鋸切參數(shù)對圓鋸片消音的影響及優(yōu)化

鄔玉玉

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(yīng)力，回轉(zhuǎn)速度減小可減小徑向和切向最大應(yīng)力，而圓鋸片厚度對其影響較小。三因素對鋸片應(yīng)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(yīng)用。圓鋸片在鋸切過程中產(chǎn)生巨大噪聲污染，工作噪音達(dá)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(jìn)行鋸切加工過程中的固有頻率以及其應(yīng)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(biāo)，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。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。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(jìn)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).

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(fēng)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(yīng)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對表2.2中每一組試驗進(jìn)行分析，結(jié)果見下表。鋸片的振動能量主要集中在低頻率范圍上[10]，故提取前4階模態(tài)振型，正交試驗應(yīng)力表見表3.1

3.2 試驗結(jié)果分析

通過表3.1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(dāng)?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。

通過表3.2對所選三因數(shù)的徑向和切向最大應(yīng)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(yīng)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(yīng)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。

結(jié)合圓鋸片固有頻率以及最大應(yīng)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(yīng)力。為此可以適當(dāng)?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(yīng)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(yīng)力；回轉(zhuǎn)速度減小可以減小徑向以及切向的最大應(yīng)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(yīng)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(xiàn)：

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