1 前言
圓鋸片已經(jīng)被廣泛應(yīng)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(zhuǎn)薄片機(jī)械,厚徑比例一般很小,導(dǎo)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(dòng)態(tài)剛度或穩(wěn)定性,國內(nèi)外許多學(xué)者對其進(jìn)行了深入的研究[1-6]。對圓鋸片進(jìn)行熱處理是鋸片生產(chǎn)的一個(gè)重要的工藝。熱處理的質(zhì)量對材料的使用性能有很大的影響[7-9]。熱處理缺陷將會(huì)導(dǎo)致圓鋸片的硬度不均勻,產(chǎn)生軟點(diǎn),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(dòng)力學(xué)性能變差。本文將通過有限元分析研究熱處理軟點(diǎn)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(dǎo)。
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(nèi)部會(huì)形成不同性質(zhì)的加工應(yīng)力。
熱處理工藝是機(jī)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(dá)到使用時(shí)所要求的機(jī)械性能[10]。熱處理工藝不當(dāng)將會(huì)使得圓鋸片的硬度不均勻,出現(xiàn)軟點(diǎn),如圖1所示。軟點(diǎn)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(diǎn)的彈性模量小于周圍材料的彈性模量。所以軟點(diǎn)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(yīng)區(qū)域的等效彈性模量E表示。
圖1 熱處理缺陷導(dǎo)致的軟點(diǎn)
Fig.1 Soft spots caused by heat treatment defect 3 熱處理軟點(diǎn)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(guān)資料,可得65Mn的機(jī)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(xué)性能
Table 2 Mechanical Properties of 65Mn
本文中軟點(diǎn)的彈性模量E分別設(shè)定為1.0×105MPa、1.4×105MPa和1.8×105MPa。軟點(diǎn)的直徑分別為φ10mm、φ15mm、φ20mm、φ25mm,軟點(diǎn)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(shí)的熱處理缺陷,設(shè)定圓鋸片存在多個(gè)軟點(diǎn),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?jiǎng)澐志W(wǎng)格。先用平面單元?jiǎng)澐咒徠钠矫婢W(wǎng)格,再由面網(wǎng)格拉伸生成體網(wǎng)格[12]。由于軟點(diǎn)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(gè)單元,12111個(gè)節(jié)點(diǎn)。
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(diǎn)對模態(tài)振型的影響
圓鋸片邊界條件設(shè)定為內(nèi)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(diǎn)(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(diǎn)直徑不同,所在位置不同的分析結(jié)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(dòng)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)兩種狀態(tài)下的前6階振型基本相同,說明軟點(diǎn)的存在并沒有改變圓鋸片的基本振型。
3.4 熱處理軟點(diǎn)對固有頻率的影響
3.4.1 軟點(diǎn)直徑對固有頻率的影響 鋸片的軟點(diǎn)彈性模量為1.4×105MPa,中心位置在徑向375mm處,軟點(diǎn)直徑為φ10mm、φ15mm、φ20mm和φ25mm時(shí)圓鋸片的固有頻率如表4所示。軟點(diǎn)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(diǎn)對振型的影響 Fig.3 Influence of heat treatment soft spots on vibration mode
圖4 軟點(diǎn)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(diǎn)時(shí)圓鋸片的前6階固有頻率會(huì)減小,而且隨著軟點(diǎn)直徑的增大,圓鋸片的前6階固有頻率減小。因此當(dāng)圓鋸片存在‘軟點(diǎn)’時(shí),圓鋸片的固有頻率減小,臨界轉(zhuǎn)速會(huì)降低,不利于圓鋸片的使用。
3.4.2 軟點(diǎn)位置對固有頻率的影響 當(dāng)軟點(diǎn)直徑固定在φ20mm,軟點(diǎn)彈性模量為1.4×105MPa時(shí),軟點(diǎn)在不同位置時(shí)圓鋸片的固有頻率如表5所示。軟點(diǎn)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(diǎn)時(shí)的前6階固有頻率比無軟點(diǎn)時(shí)會(huì)減小,而且隨著軟點(diǎn)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(diǎn)彈性模量對固有頻率的影響 當(dāng)軟點(diǎn)直徑固定在φ20mm,軟點(diǎn)中心位置在徑向375mm處,軟點(diǎn)彈性模量為1.0×105MPa、1.4×105MPa和1.8×105MPa時(shí)圓鋸片的固有頻率如表6所示。軟點(diǎn)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(diǎn)時(shí)圓鋸片的各階固有頻率比無軟點(diǎn)時(shí)圓鋸片的固有頻率小,而且軟點(diǎn)的彈性模量越小,圓鋸片的各階固有頻率越小。
圖5 軟點(diǎn)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(diǎn)直徑不同時(shí)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(diǎn)在不同位置時(shí)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(diǎn)對剛度的影響
圖7顯示了軟點(diǎn)對圓鋸片剛度的影響。從圖7可以看出軟點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)彈性模量不同時(shí)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(diǎn)對剛度的影響
Fig.7 Influence of soft spots on stiffness
5 結(jié) 論
本文通過有限元軟件ANSYS分析了熱處理軟點(diǎn)對圓鋸片模態(tài)參數(shù)和剛度的影響,結(jié)論如下:
1.在熱處理產(chǎn)生軟點(diǎn)時(shí)圓鋸片的振型并沒有發(fā)生改變,‘軟點(diǎn)’的存在不會(huì)影響圓鋸片的振型。
2.圓鋸片在熱處理存在軟點(diǎn)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(diǎn)’時(shí),固有頻率會(huì)減小,并且軟點(diǎn)直徑越大,固有頻率越小,軟點(diǎn)距離圓鋸片中心越近,固有頻率越小。軟點(diǎn)的彈性模量越小,圓鋸片的固有頻率越小。
3.軟點(diǎn)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%。
參考文獻(xiàn):
[1] 張占寬,曾娟.超薄硬質(zhì)合金圓鋸片在木材加工中的應(yīng)用[J].木材加工機(jī)械, 2008, 19(2): 36～38
[3] D.S. Dugdale. Stiffness of a Spinning Disc Clamped at its Center[J]. J.Mech. Phys.Solids, 1966, 14(6): 349～356.
[4] R. Szymani, L. Trinchera, J. Turner. Use and Maintenance of Thin Circular Saws at California Cedar Products Company[J]. European Journal of Wood and Wood Products, 1987, 45(8): 319～322.
[5] G.S. Schajer. Simple Formulas for Natural Frequencies and Critical Speeds of Circular Saws[J]. Forest Products Research Society, 1986, 36: 37～43.
[6] I.Y. Shen, Y. Song. Stability and Vibration of a Rotating Circular Plate Subjected to Stationary In Plane Edge Loads[J]. Journal of Applied Mechanics, 1996, 63(1): 121～127.
[7] 包翠敏,譚朝鑫,莊春瑜,等.J75鋼的時(shí)效處理工藝[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2016, 34(1): 85～89.
[8] 李激光,隋欣,張丹,等.退火溫度對冷軋超細(xì)晶亞穩(wěn)鋼組織性能的影響[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015, 33(4): 537～541.
[9] 施國梅,張尊禮,劉永,等.電解液加熱局部淬火在航空發(fā)動(dòng)機(jī)某高溫合金零件中的應(yīng)用[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014, 32(5): 745～749.
[10] J.S. Chen. Parametric Resonance of a Spinning Disk Under Space-Fixed Pulsating EdgeLoads[J].Journal of Applied Mechanics, 1997, 64: 139～143
[11] 孫繼兵.65Mn鋼鋸片基體的熱處理[J].金屬熱處理, 1999, 11: 17～19.
[12] 機(jī)械工程手冊委員會(huì).機(jī)械工程手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.
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