鋸切參數(shù)對圓鋸片消音的影響及優(yōu)化

張威浩

摘要：通過有限元法和正交試驗法相結(jié)合來分析在不同鋸切參數(shù)下圓鋸片的消音降噪效果。分析結(jié)果表明

鋸片夾緊比、厚度的減小可以消音，回轉(zhuǎn)速度對其影響較??；夾緊比增加可減小鋸片的徑向和切向最大應力，回轉(zhuǎn)速度減小可減小徑向和切向最大應力，而圓鋸片厚度對其影響較小。三因素對鋸片應力影響的主次順序為：回轉(zhuǎn)速度>夾緊比>基體厚度。最優(yōu)消音效果的鋸切參數(shù)為夾緊比為0.3，回轉(zhuǎn)速度為180rad/s，基體厚度為2.0mm。

關(guān)鍵詞：圓鋸片；正交試驗；有限元分析；固有頻率；消音

引言

金剛石圓鋸片加工質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、切削性能優(yōu)越而被廣泛應用。圓鋸片在鋸切過程中產(chǎn)生巨大噪聲污染，工作噪音達110分貝左右。因此，金剛石圓鋸片的消音問題引起國內(nèi)外研究人員的高度重視。鋸片在進行鋸切加工過程中的固有頻率以及其應力狀態(tài)兩個因素是用來衡量鋸片穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)指標，然而，對于圓鋸片來講，其動態(tài)穩(wěn)定性將直接決定其噪音的大小【1-2】。通常情況下影響和制約鋸片的動態(tài)穩(wěn)定性的主要技術(shù)參數(shù)包括以下幾個方面：鋸片厚度、夾緊比、切削力、回轉(zhuǎn)速度以及鋸片材料等多個因素，其中對鋸片的動態(tài)穩(wěn)定性影響最大的三個因素主要是：鋸片厚度、夾緊比以及回轉(zhuǎn)速度【3-4】。因此，采用有限元分析法再結(jié)合正交試驗法，研究圓鋸片在不同的厚度、夾緊比以及回轉(zhuǎn)速度條件下的固有頻率，進而分析他們對圓鋸片的動態(tài)穩(wěn)定性的影響，從而找到最優(yōu)的鋸切參數(shù)；最終，為實際鋸切消音提供重要的理論依據(jù)【5】.

1 有限元分析模型

圓鋸片在工作時由夾盤夾緊，被夾的中心部分可看成全自由度約束狀態(tài)，同時鋸片與中心軸的聯(lián)接為固定約束。故圓鋸片的有限元分析模型可簡化為一個由夾盤半徑處緊固、材質(zhì)均勻的圓環(huán)薄板。實際工作中金剛石結(jié)塊尺寸相對片體非常小，對圓鋸片整體的動態(tài)特性影響不大并且為了簡化模型，故結(jié)塊可以忽略不計。查《石材機械與工具實用手冊》取黑旋風鋸業(yè)用于高頻焊接的鑰匙孔金剛石圓鋸片，基體參數(shù)取鋸片基體直徑為400mm.

2 正交試驗設(shè)計

夾緊比、回轉(zhuǎn)速度和基體厚度對鋸片的影響頗大，是生產(chǎn)中著重考慮的因素。鋸片減振降噪的效果和鋸片的固有頻率有關(guān)：相同階次固有頻率越小，則噪聲輻射效率降低。金剛石圓鋸片的切削加工速度通常在30～55m/s.對于直徑為364mm的鋸片，其回轉(zhuǎn)速度在165～302rad/s，故回轉(zhuǎn)速度選取180rad/s、230rad/s和280rad/s 3個水平。鋸片的夾緊比選取0.2、0.3和0.4三個水平；鋸片的基體厚度選取2mm、2.2mm和2.8mm3個水平，相應的節(jié)塊厚度水平分別為2mm、2.2mm和2.8mm。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

利用ANSYS10.0對每一組試驗進行分析。鋸片的振動能量主要集中在低頻率范圍上，故提取前4階模態(tài)振型。

3.2 試驗結(jié)果分析

對所選三因數(shù)前4階模態(tài)固有頻率求極差，見表3.3。由表知，各因素對鋸片模態(tài)（0，0）、（0，1）和（0，4）固有頻率影響的主次順序為：夾緊比>厚度>回轉(zhuǎn)速度，而模態(tài)（0，2）和（0，3）固有頻率影響的主次順序為：厚度>夾緊比>回轉(zhuǎn)速度。

由于鋸片在回轉(zhuǎn)速度的作用下有“剛化作用”，抵抗鋸齒沖擊工件產(chǎn)生的切向反力，從而來減少鋸片工作過程中的扭轉(zhuǎn)振動。為此適當?shù)剡x擇回轉(zhuǎn)速度可以有效地增加鋸片的穩(wěn)定性，同時鋸片的有效回轉(zhuǎn)速度對與鋸片的固有頻率也沒有太大的影響。故回轉(zhuǎn)速度取180rad/s，即B1水平。因此，三個因素對鋸片固有頻率影響的最優(yōu)化組合水平為：A1、B1、C1，則此時：鋸片基體厚度為2.0mm，鋸片夾緊比為0.2，鋸片回轉(zhuǎn)速度為180rad/s。

表3.3 各因數(shù)對鋸片前四階模態(tài)固有頻率的極差

模態(tài) 夾緊比 回轉(zhuǎn)速度 基體厚度

（0，0） 146.9 5.5 54.3

（0，1） 581.1 31.3 344.7

（0，2） 323.9 48.2 413.5

（0，3） 839.8 41.4 908.2

（0，4） 1099.7 75.6 1035.1

通過對所選三因數(shù)的徑向和切向最大應力求極差，見表3.4。由表知，各因數(shù)對鋸片的最大徑向和切向應力影響的主次順序為：回轉(zhuǎn)速度>夾緊比>基體厚度。因此通過上述的分析可以得出：三個因素對于應力的影響最優(yōu)化參數(shù)組合為：A3、B1、C1，則此時：鋸片基體厚度為2.0mm，鋸片夾緊比為0.4，鋸片回轉(zhuǎn)速度為180rad/s。

表3.4 各因數(shù)對鋸片徑向和切向最大應力的級差

因數(shù) 回轉(zhuǎn)速度 夾緊比 基體厚度

最大切向應力 19.93 12.57 1.14

最大徑向應力 4.25 4.05 1.51

結(jié)合圓鋸片固有頻率以及最大應力分析結(jié)果，可得出夾緊比的減小可以有效的降低鋸片固有頻率，從而減小了鋸片的噪音，但能產(chǎn)生較大的應力。為此可以適當?shù)剡x擇夾緊比，即滿足了鋸片消音降噪的目的，又不會形成太大的應力場，故鋸片的夾緊比選擇A2水平。綜上分析得出各因素對鋸片最優(yōu)消音影響水平的最優(yōu)參數(shù)組合為A2、B1、C1，則此時，鋸片基體厚度為2.0mm，鋸片夾緊比為0.3，鋸片回轉(zhuǎn)速度為180rad/s。

4 結(jié) 論

1）鋸片夾緊比、厚度減小可以消音，回轉(zhuǎn)速度對其影響較小。

2）夾緊比增加可減小鋸片的徑向以及切向的最大應力；回轉(zhuǎn)速度減小可以減小徑向以及切向的最大應力，然而，圓鋸片的厚度對其影響較小。同時得到各種不同因素水平條件下對于鋸片的應力影響因素的先后順序為：回轉(zhuǎn)速度>夾緊比>基體厚度。

3）最佳消音效果的鋸切參數(shù)組合為：A2B1C1，即夾緊比為0.3，回轉(zhuǎn)速度為180rad/s，基體厚度為2.0mm。這樣即保證了鋸片良好的降噪效果，同時也滿足了鋸片動態(tài)穩(wěn)定性。

參考文獻：

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[3]臧勇，李同金，陶登奎，等.圓鋸片的有限元模態(tài)分析[J].重型機械，2002，49（1）：49-52.

[4]馬云善，李遠，徐西鵬.鋸切參數(shù)與鋸片結(jié)構(gòu)對鋸片臨界載荷影響的有限元分析[J].工具技術(shù)，2006，40（12）：18-22.