圓鋸片基體輥壓適張殘余應(yīng)力試驗(yàn)與仿真研究

徐曉東 周琪 王玉奇 鞠軍偉 白碩瑋

摘要：

為了指導(dǎo)制鋸企業(yè)開展輥壓適張工藝優(yōu)化，研究輥壓適張后圓鋸片基體的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。利用有限元仿真分析圓鋸片基體輥壓適張后殘余應(yīng)力分布，并應(yīng)用X射線衍射法檢測(cè)殘余應(yīng)力，對(duì)比輥壓適張殘余應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果和有限元仿真結(jié)果，得出輥壓后圓鋸片基體殘余應(yīng)力的分布特性。研究結(jié)果表明，輥壓后圓鋸片基體徑向殘余應(yīng)力沿半徑方向呈“低－高－低”的分布趨勢(shì)，切向殘余應(yīng)力沿半徑方向呈“外正內(nèi)負(fù)”的分布規(guī)律，輥壓適張仿真模型能夠反映輥壓帶內(nèi)外兩側(cè)真實(shí)的應(yīng)力分布狀況。

關(guān)鍵詞：

圓鋸片；輥壓適張；應(yīng)力分布；有限元分析

中圖分類號(hào)：TH164

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作為一種高效的切割工具，圓鋸片在石材、木材、金屬切割等行業(yè)廣泛應(yīng)用［1］。隨著綠色制造概念的逐漸成熟和推廣，減小鋸縫寬度，縮小圓鋸片厚度成為主要發(fā)展趨勢(shì)，這對(duì)圓鋸片的穩(wěn)定性提出了更高的要求［2］。為了提高圓鋸片的穩(wěn)定性，鋸片生產(chǎn)企業(yè)廣泛采用圓鋸片適張?zhí)幚?，目前圓鋸片的適張方法有捶擊法、輥壓法、熱適張法、漲孔法等［3］。輥壓法作為一種高效的、易于控制的適張?zhí)幚矸椒?，被國?nèi)外廣泛使用。通過輥壓適張工藝改善圓鋸片基體殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)，提高鋸片工作過程的穩(wěn)定性［4］，是制鋸行業(yè)綠色制造研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。但目前各企業(yè)制定輥壓工藝時(shí)并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和原則，完全依靠相關(guān)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致生產(chǎn)的圓鋸片基體質(zhì)量一致性差，研究表明適張?zhí)幚響?yīng)在鋸片中引入與熱應(yīng)力相互抵消的切向和徑向應(yīng)力［5］。且針對(duì)一定規(guī)格的壓輥和圓盤，有經(jīng)驗(yàn)公式揭示了輥壓適張時(shí)輥壓區(qū)的膨脹、壓輥載荷和鋸片結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系，能夠計(jì)算得出鋸片內(nèi)的適張應(yīng)力［6］。以上研究提供了輥壓適張應(yīng)力分布的理論支持。以此為基礎(chǔ)，應(yīng)用彈性力學(xué)中接觸理論相關(guān)知識(shí)，使用計(jì)算機(jī)仿真軟件可以建立輥壓適張后應(yīng)力狀態(tài)的徑向分析模型［7］。通過仿真模型可以分析輥壓適張后圓鋸片的殘余應(yīng)力分布，根據(jù)較好的應(yīng)力分布確定最佳輥壓參數(shù)［8］。為了更準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)輥壓適張應(yīng)力的仿真，本文使用ABAQUS有限元仿真軟件研究了圓鋸片基體輥壓適張殘余應(yīng)力仿真模型的構(gòu)建方法，通過實(shí)例分析輥壓適張產(chǎn)生的應(yīng)力分布規(guī)律；然后使用X射線衍射法對(duì)輥壓前后的圓鋸片基體進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，并將試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

1 圓鋸片基體輥壓適張殘余應(yīng)力仿真分析

1.1 仿真模型的建立

圓鋸片基體包含鋸齒、水槽等，材質(zhì)為65Mn，厚度2.4 mm（圖1）。圓鋸片基體在輥壓過程中產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系呈非線性［9］。為了保證仿真模型的準(zhǔn)確性，圓鋸片基體材料的建模過程涉及的彈性模量、泊松比、剪切模量等材料屬性均由測(cè)試試驗(yàn)［10］獲取，材料試驗(yàn)機(jī)為MTS（美國MTS公司，Landmark100），應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖如圖2所示。

輥壓適張仿真模型由圓鋸片基體與輥壓輪組成，輥壓輪材料Gr12MoV。輥壓過程中，鋸片基體受輥壓產(chǎn)生的應(yīng)力值達(dá)到屈服極限而發(fā)生一定塑性變形［11］；輥壓輪的硬度與剛度遠(yuǎn)大于圓鋸片基體，發(fā)生的微量彈性變形忽略不計(jì)。因此，基于ABAQUS有限元仿真建模時(shí)，圓鋸片基體65Mn定義為材料非線性，輥壓輪定義為剛體［12］。試驗(yàn)測(cè)得圓鋸片材料的彈性模量210 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度1 100 MPa，剪切模量76.9 GPa。

輥壓輪與圓鋸片設(shè)定為“面－面”接觸，單元類型設(shè)置為C3D8R［13］，采用顯式動(dòng)力學(xué)［14］求解。模型定義的單元類型為八結(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元，此單元類型在網(wǎng)格扭曲變形時(shí)，對(duì)求解精度影響較小，能夠減小輥壓帶處網(wǎng)格變形帶來的影響。有限元模型如圖3所示，設(shè)定鋸片模型的邊界條件為中心約束，對(duì)輥壓輪創(chuàng)建壓向圓鋸片基體50 MPa的載荷，輥壓位置位于圓鋸片0.7R處，輥壓的時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為2 s。

1.2 仿真結(jié)果分析

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理，得到輥壓后圓鋸片基體的切向及徑向殘余應(yīng)力分布云圖［15］（圖4）。沿半徑方向提取A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K點(diǎn)應(yīng)力的分布曲線，F(xiàn)點(diǎn)為輥壓半徑位置，其余點(diǎn)分別均布于輥壓帶的內(nèi)外兩側(cè)（圖5）。結(jié)合應(yīng)力分布云圖和曲線可以看出，徑向殘余應(yīng)力在輥壓帶內(nèi)側(cè)為負(fù)值，即壓應(yīng)力，且越靠近輥壓帶數(shù)值越大，在輥壓帶外側(cè)由負(fù)值變?yōu)檎?，且越靠近輥壓帶?shù)值越大，沿半徑方向呈現(xiàn)“低－高－低”的分布趨勢(shì)；切向和徑向殘余應(yīng)力在輥壓帶位置均達(dá)到最大，切向殘余應(yīng)力在輥壓帶內(nèi)側(cè)為負(fù)值（壓應(yīng)力），在輥壓帶外側(cè)為正值（拉應(yīng)力），呈現(xiàn)“外正內(nèi)負(fù)”的分布規(guī)律，且內(nèi)外兩側(cè)切向殘余應(yīng)力值的大小在±10 Mpa之內(nèi)。

2 圓鋸片基體輥壓適張殘余應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 檢測(cè)試驗(yàn)

圓鋸片基體殘余應(yīng)力檢測(cè)位置標(biāo)定見圖6，F(xiàn)為輥壓半徑位置，A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K點(diǎn)檢測(cè)點(diǎn)位置與提取點(diǎn)一致。試驗(yàn)采用KWH-SP1000型輥壓應(yīng)力調(diào)校機(jī)對(duì)圓鋸片基體進(jìn)行輥壓適張?zhí)幚恚?6］，輥壓載荷為50 MPa，輥壓位置位于圓鋸片基體的0.7R處。

檢測(cè)輥壓前后各點(diǎn)殘余應(yīng)力時(shí)，使用儀器為Proto iXRD Combo型X射線衍射儀，檢測(cè)方法為側(cè)傾法［17］，輥壓前后各點(diǎn)的切向及徑向殘余應(yīng)力值見表1。

2.2 結(jié)果分析

由各檢測(cè)點(diǎn)殘余應(yīng)力可得圓鋸片基體輥壓前后徑向及切向應(yīng)力的分布趨勢(shì)。圖7（a）為輥壓前后徑向殘余應(yīng)力及其凈增量沿半徑方向變化趨勢(shì)，輥壓產(chǎn)生的徑向應(yīng)力變化量為負(fù)值，即壓應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在輥壓帶F點(diǎn)處，向輥壓帶兩側(cè)逐漸減小，沿半徑方向呈現(xiàn)“低－高－低”的分布趨勢(shì)，這與仿真所得的徑向殘余應(yīng)力“低－高－低”的分布規(guī)律一致。對(duì)比輥壓前后徑向應(yīng)力分布，輥壓前徑向方向同時(shí)存在正應(yīng)力和負(fù)應(yīng)力，輥壓后均為負(fù)應(yīng)力。同時(shí)可以觀測(cè)到輥壓后圓鋸片沿半徑方向的應(yīng)力差明顯減小，徑向應(yīng)力分布均勻性有所改善。

圖7（b）所示為檢測(cè)點(diǎn)輥壓前后切向殘余應(yīng)力及其凈增量沿半徑方向變化趨勢(shì)。輥壓產(chǎn)生的切向應(yīng)力沿半徑方向呈現(xiàn)出“外正內(nèi)負(fù)”的分布趨勢(shì)，這與仿真所得的切向殘余應(yīng)力“外正內(nèi)負(fù)”的分布規(guī)律一致。F點(diǎn)處輥壓產(chǎn)生的切向應(yīng)力為負(fù)值（壓應(yīng)力），并隨著鋸片半徑的增大逐漸由負(fù)值（壓應(yīng)力）轉(zhuǎn)變?yōu)檎担ɡ瓚?yīng)力），且越靠近鋸片邊緣，產(chǎn)生的拉應(yīng)力越大。而輥壓帶內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的壓應(yīng)力隨著半徑的減小呈現(xiàn)“先減小后增大”的現(xiàn)象，且越靠近圓心壓應(yīng)力越大。

輥壓帶處的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果有所差異：徑向應(yīng)力的仿真值為正，而試驗(yàn)值為負(fù)；切向應(yīng)力試驗(yàn)值遠(yuǎn)小于仿真值。差異產(chǎn)生的原因是輥壓帶位置發(fā)生了塑性變形，材料晶粒伸長(zhǎng)或破碎，晶格應(yīng)變對(duì)sin2ψ呈現(xiàn)非線性關(guān)系。只有通過特定測(cè)試方法或數(shù)據(jù)處理，才能得到輥壓帶處真實(shí)的殘余應(yīng)力值［18］。實(shí)際在分析圓鋸片適張程度時(shí)，主要考察是輥壓帶內(nèi)外兩側(cè)的應(yīng)力分布情況，因此輥壓帶內(nèi)部殘余應(yīng)力分布可不做深入分析。

在輥壓帶內(nèi)外兩側(cè)，輥壓適張測(cè)試結(jié)果與仿真測(cè)試結(jié)果相一致，而在輥壓帶內(nèi)部，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在差異；仿真模型可以反映輥壓帶內(nèi)外兩側(cè)真實(shí)的應(yīng)力分布狀況和輥壓帶內(nèi)部的應(yīng)力分布趨勢(shì)，可以為企業(yè)開展輥壓工藝優(yōu)化提供借鑒。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用輥壓適張殘余應(yīng)力仿真分析與試驗(yàn)分析兩種方法分析了小規(guī)格圓鋸片基體輥壓適張殘余應(yīng)力分布特性。輥壓適張產(chǎn)生的徑向殘余應(yīng)力沿半徑方向呈“低－高－低”的分布趨勢(shì)，且輥壓后圓鋸片徑向殘余應(yīng)力分布均勻性改善，應(yīng)力差最大值減小。輥壓適張產(chǎn)生的切向殘余應(yīng)力沿半徑方向呈“外正內(nèi)負(fù)”的分布規(guī)律，且輥壓帶內(nèi)外側(cè)切向殘余應(yīng)力值大小在±10 Mpa之內(nèi)，該應(yīng)力分布特性能夠提高圓鋸片鋸切時(shí)的穩(wěn)定性。在輥壓帶內(nèi)外兩側(cè)，輥壓適張?jiān)囼?yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相一致，表明仿真模型能夠反映輥壓帶內(nèi)外兩側(cè)真實(shí)的應(yīng)力分布狀況和輥壓帶內(nèi)部的應(yīng)力分布趨勢(shì)。本次研究只考慮單一輥壓參數(shù)下殘余應(yīng)力的分布，并沒有考慮在不同輥壓適張參數(shù)下殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，后續(xù)研究應(yīng)將加入輥壓位置等因素，建立更完善的仿真計(jì)算模型。

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Experiment and Simulation? Research of Residual Stress

in Circular Saw Blade Matrix under Roll Tensioning

XU? Xiao-dong1， ZHOU Qi1， WANG Yu-qi1， JU Jun-wei2， BAI Shuo-wei1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

2. Hein （Shandong） Superhard Tools MFG. Co.， LTD.， Rizhao 262306， China）

Abstract：

The residual stress distribution of the body of circular sawblade after rolling tension was studied in order to guide the optimization of the process of rolling tension. The residual stress distribution of a circular sawblade was calculated by the finite element analysis （FEA） method and it was also measured by the X-ray diffraction. The characteristics of the residual stress distribution the circular sawblade were summerized by comparing the experimental results and the FEA results. The results show that the radial residual stress of the body of circular sawblade after rolling tension presents a distribution trend of “l(fā)ow-high-low” along the radius direction; meanwhile， the tangential residual stress presents the distribution law of “positive outside and negative inside” along the radius direction. The simulation model obtained in this paper can reflect the real stress distribution conditions on both sides of the rolled-zone.

Keywords： circular saw blade; roll tensioning; residual stress distribution; finite element

收稿日期：2023-05-25

基金項(xiàng)目：

國家自然科學(xué)基金青年基金（批準(zhǔn)號(hào)：70701109）資助；山東省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：ZR2020QE016）。

通信作者：

白碩瑋，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榫G色設(shè)計(jì)與制造、清潔生產(chǎn)理論與技術(shù)。E-mail：baishuowei1@163.com