1.4/2.0T型雙金屬帶鋸條齒形參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

陳金濱，柳艷，李貴茂，仲雨晴，李海坤

1遼寧科技學(xué)院冶金工程學(xué)院；2遼寧科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

雙金屬帶鋸條作為一種性能優(yōu)越的金屬切割刀具，在不銹鋼、鋁合金和軸承鋼等不同類型的金屬鋸切方面都表現(xiàn)出了其優(yōu)越性，滿足了不同用戶的需求[1]。近年來，國產(chǎn)雙金屬帶鋸條的技術(shù)水平得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但與國外同產(chǎn)品相比仍然存在差距，各個帶鋸條企業(yè)也正著手不斷改進(jìn)帶鋸條的生產(chǎn)工藝，提高鋸切效率。

在帶鋸條的生產(chǎn)工藝中，影響因素很多[2]，經(jīng)過在本溪工具股份有限公司實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該企業(yè)生產(chǎn)的原1.4/2.0型雙金屬帶鋸條相比于國外一些產(chǎn)品具有使用壽命短和切面不平整現(xiàn)象[3]。本文主要從齒形設(shè)計著手，根據(jù)加工材料的特性、規(guī)格等，利用仿真模擬軟件優(yōu)化齒形參數(shù)，設(shè)計出最優(yōu)的刀具前角、后角、齒槽和分齒量等重要參數(shù)組合，提高鋸切效率和切削表面質(zhì)量，延長使用壽命。

2 鋸切過程數(shù)值模擬研究

2.1 刀具前角對鋸切過程的影響

根據(jù)對齒形相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和工廠設(shè)備所能保證產(chǎn)品質(zhì)量的最大角度、最小角度和加工精度，采用控制單一變量實驗法，確定5個刀具前角變量參數(shù)為8°，9°，10°，11°，12°，后角取30°。

模擬參數(shù)設(shè)置為鋸切長度20mm，鋸切寬度1.6mm，切削速度60m/min，齒尖圓弧0.01mm，切削初始溫度為20℃，進(jìn)給量0.3mm，刀具材料M35，工件材料AISI-1020，模擬添加冷卻劑。通過軟件的遞交求解功能，得出刀具切完指定工件后的熱力場分布見圖1，整個切削過程的力學(xué)變化曲線見圖2。

圖1 溫度場分布

圖2 切削力分布曲線

由圖1可知，鋸切過程中齒尖部位承受最高的溫度，當(dāng)溫度太高時，刀具前角易產(chǎn)生積屑瘤，影響已加工表面質(zhì)量，并且積屑瘤會增加前角受到的X方向切削力，造成帶鋸條的齒尖斷齒或通過齒尖將應(yīng)力傳遞到帶鋸條的背帶上，使帶鋸條在應(yīng)力集中的地方斷開，降低帶鋸條的壽命，因此應(yīng)該選取切削溫度低的齒形參數(shù)。

由圖2可知，切削力曲線由0開始，隨著刀具與工件相對運動，工件開始發(fā)生彈性形變，當(dāng)?shù)毒呖朔ぜ那?qiáng)度后，工件發(fā)生塑性變形，此時應(yīng)力達(dá)到最大值，隨后便下降并趨于穩(wěn)定直至斷裂。為了減小切削阻力，應(yīng)該選擇受力較低的齒形參數(shù)。

圖3為不同前角下的切削力和溫度曲線?？芍?dāng)?shù)毒咔敖菫?2°時，齒尖X方向阻力最小，附加切削力相差不大；齒尖在Y方向的進(jìn)給阻力最小，附加進(jìn)給力差別不大，齒尖平均溫度最低。因此，通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，齒前角12°為優(yōu)化參數(shù)。

圖3 前角變化對切削力和鋸切溫度的影響

2.2 后角對鋸切過程的影響

前角取12°，對后角進(jìn)行模擬分析，設(shè)后角分別為33°，33.5°，34°，34.5°，35°。其他試驗參數(shù)不變，圖4為模擬計算后的不同后角齒尖切削力和溫度的變化曲線?？芍?，當(dāng)后角達(dá)到34°時，X方向和Y方向切削阻力最小，鋸切平均溫度為487.96℃，是五組內(nèi)的最低鋸切溫度。因此可以得出，在齒形的前角為12°、后角為34°時，齒尖的切削力最小，溫度相對較低，為最優(yōu)參數(shù)組合。

圖4 后角變化對切削力和鋸切溫度的影響

2.3 分齒高度對鋸切過程的影響

前角取12°，后角取34°，設(shè)置分齒高度分別為3.2mm，3.4mm，3.6mm，3.8mm，4.0mm進(jìn)行三維模擬實驗，其中，分齒高度為3.4mm時，在X，Y，Z方向上的切削力較小(見圖5)，因此，分齒高度3.4mm為優(yōu)化參數(shù)。

圖5 分齒高度3.4mm對切削力的影響

2.4 分齒量對鋸切過程的影響

固定刀具前角12°、后角34°、分齒高度3.4mm。設(shè)置分齒量分別為0.52mm，0.54mm，0.56mm，0.58mm，0.60mm。其他參數(shù)設(shè)置相同，計算機(jī)模擬結(jié)果見圖6。在鋸切過程中，切削力和回彈力的加大，極易造成帶鋸條鋸切斷面質(zhì)量差、鋸路尺寸不精準(zhǔn)等加工誤差。從經(jīng)濟(jì)角度分析，分齒量越大，鋸路會越寬，鋸切產(chǎn)生的切屑和工件的浪費也就越多，所以一般在力學(xué)上表現(xiàn)好的齒尖設(shè)計，應(yīng)盡量選擇分齒量小的分齒，既能保證切削精度，也能延長帶鋸條壽命。

圖6中，分齒量為0.52mm時，X，Y，Z方向的切削力均最低，并且鋸切溫度也相對較低，因此分齒量0.52mm為優(yōu)化參數(shù)。

圖6 分齒量變化對切削力和鋸切溫度的影響

2.5 不同分齒組合對鋸切過程的影響

日常生產(chǎn)中有兩種分齒組合形式，一種是五變齒循環(huán)組合：中齒、左分齒、右分齒、左分齒、右分齒，第二種是七變齒循環(huán)組合：中齒、左分齒、右分齒、左分齒、右分齒、左分齒、右分齒[4]。五變齒的優(yōu)點是鋸切過程中鋸路精準(zhǔn)，缺點是比七變齒鋸切效率略低；七變齒優(yōu)點在于鋸切效率高，鋸路更寬不容易發(fā)生夾鋸等問題，缺點在于有時鋸路不夠精準(zhǔn)，鋸路過寬影響工件尺寸和浪費工件材料。為探究哪種變分齒組合更適合新齒形，設(shè)定刀具前角為12°，后角為34°，分齒高度為3.4mm，分齒量為0.52mm，變量為五變齒組成的三十五齒和七變齒組成的三十五齒兩組試驗。試驗結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 五變齒對切削力的影響

圖8 七變齒對切削力的影響

由圖可見，在仿真鋸切過程中五變齒在X方向的切削力較七變齒大了將近600N，這是因為中齒比分齒承受了更多切削阻力，中齒越多，切削力越大，而Y方向切削力差距不大。在Z方向上兩組試驗的切削力約差200N，這是因為每七組齒比五組齒多了兩個分齒，分齒越多承受的回彈力越大，但是分齒越多鋸切過程的排屑也更流暢，而排屑是鋸切過程中降低鋸切熱的主要方式，所以七變齒組比五變齒組的平均鋸切溫度更低。所以在新齒形中，七變齒雙金屬帶鋸條具有更好的鋸切性能。

3 鋸切過程試驗研究

按照優(yōu)化的齒形參數(shù)，利用激光切割設(shè)備生產(chǎn)加工帶鋸條并進(jìn)行實際鋸切實驗，主要與原1.4/2.0型雙金屬帶鋸條相比較，以檢驗新型帶鋸條的使用壽命、切面質(zhì)量及切削形貌。

3.1 切削效率研究

帶鋸條的主要作用是鋸切工件或者坯料。所以，同樣材質(zhì)的帶鋸條鋸切次數(shù)越多或者使用時間越長，切削壽命越長[5]。試驗分4組進(jìn)行，采用新齒形帶鋸條和原帶鋸條分別對軟材和硬材進(jìn)行切割，結(jié)果見表1。

表1 不同齒形的帶鋸條鋸切結(jié)果

如表1所示，同樣規(guī)格和材料的不同齒形雙金屬帶鋸條在鋸切硬測試棒料時，新齒形帶鋸條鋸切了30鋸，比原齒形帶鋸條多鋸了10鋸，鋸切數(shù)量提升了50%，鋸切效率提升了10.8鋸/h。新齒形鋸切軟棒料的能力更是比原齒形多30鋸，鋸切數(shù)量提升了60%，平均鋸切效率大約提升了19.2鋸/h。從試驗數(shù)據(jù)可以得出，新齒形較原齒形在鋸切效率方面有較大的提升。

3.2 切面質(zhì)量研究

雙金屬帶鋸條主要用于棒料或型材的切斷工作，對于切面的質(zhì)量要求較高，切面要求無偏鋸現(xiàn)象發(fā)生，而偏鋸現(xiàn)象的發(fā)生主要由分齒量和分齒高度的共同作用[6]。為對比新型齒形帶鋸條的分齒量和分齒高度等參數(shù)的合理性，各取一條帶鋸條進(jìn)行實體對比試驗。試驗中的各項設(shè)置參數(shù)、機(jī)械設(shè)備和測試棒料材料均相同，試驗結(jié)果見圖9。

(a)原齒形帶鋸條鋸切第一刀

(b)原齒形帶鋸條鋸切最后一刀

(c)新齒形帶鋸條鋸切第一刀

(d)新齒形帶鋸條鋸切最后一刀

如圖所示，兩種帶鋸條鋸切第一刀后的試樣切面均很平整規(guī)則、鋸路均勻且清晰，差異不大，但新齒形和原齒形帶鋸條在失效前鋸切最后一刀的切面差異很大。圖9b是原齒形帶鋸條最后一刀的切面，在切面的1/4處和2/5處都出現(xiàn)了較大距離的鋸路且在2/5處開始切面分層，切面質(zhì)量很差，會對工件的進(jìn)一步加工造成困難。圖9d中新齒形帶鋸條最后一刀的切面平整光滑，未出現(xiàn)原齒形帶鋸條鋸切最后切面的分層問題，保證了加工精度，便于其他工位的再加工。

3.3 切屑形貌研究

切屑的排出取決于不同分齒量所形成切屑的形狀和長短，所以為了檢驗新齒形帶鋸條的排屑能力，將新齒形帶鋸條與原齒形帶鋸條切屑進(jìn)行對比。實驗中，除帶鋸條齒形不同外，其他條件均相同。

圖10a為原齒形帶鋸條在開始鋸切時產(chǎn)生的切屑，形狀呈螺旋狀，長度適中，顏色明亮，在鋸切過程中散熱較好。圖10b為原齒形帶鋸條在失效前鋸切時產(chǎn)生的切屑，形狀呈極不規(guī)則的崩碎狀，顏色發(fā)黑，鋸切過程溫度較高，排屑效果差，且呈崩碎狀，切屑體積小，極易脫離齒槽進(jìn)入帶鋸條與工件切面的空隙中，對切面造成劃傷，降低切面的質(zhì)量。圖10c是新齒形帶鋸條在開始鋸切時產(chǎn)生的切屑，切屑形狀規(guī)則，呈螺旋帶狀，顏色亮白，有利于鋸切散熱。圖10d是新齒形帶鋸條在失效前產(chǎn)生的切屑，形狀呈現(xiàn)卷狀，顏色發(fā)暗。長度較第一鋸時減小，但仍呈卷狀隨帶鋸條的齒槽排出，能夠起到很好的散熱作用，切屑順利排出也降低了切屑劃傷切面的概率，提高了切面質(zhì)量。

(a)原齒形第一鋸切屑

(b)原齒形最后一鋸切屑

(c)新齒形第一鋸切屑

(d)新齒形最后一鋸切屑

4 結(jié)語

通過使用有限元仿真模擬軟件對雙金屬帶鋸條的齒形參數(shù)進(jìn)行模擬研究和實際鋸切對比試驗相結(jié)合的方法，探究一種新的用于鋸切模具鋼的新齒形雙金屬帶鋸條，本文研究主要內(nèi)容總結(jié)如下：

(1)通過鋸切模擬對切削力和溫度的影響分析，得出當(dāng)?shù)毒咔敖菫?2°、后角為34°時，分齒高度為3.4mm，分齒量為0.52mm，雙金屬帶鋸條在鋸切時齒尖各個方向的切削力明顯低于其他齒形，從而有利于提高鋸齒的鋸切效率和切削性能。

(2)通過在鋸切模擬實驗中分齒數(shù)組合對鋸齒切削力和溫度的影響分析，得出當(dāng)分齒組合為7時，新齒形雙金屬帶鋸條在鋸切時切削力增大，出現(xiàn)附加進(jìn)給力，導(dǎo)致鋸切效率提高，切削性能較好。

(3)新齒形比原齒形帶鋸條鋸切數(shù)量提升了50%，鋸切速度提升了10.8鋸/h，切面質(zhì)量也大幅提高。用于鋸切模具鋼的新型雙金屬帶鋸條最優(yōu)齒形參數(shù)組合是刀具前角為12°、后角為34°、分齒高度為3.4mm、分齒量為0.52mm、分齒排列組合為七變齒，此時鋸條磨損最低，使用壽命較長，鋸切速率提高，鋸切性能較好。