凌峰 发表于 2019-12-5 07:59:57

金刚石锯片基体不平衡质量修磨策略研究

金刚石锯片基体不平衡质量修磨策略研究张明松 ZHANG Ming-song;蒋思希 JIANG Si-xi;张熊 ZHANG Xiong;王宏 WANG Hong;苏志成 SU Zhi-cheng(三峡大学机械与动力学院,宜昌443002)(College of Mechanical&Power Engineering,China Three Gorges University,Yichang 443002,China)摘要:建立金刚石圆锯片的切削力分析模型,对不平衡质量的修磨策略进行分析,探讨单个水槽修磨深度和合适个数的修磨方法。分析结果表明,合理的深度和大小分配,能增加修磨效率,改善水槽应力分布。关键词:金刚石锯片基体;不平衡质量;修磨0 引言由于金刚石圆锯片直径与厚度的比值较大,加工石材过程中会产生较大的振动。而在旋转机械中,由振动故障统计结果表明,引起振动过大的激振力中有90%是旋转体不平衡引起的。减少旋转体振动的有效方法就是对其进行平衡校正。在现有的平衡校正中,通常是先使用普通的平衡机进行不平衡量的测量,而后由操作工人根据测量结果及自身经验来进行不平衡量的去重操作。测量和去重工序重复多次之后才能达到一定的精度要求,生产效率较低、平衡精度稳定性难以保证,而且基体上留下多处去重时的痕迹,往往会影响到产品的质量。本文分析中的圆锯片采用宜昌黑旋风生产的直径3000mm的金刚石圆锯片,材料为65Mn。主要针对金刚石圆锯片锯切时,由于锯片的运转,岩屑流及锯齿切入时的冲击,导致水槽底部出现应力集中的现场,对不同的水槽修磨深度的金刚石锯片进行应力计算,寻求水槽最佳修磨深度,以选择最佳的修磨方案。1 锯片参数及切削模型金刚石圆锯片在切割石材时,每一个锯齿可以看做是一把切刀周期性的切割石材。石材对锯片的作用力实际是沿着切削接触弧区域分布。为了研究方便,将作用力的合力简化合成为一对力,分解为切向力Ft和法向力Fn。锯切过程中锯片的受力分析简图如图1。图1切削受力模型
根据华侨大学李远等人对锯片锯切花岗石时受到的锯切力分析获得实验方程如下:
式中:αp为切割深度度,Vf为进给速度,B为结块宽度。这里采用切深αp为4mm,进给速度Vf为10m/min,结块宽度B为14mm。切削参与齿数可由锯切受力分析得:
式中Z为同时参与切削的齿数,R锯齿外围半径,αp为切割深度,P为节距。计算可得Z=2.03,既可以看做切削时由两个锯齿承受了所有切削力。2 修磨技术要求去重法主要有钻削、铣削、磨削、激光去重和腐蚀去重等。针对本文金刚石锯片基体的直径大、厚度薄、水槽深等特点,选择磨削去重法。2.1 修磨位置的选择对于径厚比D/b要远大于5的薄圆盘类转子的静平衡校正,只需要在垂直于轴线的单平面上进行,则这个平面为校正平面。在本研究中,可以将金刚石锯片看做处在一个平面内,该平面做校正平面。根据静平衡的计算方法,校正点也可以用大小和角度位置表示。在不平衡量的测量和校正中,一般以θ位置上存在m的不平衡量表示形式,表示不平衡量的的大小及其角度位置。不平衡矢量是不平衡质量大小和矢量半径的乘积,因此静平衡时应当在允许的半径范围内尽量选择大的校正半径,以减少修磨的不平衡量,减少在校正工作中的实际工作量。本案例中,考虑金刚石锯片基体的结构,将所有修磨位置选在基体水槽的底部。金刚石锯片上的水槽一般呈均匀分布,及锯片上每两个水槽之间的角度一般相同。不平衡质量M的半径为r,所在中心线与最近的水槽中心线的角度α,由静平衡计算方法可得
将不平衡质量M转换为在水槽半径R处的质量m,只需要在m的对称处进行平衡即可,如图2所示。图2不平衡质量位置
根据刚性转子静平衡的计算要求,可以将转子上的不平衡质量转换为其对称点上的去除质量,也可分解为不同点上的分量。如将不平衡质量M的校正量m分解两个对称的分量m1和m2,他们之间的夹角为α,如图3所示。M产生的不平衡量为U,则等效分量m1和m2为:图3不平衡质量等效分量示意图

2.2 修磨量的分配在不平衡质量较小的情况下,可选择直接在对应相邻水槽修磨,这种情况可以在很少的修磨量就能达到要求。在实际操作中,往往需要修磨较大质量,为了不改变基体水槽的结构和锯片的受力情况,需要规定单个水槽最大的修磨深度。当修磨量大于最大修磨量时,单个水槽无法满足要求,故需要采用多点去重方案,选择实际不平衡质量对称点加多点对称分量的修磨方法。测得水槽最大的修磨深度,对剩余不平衡量进行对称分量校正,将不平衡量分解到指定位置(图4)。图4不平衡质量分解示意图
假设去重半径上的不平衡质量为M,对称点的一次去重量为m0,二次去重量为m11和m12,多次去重点的去重量为mi1和mi2,相邻水槽之间夹角为β,则实际不平衡量和多点去重量的关系为:
即:
由式(5)、(6)可以计算出需要修磨的次数和每次去重的量。2.3 最大修磨量的选择影响最大修磨量的因素主要有水槽深度对锯片本身的结构变化和生产效率。随着锯片直径的增大,不平衡质量也会增大,需要修磨的不平衡量增大。当单个槽修磨量过小时,需要修磨的次数增加,生产工序变繁琐,效率降低。单个槽修磨量过大时,水槽底部作为应力集中部位,受到的应力将会增大,变形增加。综上所述,最大修磨量的取值应该考虑生产效率和锯片本身的具体结构,综合考虑最佳取值。本文研究的锯片基体水槽深度为30mm,槽宽为30mm,单次水槽切削深度和切削量的关系如表1。表1切削深度与各变量关系
3修磨方案设计不平衡质量在转子转动过程中会产生离心力,根据离心力公式F=mrω2可知,离心力大小与不平衡质量大小m,位置r,角速度ω均有关联。在同一个锯片上不考虑启动和停止时刻的速度突变,可以看做是匀速转动,即ω是定值,则离心力只与mr有关系。mr的矢量积为重径积,表示不平衡质量的大小和位置。说明在一个校正平面内,实际不平衡质量可以转换成校正半径上相同角度的计算不平衡质量。两者产生的离心力作用相同。根据锯片产生不平衡质量的特点,产生不平横质量会随着锯片直径的增大而增大。对于本文研究的直径3000mm的金刚石圆锯片,基体外圆半径为1492mm,槽深30mm,槽宽30mm,基体厚11mm。金刚石锯片质量为M,转速为120r/min,平衡品质等级取G6.3,则许用不平衡量:
本文转子在平衡半径处的不平衡质量取280g,由式(7)求得许用不平衡质量为203.684g,只需要平衡半径处不平衡质量在许用不平衡质量之下,即可看成转子是平衡的。则需要平衡的实际不平衡量为76.316g。当切削深度取0.5mm以下时,修磨槽的个数大于总数的一半,根据前文,这种情况可以直接舍弃,选择从1mm开始比较。切削深度越大,则需要切削的次数则越少。原则上切削深度越小,对锯片的结构变化越小,但考虑经和实际性,需要取一个适中量。由表1可知,取切削深度为3mm。由公式(6)可以计算得共修磨11个齿时,修磨量为84.505g,相对于76.316g多修磨了4.189g,小于许用不平衡量。4 结语本文通过比较水槽磨削的深度和最大修磨量的变化,确定修磨的位置和修磨量的分配方法,计算锯片在切削过程受到的切削力,并根据有限元分析锯齿和水槽在切削过程中的应变和应力,综合考虑选择出最佳的修磨量和修磨个数。之后的修磨工作可以由修磨机器自动完成,可以减少修磨作业频次,能明显提高工作效率,有利于增强操作的安全性。参考文献:汤宏群,王成勇,胡映宁.抗冲击金刚石圆锯片结构的有限元分析.工具技术,2003(06).刘会宁,胡映宁,王成勇,王少云.节块延伸结构金刚石圆锯片的有限元分析.金刚石与磨料磨具工程,2005(04).李远,黄辉,朱火明,徐西鹏.花岗石锯切过程中的锯切力特征.金刚石与磨料磨具工程,2002(04).张进生,王志,吴军涛.基于ANSYS的组合结构金刚石圆锯片基体离心力效应的分析.金刚石与磨料磨具工程,2007(03).
Research on Unbalanced Quality Grinding Strategy of Diamond Saw Blade BaseAbstract:The cutting force analysis model of diamond circular saw blade was established.The grinding strategy of unbalanced quality was analyzed to explore the depth and suitable grinding depth of a single slot.The analysis results show that reasonable depth and size distribution can increase the grinding efficiency and improve the stress distribution of the slot.Key words:diamond saw blade base;unbalanced mass;grinding
作者简介:张明松(1965-),男,湖北荆州人,教授,硕士生导师,主要从事机械制造工艺及装备、机电研究与教学工作。

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