集中，而且质量上只比斜坡式多了将近50g。这些都充分说明了圆弧式圆锯片的性能优于斜坡式圆锯片。

最后选择优化后的结构安装到龙门型石材数控复合锯切机床(图8)上，对分析结果进行实际工作验证。实验结果与理论分析相符：圆弧式基体圆锯片在减小石材加工锯缝、提高寿命等方面的性能明显优于另外两种结构。

3 结论

通过对复合型龙门锯切机的平切圆锯片基体锯齿脱落的分析和有限元静态力学分析，提出了一种新型的用于平切的圆弧式基体圆锯片，减小了因切削区域垂向力作用使圆锯片基体产生的变形，从而解决了平切圆锯片基体锯齿脱落的问题，工作寿命得到了显著的提高。

工程实践实验表明：可以根据加工深度的不同和弯曲变形的大小对圆锯片基体的圆弧半径进行改变以便适应不同加工环境，提高圆锯片的性能。因此优化后的这种圆弧式基体圆锯片对改善圆锯片弯曲变形，改善其切削性能，延长锯片使用寿命，具有很好的效果。

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(编辑 李秀敏)

Force Analysis and Optimization for Type of Longmen Stone CNC Cutting Machine Composite Circular Saw Blade

LIU Bei1a, LI Hui1a, FENG Xian-ying1a,1b, WANG Zhao-guo1a, LU Du-cun2

(1 a. School of Mechanical Engineering;b.Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture, Ministry of Education, Shandong University，Jinan 250061, China;2.The Organization Department of CPC Wenshang County Committee,Jining Shandong 272501,China)

In order to decrease alternating stress for the circular saw blades matrix generated by the vertical force in the cutting area, and improve the performance of circular saw blades, after carrying out a mechanical analysis on circular saw blades by ANSYS finite element analysis, a type of arc surface of the substrate is established, which can greatly improve the circular saw blade's ability to bear cutting vertical force on the premise that the thickness around saw blade serrate is certain, which makes the circular saw blade cutting performance and service life significantly improved. The experimental results show the optimized blade quality is increased by only 200g, while alternating stress produced by cutting area vertical force is reduced more than 30%, bending deformation is reduced more than 40%, and the service life of saw blade is improved greatly.

circular saw blade; bending deformation; alternating stress; structure optimization

1001-2265(2017)03-0038-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.03.010

2016-07-22

刘贝(1991—)，男，河南南阳人，山东大学硕士研究生，研究方向为智能检测与控制，(E-mail)liubei199104@163.com ;通讯作者：李慧(1968—)，女，山东济宁人，山东大学工程师，研究领域为数字化制造、智能检测与控制等，(E-mail)lihuifs@sdu.edu.cn。

TG659；TH122

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