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[锯片/锯条与锯切技术] 开槽圆锯片热变形的试验研究

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    [LV.3]偶尔看看II

    发表于 2008-8-29 18:50:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    开槽圆锯片热变形的试验研究

    赵二东,李黎,严雄林
    (北京林业大学材料科学与技术学院,北京100083)

    摘要: 本文研究了圆锯片径向槽的数量、长度、宽度对圆锯片热变形的影响。试验结果发现,三者对圆锯片的热变形均有较大的影响:当开5个径向槽时圆锯片的热变形最小;相同条件下,径向槽相对较长的锯片不易发生热变形;径向槽宽度的增加可引起锯片热变形的加剧。
    关键词: 圆锯片;径向槽;热变形
    中图分类号:TS643  文献标识码:A  文章编号:1001-8654(2004)06-0025-03

    ThermalDeformationofaCircularSawbladewithSlots

    ZHAOEr-dong,LILi,YANXiong-lin
    (MaterialScienceandTechnologyCollege,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

    Abstract: Theeffectsofthenumber,lengthandwidthoftheslotsonthethermaldeformationof
    acircularsawbladewereinvestigatedinthispaper.Resultsfoundthatunderthesamecondition,a
    circularsawbladewith5slotsshowedthebestthermalstability.Itwasalsofoundthatincreasing
    thelengthoftheslotstendedtomakethesawblademorestable,whereasincreasingthewidthof
    slotsresultedinincreasedthermaldeformation.
    Keywords: Circularsawblade;Slot;Thermaldeformation

    圆锯片锯切工作时,切削刃与木材纤维之间、锯片与木材锯路表面之间均会产生剧烈摩擦而产生热。试验表明,温度最高的区域在锯片的外边缘,锯片上存在一个外高内低的瞬态温度场。当圆锯片旋转达到一定转速时,在离心力的作用下,锯片外缘部分开始松弛。由于锯片锯切木材时,锯片外缘温度升高,体积膨胀,而锯片内部温度上升缓慢,锯片外缘体积受内部材料的限制不可能随意伸缩,使锯片发生外部大而内部小的变形,此时锯片就会失稳而向两侧游动,呈“蛇行”状态,造成锯材切削面呈波浪状[1~3]。
    为了抵消热应力的不利影响,目前通常的做法是在锯片外边缘径向上等间距开槽或与径向呈一定角度开槽。笔者以期通过试验分析锯片外边缘的径向槽尺寸对锯片热变形的影响。

    1 试验材料与仪器
    锯片 天津林业工具厂提供,共20片。材料为65Mn,直径300mm,厚度2.4mm,120齿,开槽未镶齿。考虑到锯片适张处理和热处理残余应力对变形的影响,本试验选择未进行适张和热处理的锯片。锯片外边缘径向槽的宽度分别是1、2、2.5mm,径向槽长度40、30、28、25mm,径向槽数0、3、4、5、6。
    主要仪器 电涡流位移传感器(HZ-85745),电压表及示波器,圆盘电加热器,可调压直流电源,接触式温度传感器及温控仪,非接触式远红外温度测定仪(RAYGERMX4+和MINITEMPMT4)。

    2 试验方法
    将圆锯片安装在圆锯机(ST4)锯轴上,测得圆锯片初始位移电压,然后打开加热器进行加热,用非接触式远红外温度测定仪分别测定圆锯片外边缘和锯片夹持盘边缘处的温度,记录下锯片外边缘和夹持盘边缘的温差分别为9、22、46和57℃时电压输出值[4]。试验中,圆锯片外边缘的温度变化非常剧烈,由于热辐射,圆锯片内部升温也逐渐加快。为了减小辐射式热传递,试验时在锯片加热区和内部非加热区之间增加了一条隔离层。
    试验分别测定了夹盘直径为110、65mm以及无夹盘时圆锯片边缘的变形,重点分析夹盘直径为65mm时锯片的边缘变形情况。
    图1 试验装置示意图


                                   
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    3 试验结果分析
    由于圆锯片的直径与厚度比相对较大,稳定性差,很容易被激发振动。其中最危险的状况是当锯片的转速接近锯片的临界速度时,锯片失去原有的稳定状况[2]。锯片外边缘的径向槽有利于减轻锯片对切削热的敏感性,防止锯片可能产生的“热压曲不稳定”。RCYu等的试验研究表明[5],对厚度1mm、直径400mm、不开径向槽的圆盘,其外边缘与中心夹盘边缘的温差达到9℃时,就能使该圆盘呈现波状弯曲幅度达1.3mm的“荷叶形”。在相同的受热条件下,如果上述圆盘的外边缘等间距开设6个长70mm、宽1.2mm的径向槽后,圆盘发生热压曲的温差就由9℃提高到57℃。由此可见,径向槽可释放锯片外环区热膨胀产生的压应力,防止锯片的热压曲。

    3.1 槽数量对锯片热变形的影响
    从图2可以看出,对于直径为300mm、未进行适张和热处理的65Mn锯片,在直径65mm夹盘的夹持下,当锯片边缘和夹盘边缘温差达到22℃时,未开槽锯片开始有明显的热变形,而且变形的速率比较大;当温差达到46~57℃时,热变形的速率开始逐渐变缓,说明锯片可能存在一个最大热变形量,随着温差的增大,锯片的热变形会逐渐接近。同时,在锯片热变形的过程中,可能存在一个易变形区,在这个区域内,锯片发生急剧地变形;在直径110mm夹盘的夹持下,锯片的热变形小于65mm夹盘夹持的锯片,但总体趋势一致。为更清楚地分析试验结果,本文选择了直径65mm夹盘夹持锯片的热变形量进行讨论。根据已有的研究结果,径向槽还对锯片的动态稳定性有相当大的影响,且奇数槽比偶数槽更有利[2,6~8]。
    图2 不同槽数的圆锯片热变形

                                   
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    对于开有3个径向槽的锯片,当温差达到22℃时,也开始有较为明显的热变形,但初期的变形速率比较缓慢,远小于无槽锯片,同时,温差在57℃范围内时,其变化速率基本一致,变形曲线为一条直线,说明3槽锯片在温差达到57℃时,还没有达到形变最大值。相比之下,在温差22℃以后的一段区域内,4槽锯片的热变形更为缓慢,当温差达到46℃后,其变形速率开始变大,变形也逐渐明显。由试验结果分析可知,5槽锯片的热变形远小于6个槽锯片的热变形,在温差达到57℃时,5槽锯片的热变形是所有试验锯片中最小,而且只有当温差达到57℃时,才会发生明显热变形,而6槽锯片在温差为22℃左右时就一直开始以缓慢的速率产生热变形。
    表1 不同槽数的圆锯片热变形


                                   
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    径向槽的存在不可避免地削弱锯片的整体结构刚度,总结各个锯片的变形情况,可以得出这样的结论:在圆锯片的热变形过程中,锯片开始产生变形的临界点可能与锯片本身的抗弯刚度有很大的关系[9]。当锯片由于自身温差产生的热应力大于锯片抗弯极限时,锯片开始变形,在变形过程的某一区段内,变形速率相对较快,而锯片产生的最大热变形量与锯片的材料、厚度、夹持比等因素有关。所以,当锯片的形变达到某个值后,其变形速率减缓。对于偶数槽锯片,由于结构上的轴对称性,当热应力大于抗弯极限时,锯片便开始变形;对于奇数槽锯片,尽管锯片材料本身的弹性模量没有提高,根据弹性力学基本原理,在同等条件下,由于锯片结构上的轴不对称性,锯片整体的结构刚度有了提高,所以在槽长度和宽度相同的条件下,奇数槽锯片比相邻偶数槽锯片不易发生变形。同时,在相同的温差条件下,随着径向槽数量的增加,锯片产生的热应力得到了释放,锯片的热变形因而逐渐减小。但考虑到锯片槽数增加会削弱锯片的结构刚度,所以,一般圆锯片上通常开5~6个槽。

    3.2 槽长度对锯片热变形的影响
    外边缘开有4个宽度相同、长度不同的径向槽后锯片的热变形状况如图3所示。当温差在22~46℃范围内增加时,所有锯片都开始较缓慢地发生变形,其中槽长为28mm的锯片的变形最为剧烈;当温差达到57℃时,所有锯片变形的速率和变形量都迅速增大。但由表2可见,锯片变形的幅度随着槽长度的增加而减小,分析其原因是由于随着径向槽长度的增加,锯片与空气接触的面积增大,由此增加了锯片释放热能和热应力的途径。这一结果说明,增加径向槽的长度有助于减小锯片边缘的热变形。所以,在制造工艺许可的情况下,可以在锯片上开曲线槽,以增加槽的实际长度。
    图3 径向槽长度不同时锯片的热变形


                                   
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    表2 不同径向槽长度时锯片的热变形


                                   
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    3.3 槽宽度对锯片热变形的影响
    锯片外边缘开4个长度相同、宽度不同的径向槽后,锯片的热变形状况如图4和表3所示。比较可见,随着槽宽度的增加,锯片变形增大,这可能是因为增加槽的宽度后引起锯片的结构刚度降低所致。在受热变形初期,槽的宽度对锯片变形的影响较为明显。当温差达到57℃后,槽宽2mm和2.5mm锯片的变形量相差不大。由此可推测,锯片发生热变形时可能存在一个最大变形量,且最大变形量与锯片的材料、厚度、夹持比等有关。试验结果表明,径向槽宽1mm时锯片的变形速率最低,相同温差下变形量最小。因此,在满足制造工艺条件的情况下,圆锯片上的径向槽不宜过宽。
    图4 径向槽宽度不同时锯片的热变形


                                   
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    表3 不同径向槽宽度时锯片的热变形


                                   
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    4 结论
    1)圆锯片外边缘开径向槽后,锯片发生热变形的温差可较大幅度地提高,变形速率得到有效控制。锯片径向槽数量增多,其发生热变形的温差越高,变形速率越低。相同条件下,边缘开5个径向槽锯片的热变形最小。
    2)径向槽的长度对锯片的稳定性有较大的影响。径向槽长度的增加使锯片与空气的接触面积加大,增加了锯片释放热量和热应力的途径,减小锯片边缘的热变形。在保证锯片工作刚度的前提下,径向槽的长度可适当加长。
    3)在相同试验条件下,随着径向槽宽度的增加,锯片的变形增大。在变形初期,径向槽的宽度越宽,锯片发生热变形的速率越大,变形量也随之增大,因此,宽槽不利于锯片动态稳定性的提高。
    4)锯片发生热变形时,可能存在一个最大变形量和一个易变形的温差区段,最大变形量与锯片的材料、厚度、夹持比等因素有关。同一锯片在相同受热条件下,夹持盘直径增大,锯片变形量明显减小。易变形温差区段则与径向槽的数量、长度、宽度等参数有关。

    参考文献:
    [1] 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.
    [2] 李黎.温度场对圆锯片动态稳定性影响的理论与试验研究[D].
    北京林业大学博士学位论文,2003.
    [3] IwataH,YoshitaY,HashimotoK.BasicStudyofTensioning
    EffectonThermallyStressedDiskVibration[J].日本机械学会论文集,1993,59(563):2015-2019.
    [4] 李黎,习宝田,田中千秋,等.圆形薄板的温度分布及热变形
    [J].北京林业大学学报,2004,26(1):74-78.
    [5] YuRC,MoteCDJr.VibrationofCircularSawsContainingSlots
    [J].HolzalsRoh-undWerstoff,1987,45(4):155-160.
    [6] 郭兴旺,邹家祥.径向槽对圆锯片振动特性的影响[J].机械,1999,26(4):10-11.
    [7] IwataH,YoshitaY,HashimotoK.BasicStudyofSlitEffect
    onThermallyStressedDiskVibration[J].日本机械学会论文集,1995,61(584):1293-1299.
    [8] LiL,TanakaC,XiB,etal.TheRelationBetweenTempera-tureDifferenceofCircularSawand
    SawingProfileontheWork-piece[C].16thInternationalWoodMachiningSeminar,Japan,2003.
    [9] StakhievY.CavityOscillationandEquilibriumStabilityLossofFlatThinRotary
    DiskIrregularHeating[J].WoodworkingMa-chineandTools,1993(2):27-30

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    发表于 2017-10-6 13:51:55 | 显示全部楼层
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