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[锯片/锯条与锯切技术] X射线衍射法测定圆锯片的适张残余应力

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    [LV.3]偶尔看看II

    发表于 2008-8-22 11:54:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    X射线衍射法测定圆锯片的适张残余应力



    李黎  习宝田  杨永福

    (北京林业大学材料科学与技术学院)



    摘要:该文应用X射线衍射应力测定仪对不同状态的圆锯片进行了残余应力分布的实验测定,并对实验方法和最终得出的应力分布进行了详细的分析讨论.结果表明,对于未适张锯片,辊压带内外锯片上切向和径向应力均为压应力;对于正常适张的锯片,其切向应力在辊压带外为拉应力,辊压带内侧为压应力,径向应力在辊压带内外均为压应力;对于已使用多年,适张失效锯片,其切向和径向应力均为压应力.实验中还发现入射的X射线除了沿半径方向外,沿其他方向入射,在其表层都呈φ角分离现象,在经电解研磨去除20~30μm锯片表层后此现象消失.

    关键词:圆锯片,残余应力,适张,X射线



    中图分类号:TS643  文献标识码:A  文章编号:1000--1522(2005)03--0087—04



    LILi;XIBao_tian;YANGYong_fu.MeasurementofresidualstressintensionedcircularsawsusingX_rays.JournalofBeijingForestryUniversity(2005)27(3)87--90[Ch,11ref.]CollegeofMaterialScienceandTechnology,BeijingForestryUniversity,100083,P.R.China.

    ThispaperpresentstheresidualstressstatesofcircularsawsmeasuredbyanX_raydiffractometer.Theresidualstressesofno_tensioned,tensionedandlosttensionedcircularsawbladesweremeasuredandanalyzed.Theresultsshowthatthetangentialresidualstressistensileandtheradialresidualstressiscompressiveintheexteriorloopofthetensionedregion;bothofthetangentialandtheradialresidualstressesarecompressiveintheinnerloopofthetensionedregioninthetensionedcircularsawblades.Thetangentialandtheradialresidualstressesarebothcompressiveintheno_tensionedandthelosttensionedsawblades.InthecasewherebearingsoftheincidentX_raybeamarenotintheradialdirection,theφsplittingisapparentonthesurfacesofcircularsawblades.Atthedepthof20--30μm,theφsplittingisnotsignificant.

    Keywords circularsaw,residualstress,tensioned,X_ray



    圆锯片的动态工作稳定性是指锯片在锯切加工时,保持其固有形状和刚度的性质.圆锯片工作稳定性较差,主要是因为锯片高速旋转达到一定的转速,惯性力和不连续的切削力激发锯片的振动.另外锯片锯切木材时,锯身齿缘部分的温度急剧升高,锯片由于内外的温度差引起热变形,此时锯片就会向两侧游动,呈“蛇行”状态,造成锯材材面上的波浪不平.

    大量的研究成果和实践表明辊压适张是一种有效的提高圆锯片动态稳定性的方法,但是一直难于量化地表示适张锯片内部残余的适张应力[1--4].SzymaniR.和木村志郎等研究者应用电阻应变片测量了圆锯片适张后的径向和切向应力[3,5,6].梅津二郎等研究者应用X射线衍射测定了热处理前后和适张处理前后锯片表面应力的变化[7,8].张占宽等人也应用X射线衍射法测定了锯片表面初始残余应力[9].木村志郎等研究者在应用电阻应变片测量圆锯片适张后的径向和切向应力的同时,应用两个电子位移传感器测量锯片辊压适张区厚度的减小量,并通过数学方法计算出锯片的适张应力[6,10].本文主要讨论应用X射线衍射仪测定圆锯片适张应力的方法和测量结果.



    1 X射线衍射应力测定法

    图1所示是X射线衍射应力测定法的基本工

    作原理.X射线衍射法测定某种晶体材料的残余应力是根据晶面间距的变化来计算材料应力的.通过O点,沿试件表面应力测定方向的X轴,垂直试件表面方向的Z轴,与Z轴呈φ角有一条斜线,它对应的X射线衍射角为2θφx,则X方向的应力可利用下式计算:



    式中,E为材料的弹性模量(MPa),μ为材料的泊松比,θ0为无应力状态下材料的X射线衍射角,2θφx为衍射角,φ为被测表面法线与衍射晶面法线间的夹角,φ0为入射X射线与被测表面法线的夹角[7,9,11].

    图1 X射线衍射测量示意图



    2 实验方法

    2.1 实验圆锯片

    实验锯片分为3组:第一组基体材料为65Mn,直径350mm,厚度2·2mm,未适张处理的圆锯片3片.第二组基体材料为65Mn,直径350mm,厚度3·2mm,适张处理后的圆锯片3片.第三组基体材料为65Mn,直径400mm,厚度3·2mm,经多年使用,已经失稳的圆锯片1片.



    2.2 实验设备

    实验应用X射线衍射应力测定仪,进行应力测定.其测定条件如下:X射线管靶材为铬(Cr),平行光束法,索拉光阑发散角为1°,X射线发生器管电压20~30kV,管电流5~10mA.



    2.3 实验方法

    实验采用侧倾法,最高位置的确定,采用半价中点法,在进行X射线应力测定时,要注意代表衍射强度的点,求出衍射角最好的位置.在本研究中,从X射线反射强度曲线除去背景,从剩下的衍射强度曲线来求得衍射角2θ.

    另外,测定圆锯片切向和径向残余应力的时候,在圆锯片测定点的周围,用一个乙烯绝缘带覆盖一个直径6mm的入射孔.虽然,测定的应力为表面应力,但必须对测定部位周围进行电解研磨,以消除圆锯片平面磨削遗留的应力,由此可能会产生的被测部位应力发生释放.但目前测试适张应力必须采用此方法,否则检测到的应力不是适张应力.使用X射线测定残余应力方法最重要的是测量精度,本实验所用X射线衍射应力测定仪的测量精度为±7·5MPa,考虑到其他各种因素的影响,实验测量的精度大约在±(10~15)MPa.



    3 分析与讨论

    3·1 X射线残余应力

    在讨论圆锯片适张后的残余应力问题时,人们比较关心的是在圆锯片切向的应力值.从理论上讲,经过适张处理圆锯片的切向应力值只有一个,但用X射线衍射方法测定出的圆锯片在切线方向的残余应力却有两个不同的值.从X射线衍射方法的工作原理图上可以看出,对应于被测平面法线方向X射线入射角存在正和负两种情况.如图2,存在φ=0和φ=180°都代表与被测点的切线平行; φ≥0时,表示X射线从φ=0开始以正入射角入射; φ≤0时,则表示X射线从φ=180°开始以负入射角入射;其他角度相同.因此使切向残余应力出现了两个值,其原因可能是因为锯片表面磨削和适张处理的方向性引起了锯片内部晶格的错位.这表明锯片中的适张应力并不是完全的二维平面应力,沿锯片厚度方向,切向应力也存在不同的分布.在电解研磨去除20~30μm锯片表层后φ角分离现象消失,切向应力趋于一个稳定值.如何修正两个切向应力值,到目前为止,还没有一个统一的方法,所以,在此我们取测量出的应力高值作为锯片的切向应力的测量值,将其称之为X射线切向残余应力.

    图2 锯片上X射线入射角示意图



    3.2 未适张锯片与失稳锯片的残余应力

    未适张和失稳圆锯片的表面残余应力见图3、4.圆锯片表层不做任何处理时,无论在锯片的径向和切向上的残余应力都很复杂,全部表现为压应力.未适张和失稳圆锯片表面的电解研磨20μm后,测定的残余应力见图5、6.锯片径向和切向上的残余应力仍为压应力.电解研磨后未适张锯片的径向应力几乎不变,切向压应力减小.失稳锯片的径向应力减小,切向应力略有增加,分布变得平缓.表面电解研磨20μm后,未适张锯片外边缘的切向压应力明显小于失稳锯片,锯片外边缘的切向应力是影响锯片动态稳定性最重要的因素.这一实验结果可解释失稳锯片必定失稳运转,而未适张锯片不一定失稳的原因.

    图3 未适张圆锯片径向和切向的表面残余应力



    图4 失稳圆锯片径向和切向的表面残余应力



    图5 未适张圆锯片电解研磨20μm后径向和切向的残余应力



    图6 失稳圆锯片电解研磨20μm后径向和切向的残余应力



    3.3 适张锯片切向残余应力

    本实验获得了不同适张载荷条件下,切向应力沿锯片径向的分布和切向应力沿锯片厚度方向上的分布.检测到的切向应力分布与理论计算和以往的其他实验方法测得的切向应力分布不同.但是应力性质相同,在圆锯片切向上辊压带内侧表现为压应力,辊压带外侧为拉应力(图7).随研磨深度的加强,切向应力值逐渐减弱,在研磨深度达到10μm以后,切向应力由压应力转变为拉应力;在研磨深度达到20μm时,拉应力达到最大值;研磨深度30μm以后,切向应力几乎不变化.不同电解研磨深度适张和未适张锯片切向残余应力的分布如图8所示.

    图7 适张圆锯片切向残余应力的分布



    注:A为辊压半径与锯片半径的比为0·7,辊压载荷5kN,辊压3圈.B为辊压半径与锯片半径的比为0·7,辊压载荷3KN,辊压3圈.C为辊压半径与锯片半径的比为0·7,辊压载荷1KN,辊压3圈.电解研磨深度20μm.

    图8 沿圆锯片厚度方向上切向残余应力的分布



    注:测试点的半径与锯片半径比为0·9,辊压半径与锯片半径的比为0·7,辊压载荷5kN,辊压3圈.



    4 结  论

    1)入射的X射线除在径向以外的其他方向,在其表层都呈φ角分离现象.在经电解研磨去除20~30μm锯片表层后,此现象消失.

    2)经过热处理和平面磨削处理,未适张处理圆锯片和已经失稳的圆锯片,在锯片表层无论是在切向和径向上残余应力都呈压应力.随电解研磨深度的加强,残余应力值有逐渐减小的趋势.

    3)适张处理后的圆锯片,电解研磨去除表层20~30μm后,切线方向的残余应力在圆锯片辊压带内侧表现为压应力,在辊压带外侧为拉应力.径向的残余应力在辊压带内外侧均为压应力.

    实验研究获得的X射线衍射残余应力测定结果,其应力分布在总趋势上与理论分析和其他方法的测定结果基本一致.



    参考文献

    [1]KIMURAS,ANDOM.StudiesontensioningofcircularsawsbyrollingpressureⅠ

    [J].MokuzaiGakkaishi,1974,20(5):196--204.

    [2]SCHAJERGS,MOTECD.Analysisofoptimalrolltensioninganditsinfluenceoncircularsawstability

    [J].WoodScienceandTechnology,1983,17:287--302.

    [3]SZYMANIR,MOTECD.Theoreticalandexperimentalanalysisofcircularsawtensioning

    [J].WoodScienceandTechnology,1979,13:211--237.

    [4]李黎,习宝田,杨永福.圆锯片上热应力及回转应力的分析

    [J].北京林业大学学报,2002,24(3):14--17.

    LIL,XIBT,YANGYF.Thermalandrotarystressesincircularsawblades

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    [9]张占宽,习宝田,安静贤.用X射线测定圆锯片表面初始残余应力

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