Ф350 mm金剛石鋸片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

王蔭真，張慧菊，周紹鴻，焦雪妍

(廈門工學院 柔性制造裝備集成福建省高校重點實驗室，福建 廈門 361021)

0 引言

隨著國家石材產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，金剛石鋸片的需求量劇增，同時對其使用壽命、良品率的要求也越來越高，因此研究和開發(fā)新型的雕刻工具具有一定的研究空間，具有重要的研究意義[1-2]。結(jié)合科研團隊對福建省石材廠的走訪調(diào)查結(jié)果，本文基于ANSYS對Ф350 mm金剛石鋸片進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終達到更優(yōu)性能的目的。

1 鋸片原模型的建立及靜力學分析

1.1 鋸片靜力學模型

在石材加工時，金剛石鋸片主要依靠節(jié)塊上的金剛石顆粒將材料磨去[3]，受力過大易導致金剛石顆粒脫落，從而造成刀具壽命降低。本文對金剛石鋸片進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而改善刀具切削時的受力情況，提高刀具性能。本文研究的金剛石鋸片來源于福建省某石材加工廠，核對其尺寸并建立模型，鋸片見圖1，模型見圖2。鋸片由34個節(jié)塊焊接在基體上，材料參數(shù)見表1，尺寸參數(shù)見表2。

圖1 Ф350 mm金剛石鋸片實物圖Fig.1 Real productpicture of Ф350 mmdiamond saw blade

圖2 金剛石鋸片原模型Fig.2 Original model of diamond saw blade

表1 金剛石鋸片材料表Table 1 List of diamond saw blade materials

表2 金剛石鋸片結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of diamond saw blade

1.2 鋸片原模型的有限元分析

使用ANSYS Workbench進行靜力學分析時，將幾何體的單元尺寸設置為3 mm，用六面體的網(wǎng)格類型進行多區(qū)域的網(wǎng)格詳細劃分，將鋸片模型劃分成75 662個節(jié)點和10 106個單元，如圖3所示。在金剛石鋸片的中心內(nèi)孔施加固定支撐約束，金剛石鋸片模型內(nèi)孔施加一個圓柱形支撐，添加軸向和切向位移固定約束，轉(zhuǎn)速值為1000 r/min。添加載荷切向力Ft=257 N，徑向力Fn=59 N(切深20 mm)[3-5]。載荷及約束施加結(jié)果見圖4。通過計算得出鋸片的仿真[6]結(jié)果見圖5和圖6，最大應變和應力都在鑰匙孔的邊緣處，最大等效應力為63 MPa。

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh model

圖4 約束及載荷施加情況Fig.4 Constraint and load application condition

圖5 金剛石鋸片應變圖Fig.5 Strain diagram of diamond saw blade

圖6 金剛石鋸片應力圖Fig.6 Stress diagram of diamond saw blade

2 優(yōu)化方案確定以及靜力學分析

2.1 優(yōu)化方案的確定

金剛石鋸片的優(yōu)化方案如下：

方案一：通過改變節(jié)塊數(shù)量建立模型進行模擬分析。

方案二：通過改變降噪孔數(shù)量、直徑或距離安裝孔的圓心距建立模型進行模擬分析。

方案三：通過改變鑰匙孔直徑建立模型進行模擬分析。

方案四：通過改變鑰匙槽結(jié)構(gòu)建立模型進行模擬分析。

將以上四種方案中的分析結(jié)果與原有模型的相應值進行比對，以提高金剛石鋸片的力學性能為主要目標，從而確認鋸片的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

2.2 節(jié)塊數(shù)量的確定

固定鑰匙槽寬度不變，改變節(jié)塊數(shù)量，分別建立節(jié)塊數(shù)量為26、28、30、34、38、40的鋸片模型，對模型進行約束加載，并用ANSYS Workbench軟件進行靜力學分析，得到節(jié)塊數(shù)與應力關系(圖7)。由圖7可知，金剛石鋸片的最大等效應力會隨著節(jié)塊數(shù)量的增加而增加，即節(jié)塊越多，應力集中趨勢越明顯。但是節(jié)塊越少會造成節(jié)塊與基體焊接難度增加，從而增加制造成本，且導致同時參與切削的節(jié)塊數(shù)減少，造成平穩(wěn)性降低。綜合考慮，節(jié)塊數(shù)量選擇30。

圖7 節(jié)塊數(shù)與應力關系Fig.7 Relationship curve betweensegment number and stress

2.3 降噪孔數(shù)的確定

在鋸片節(jié)塊數(shù)量為30且鑰匙槽寬度為3 mm的前提下，改變降噪孔數(shù)量，建立孔數(shù)為0、2、4、6、8的金剛石鋸片模型，分析得到不同降噪孔數(shù)量的金剛石鋸片等效應力值(圖8)。由圖8可得，金剛石鋸片的最大等效應力會隨著降噪孔數(shù)量的增加而減少，即降噪孔數(shù)有助于減輕應力集中?？讛?shù)為6和8的應力值相近，而孔數(shù)越多加工成本越高，因此選擇降噪孔數(shù)量為6。

圖8 降噪孔數(shù)與應力關系Fig.8 Relationship curve between noise reduction hole number and stress

2.4 鑰匙槽寬度的確定

基于節(jié)塊數(shù)量及降噪孔數(shù)的結(jié)果，改變金剛石鋸片鑰匙槽寬度，設為2、3、4、5、6 mm，并建模以及對模型進行約束加載，分析得到鑰匙槽寬、受載變形量和等效應力關系(圖9)。由圖9結(jié)果可得，金剛石鋸片模型的最大等效應力會隨著鑰匙槽寬度的增加而變化，變化無規(guī)律。但變形程度會隨著鑰匙槽直徑的增加而減少，因此綜合選擇鑰匙槽寬度為6 mm。

圖9 鑰匙槽寬與受載變形量和應力的關系Fig.9 Relationship curve between key slot width and load deformation and stress

2.5 鑰匙槽深度的確定

基于以上模擬結(jié)果改變鑰匙槽深度，深度值分別為24、26、27、30、33 mm，建立金剛石鋸片模型，對模型進行約束加載，并用ANSYS Workbench軟件進行靜力學分析，得到鑰匙槽深度與等效應力關系曲線(圖10)。由圖10數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后的金剛石鋸片模型的最大等效應力會隨著鑰匙槽深度的增加而增加。即鑰匙槽深度越深，越容易引起應力集中，從而越容易被破壞。綜上選擇槽的深度為26 mm。

圖10 鑰匙槽深與應力關系曲線Fig.10 Relationship curve between key slot depth and stress

2.6 鑰匙孔直徑的確定

基于以上模擬結(jié)果改變鑰匙孔直徑，直徑分別為4、6、8、10、12 mm，分別建立金剛石鋸片的模型，對模型進行約束加載，用ANSYS Workbench軟件進行靜力學分析得到孔徑與應力關系曲線(圖11)?？傻媒饎偸徠淖畲蟮刃S著鑰匙孔徑的增加而增加，即鑰匙孔直徑越大，越容易引起應力集中，也越容易被破壞。且超過鑰匙槽寬度時，等效應力會相應增加。由于鑰匙槽寬度為6 mm，同時考慮便于加工原則，選擇鑰匙孔的直徑為6 mm。

圖11 鑰匙孔直徑與應力關系曲線Fig.11 Relationship curve between key hole diameter and stress

2.7 降噪孔圓心距離安裝孔圓心的距離確定

在上述優(yōu)化參數(shù)的基礎上，分別建立降噪孔的圓心與安裝孔圓心的距離分別為60、65、70、75、80 mm的金剛石鋸片模型，對模型進行約束加載，并用ANSYS Workbench軟件進行靜力學分析得到孔距與等效應力關系(圖12)。結(jié)合圖12的等效應力值和變化趨勢，可知降噪孔的位置對加工所受應力的影響不大。因此折中取降噪孔圓心距離安裝孔圓心的距離為70 mm。

圖12 孔心距與應力關系曲線Fig.12 Relationship curve between hole center distance and stress

2.8 降噪孔直徑的確定

在上述優(yōu)化參數(shù)的基礎上改變降噪孔直徑，分別建立降噪孔直徑大小為8、10、13、15、17 mm的金剛石鋸片模型，對模型進行約束加載，并用ANSYS Workbench軟件進行靜力學分析得到降噪孔直徑與等效應力關系(圖13)，從圖13中數(shù)值發(fā)現(xiàn)，降噪孔直徑的大小對金剛石鋸片的最大等效應力影響不大，取降噪孔直徑為15 mm。

圖13 降噪孔直徑與應力關系曲線Fig.13 Relationship curve between noise reduction hole diameter and stress

3 原模型和優(yōu)化模型的數(shù)據(jù)對比及分析

通過有限元分析，得出優(yōu)化后的鋸片模型，其節(jié)塊數(shù)量為30，降噪孔為6個，降噪孔直徑15 mm，距離安裝孔圓心70 mm，鑰匙槽寬6 mm，鑰匙槽深26 mm，鑰匙孔直徑為6 mm。優(yōu)化前后的金剛石鋸片各個力學參數(shù)值見表3。

表3 原鋸片與優(yōu)化后鋸片的力學參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of original saw blade and optimized saw blade

由表3可知，優(yōu)化后的鋸片在等效應力方面有較明顯的改善。在約束和載荷相同的條件下，優(yōu)化后的鋸片所產(chǎn)生的最大等效應力對比原鋸片下降了43.4%，同時在最大變形量和最大彈性應變量的數(shù)值上也有相應改善，減少量分別為28%和43%，因此優(yōu)化鋸片剛度等性能有所提高。

4 結(jié)論

本文基于有限元軟件ANSYS Workbench，改變相應參數(shù)進行模擬分析，得到優(yōu)化后的鋸片模型。優(yōu)化模型的具體參數(shù)：鋸片外徑為350 mm，基體直徑為322 mm，節(jié)塊數(shù)量為30，降噪孔數(shù)量為6，鋸片安裝孔直徑為50 mm，降噪孔直徑為15 mm，降噪孔圓心距安裝孔圓心距為70 mm，鑰匙槽寬度為6 mm，鑰匙槽深為26 mm，鑰匙孔直徑為6 mm，相對原有模型，優(yōu)化后的模型的等效應力最大減少27.54 MPa，減少量達43.4%。