考慮焊接缺陷對雙金屬帶鋸條鋸齒切削性能的影響研究*

李 磊 ， 吳利平 ， 錢 靖 ， 劉 惺 ， 郝紅梅 ， 鄒修敏 ， 陳 麗 ， 盧學(xué)天

（1.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，四川 瀘州 646300；2.四川鐵道職業(yè)學(xué)院城市軌道交通學(xué)院，四川 成都 611730）

0 引言

雙金屬帶鋸條（以下簡稱帶鋸）是由高速鋼（齒部）和彈簧鋼（背部）通過電子束或者激光焊焊接后，再經(jīng)過一系列冷、熱加工工藝制造的鋸切工具。與其他鋸切工具相比，具有鋸切效率高、切割尺寸范圍大、斷面精度高等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中，尤其是備料工序階段。近年來，隨著被加工材料的性能不斷改善以及各制造企業(yè)對生產(chǎn)成本的控制加大，企業(yè)對加工刀具的切割效率和使用壽命等方面提出了更高要求[1]。基于此，相關(guān)的學(xué)者們對帶鋸進(jìn)行了深入研究。Sarwar M、Haider J等[2]分析了帶鋸條的銑齒工藝，因齒尖毛刺較多而影響帶鋸壽命。Lengoc L等[3]、Gendraud P等[4]研究了鋸條壽命和振動之間的關(guān)系。朱維斗[5]分析了帶鋸崩齒的原因?？镄窆獾萚6]研究了表面干噴工藝對帶鋸性能的影響，得到干噴提高帶鋸壽命的結(jié)論。陳剛等[7]研究了雙金屬CO2激光焊接工藝。賈寓真等[8]通過鋸切GCr15和空轉(zhuǎn)疲勞測試，對比了表面噴砂工藝對雙金屬帶鋸條疲勞壽命的影響。衛(wèi)壽亮等[9]對帶鋸激光焊表面缺陷進(jìn)行了分析，提出降低氣孔形成率的焊接方案。柳艷等[10]對M42-X32雙金屬帶鋸進(jìn)行了回火工藝研究，分析了其硬度下降和壽命提高的原因。李貴茂等[11]對雙金屬帶鋸條進(jìn)行了淬火處理的研究。劉國躍等[12]分析了帶鋸齒距和切削力的關(guān)系。

綜上所述，這些研究主要集中在帶鋸的齒形設(shè)計、振動機理、制造工藝等方面，對帶鋸的制造和壽命起到了較大的促進(jìn)作用，為帶鋸壽命的試驗研究提供了設(shè)備基礎(chǔ)和理論支撐，但影響帶鋸壽命更為重要的焊接工藝方面的研究主要是基于鋸切實驗進(jìn)行的，此類研究周期較長、成本較高并且需要專用的試驗設(shè)備。這嚴(yán)重影響了我國帶鋸走向高端產(chǎn)品市場的進(jìn)程，因而縮短此類研發(fā)的周期、降低研發(fā)成本，從帶鋸制造過程中的工藝缺陷對帶鋸壽命和切削性能的影響機理進(jìn)行研究，成為目前帶鋸研發(fā)中亟待解決的問題之一。

課題組提出考慮含焊接工藝缺陷的鋸齒切削力數(shù)學(xué)模型，并將焊接缺陷中典型焊縫裂紋等因素進(jìn)行參數(shù)化，通過改變?nèi)毕輩?shù)，計算切削力，從而得到了“焊接缺陷-切削力”的變化趨勢。

1 單個鋸齒切削力數(shù)學(xué)模型

1.1 鋸齒切削力模型

雙金屬帶鋸條結(jié)構(gòu)如圖1所示，由彈簧鋼和高速鋼焊接而成。雙金屬帶鋸條由多個鋸齒循環(huán)一組組成變齒形帶鋸條，一般用TPI[12]表征，其齒形根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為通用齒形、抗拉齒形、龜背齒形等。

圖1 雙金屬帶鋸條示意圖

由于其切削過程中，相當(dāng)于每個單獨鋸齒進(jìn)行切削，而每組鋸齒中，單個鋸齒受力較為類似，因此，在不考慮分齒、變齒的情況下，將單個鋸齒進(jìn)行簡化，可將其簡化為懸臂梁，裂紋分為中心裂紋、邊裂紋、表面裂紋等。本文以貫穿裂紋為例進(jìn)行計算，單個鋸齒力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 單個鋸齒力學(xué)模型

其中，F(xiàn)為單個鋸齒的受力；H為雙金屬鋸條崩齒斷裂處的長度；h為焊接裂紋尺寸；△y為裂紋中心到鋸齒中心的距離；y1為焊縫左邊部分中心到鋸齒中心的距離；y2為焊縫右邊部分中心到鋸齒中心的距離。

1.2 考慮焊接缺陷的數(shù)學(xué)模型

雙金屬帶鋸條在切削過程中，鋸齒斷裂是其中一種失效形式，而當(dāng)其在制造過程中存在焊接缺陷時，可能會造成鋸齒的崩刃。由于切削力主要和切削速度、材料等參數(shù)有關(guān)，因此，用鋸齒切削力不易表示單個鋸齒切削性能，考慮其崩刃前的瞬間，是達(dá)到了斷裂的強度極限的。若存在裂紋，則危險截面即為焊接裂紋所在位置。單個鋸齒簡化為懸臂梁模型后，其裂紋所在截面為彎矩最大的地方，因此考慮其彎曲應(yīng)力σ，以此來表征鋸齒的切削強度極限。

由材料力學(xué)彎曲應(yīng)力可知：

式中：σ為鋸齒根部的彎曲應(yīng)力；M為最大彎矩，y為最大彎矩發(fā)生處到中性軸的距離，Iz為截面對z軸的慣性矩，[σ]為需用應(yīng)力。

圖2 結(jié)構(gòu)中的參數(shù)y1、y2分別為：

將y1、y2代入式（1），得焊縫兩端的應(yīng)力分別為：

當(dāng)焊縫中心處于圖1所示位置時，由式（3）可知，σ1＞σ2，反之則σ2＞σ1；以圖1中位置為例，推導(dǎo)其“F-h”數(shù)學(xué)模型為：

當(dāng)雙金屬帶鋸條確定后，式中b、H、h、L、[σ]為常數(shù)，因此，用Fφ替代，則得到切削力的極限力F與焊縫h的關(guān)系為：

其中，F(xiàn)φ為：

2 焊接缺陷對切削力的影響分析

2.1 裂紋大小對單個鋸齒切削力影響分析

由于式（5）并非簡單的線性或規(guī)則的“F-h”關(guān)系，因此，以某型號雙金屬帶鋸條為例，探究當(dāng)裂紋位置確定時，裂紋大小對極限力的影響。相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 雙金屬帶鋸條相關(guān)參數(shù)

分別取△y為0、0.02 mm、0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm，將h由0開始取值，以0.01 μm為步長，分別計算極限力F，并繪制“F-h”圖像，如圖3所示。

由圖3可知，觀察某一曲線，當(dāng)裂紋中心偏移量△y一定時，極限切削力F隨裂紋大小h的增大而減小，并且呈現(xiàn)二次函數(shù)下降關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，當(dāng)單齒切削深度為20 μm，切削力Fc≈80 N，即此時單個鋸齒需要提供超過80 N的力，才能滿足切削要求，

圖3 F-h關(guān)系圖

而單個鋸齒切削深度增加2倍時，切削力增大1.3倍。考慮力學(xué)模型忽略變齒和分齒的影響，因此，引入影響系數(shù)n，則極限切削力F為：

用極限切削力F來表征單個鋸齒的切削性能，即當(dāng)雙金屬帶鋸條在切削過程中，如果正常工作，則切削力Fc為一確定數(shù)值，若出現(xiàn)崩齒，則說明此時該齒能承受的極限力達(dá)不到切削要求，因此，可以用單個鋸齒能承受的極限力來表征切削性能。極限切削力F越大，實際切削過程中，越不容易崩齒。

由式（7）得，當(dāng)取影響系數(shù)n=1.5，極限切削力F=120 N，以此作為單個鋸齒的失效的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)計算結(jié)果，不同△y時，極限切削力失效的臨界值如表2所示。

表2 不同△y時，h的臨界值

由表2可知裂紋中心偏移量△y超過0.164 mm時，h的臨界值為0，即△y超過此值，一旦存在裂紋，就無法滿足切削要求。隨著△y增大，h的臨界值在減小，以△y為橫坐標(biāo)、h為縱坐標(biāo)作圖，得到h臨界值與△y的關(guān)系圖，如圖4所示。

由圖4可知，h的臨界值與△y呈線性關(guān)系，即h取值在0~0.327 mm內(nèi)，△y在0~0.164 mm內(nèi)時，極限切削力F才滿足要求。

圖4 h-△y關(guān)系圖

2.2 裂紋位置對單個鋸齒切削力影響分析

為了更便于觀察裂紋位置對單個鋸齒切削力的影響。分別取h為0、0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm，將△y由0開始取值，以0.01 μm為步長，分別計算極限力F，并繪制“F-△y”圖像，如圖5所示。

圖5 F-△y圖

由圖5可知，觀察任一曲線，當(dāng)h一定時，極限切削力F隨△y增大而減小，并呈現(xiàn)二次函數(shù)下降趨勢。根據(jù)計算結(jié)果，不同h時，極限切削力失效的臨界偏移量△y的臨界值如表3所示。

表3 不同h時，△y的臨界值

根據(jù)表3，以h為橫坐標(biāo)、以△y為縱坐標(biāo)作圖，得到△y臨界值與h的關(guān)系圖，如圖6所示。

由圖6可知，△y的臨界值與h呈線性關(guān)系，進(jìn)一步驗證了圖4的分析。

圖6 △y-h關(guān)系圖

綜上所述，單個鋸齒的極限切削力F與裂紋大小h和裂紋相對位置△y均呈二次函數(shù)關(guān)系，并且是下降趨勢。且h和△y這兩個影響極限切削力的參數(shù)之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。

3 結(jié)論

課題組提出了考慮焊接工藝缺陷的鋸齒切削力數(shù)學(xué)模型，并通過公式推導(dǎo)，得到了“F-h”曲線以及“F-△y”曲線；從而揭示了當(dāng)存在焊接裂紋時，鋸齒的極限切削力與焊縫h和位置△y的關(guān)系。研究結(jié)果表明：極限切削力F與焊縫大小h和△y之間均呈二次函數(shù)下降關(guān)系；且以某雙金屬帶鋸條參數(shù)為例，分析得到△y大于0.164 mm或h大于0.327 mm時，極限切削力F將不滿足切削要求；綜上數(shù)據(jù)分析可知，裂紋大小h和相對位置△y均在一定程度上會影響極限切削力，因此，在雙金屬帶鋸條的制造中，應(yīng)充分考慮和檢測裂紋等焊接缺陷，以便提高切削性能并延長使用壽命。