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[锯片/锯条与锯切技术] 径向槽对锯片热变形和振动特性的影响

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    [LV.3]偶尔看看II

    发表于 2008-8-29 18:51:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    径向槽对锯片热变形和振动特性的影响

    赵二东 李 黎  杨永福 习宝田
    (北京林业大学材料科学与技术学院)

    摘要 该文应用模拟加热和高速回转激振测量锯片变形的方法,定量分析了径向槽对锯片性能的综合影响.在实验室条件下,对各种不同结构、数量的开槽木工锯片的热压曲变形量和振动性质进行了详尽地测量和分析.结果表明:径向槽的槽数和长度对锯片热压曲变形量和振动性质影响最为明显.在本实验条件下,槽数量多、长度大锯片的热压曲变形量小.5个槽和槽长度35mm锯片的振幅最小.锯片转速在2000~3000r/min范围之内,锯片的振幅最小,转速超过3500r/min或4000r/min后,部分锯片的振幅骤增,发生共振.
    关键词 径向槽,热压曲,转速,振幅
    中图分类号 TS643

    ZHAOErdong;LILi;YANGYongfu;XIBaotian.Effectsofslotsonthermaldeflectionandvibration
    behaviorsofcircularsaw.JournalofBeijingForestryUniversity(2004)26(5)75--79[Ch,13ref.]Schoolof
    MaterialSciencesandTechnology,BeijingForestryUniversity,100083,P.R.China.
    Theeffectsofslotsonthecharacteristicsofcircularsawswereanalyzedquantitativelyinthispaper.The
    thermaldeflectionofsawbladeswithdifferentnumberandlengthofslotswasmeasured,andthevibration
    behaviorsofsawbladeswithdifferentnumber,lengthandwidthofslotswerealsomeasuredandanalyzed.Theresultsshowthatthenumberandlengthofslotsinfluencethethermaldeflectionandthevibrationbehaviorsofsawblades,thethermaldeflectiondecreaseswiththeincreaseofthenumberandlengthoftheslots,andtheamplitudeofsawbladewith5slotsand35mmoftheslotlengthisthelowestinthisexperiment.Theamplitudeofthesawbladesisthelowestin2000~3000r/minoftherotationalspeedandtheamplitudeof
    somesawbladesincreasesmarkedlywhentherotatespeedexceeds3500r/minor4000r/min.
    Keywords slot,thermaldeflection,rotatespeed,amplitude

    圆锯片在木材加工工业中作为切削刀具,切削加工时的刚度很小,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[1--4].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“弯曲不稳定”[5].实验研究表明,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.径向槽对圆锯片热压曲变形影响固然大,但同时也破坏了锯片的轴对称性.径向槽的存在是否会对锯片的振动产生不利的影响,加剧锯片的高速失稳,以及影响锯片的强度和刚度,这一系列的问题还需做进一步的研究.一些实验结果表明:径向槽的数量、槽长和槽宽对锯片的振动均有影响[6].同时,现代木材加工工业中,硬质合金锯片的转速一般在3000~4000r/min范围内,为了探求硬质合金锯片受热和高转速条件下的变形和振动状况,我们选择径向槽数量、长度和宽度不同的硬质合金锯片,测量了这些锯片受热变形值和高速转动时的横向振幅,通过实验测量结果说明径向槽对锯片抵抗热变形和动态稳定性的影响.

    1 锯片边缘受热后的变形
    1·1 实验材料
    实验用锯片:外径D=350mm,孔径d=25·4mm,锯片厚度h=2·0mm,齿宽2·6mm.锯片外缘开有不同结构形式的径向槽,径向槽的数量分别为0、3、4、5、6,槽在锯片外缘上等间距分布,长度为30mm.另外2个特殊结构形式的锯片作为对比,分别开4个径向槽,槽长度10mm;开4个径向槽,槽长度30mm并与径向呈45°倾斜角;以上锯片径向槽宽度均为1·6mm.应用美国Raytek公司生产的非接触式远红外温度测定仪RAYGERMX4+测定圆锯片上的温度.应用KEYENCE公司生产的激光位移传感器LC--2420测量锯片的变形量.

    1·2 实验方法
    测量装置见图1,在锯片边缘距离中心170mm,距离锯片侧面20~50mm处,用一个天然气喷灯对锯片进行连续加热,用非接触式远红外温度测定仪RAYGERMX4+,分别测定圆锯片外边缘和锯片夹盘边缘的温度.激光位移传感器测量锯片距离中心170mm处部位的位移值,所有测量结果由计算机采集记录.
    图1 实验装置系统示意图

                                   
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    测试时,锯片装夹在数控实验台的水平回转主轴上,夹盘直径110mm,以10~100r/min的速度回转,以保证锯片外边缘加热均匀.为减少离心力的影响,转速应该尽量低.在锯片被加热之前,先测量锯片回转时的位移量,此时的位移代表锯片的端向跳动值.调整加热器与锯片之间的距离,使锯片的升温时间和锯片达到热压曲的时间可以控制在一定的范围内,以免升温过快而影响测量和记录.第一次在锯片位移最大、变形最剧烈时,记录锯片外缘和夹盘外缘的温度值.锯片温度降至室温后,再次加热锯片的外边缘,到内外两点的测定温差为22℃时,记录锯片外缘的位移量,在此测量值的基础上减去锯片的端向跳动值,获得锯片的变形量.所有的测量数据均由计算机采集、储存和分析(见表1).
    表1 锯片压曲变形位移和温度差的实验测量结果

                                   
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    1·3 实验结果分析
    从表1我们可以看出,随着槽数的增加,锯片发生热压曲的温差不断提高;换言之,锯片槽数越多,锯片越不易发生热压曲.同时还可以看出,当径向槽与锯片径向呈45°倾角分布时,锯片更易发生热压曲.另外,以开4个长度为30mm径向槽的圆锯片为例,将锯片热变形与温度差之间的关系做图.从图2中可以看出,随着锯片边缘和夹盘外缘温度差的不断加大,锯片的变形量也不断加大,而且,锯片变形的速率也在不断加快.这是因为锯片边缘和夹盘外缘温度差越大,锯片外边缘和内部的相对热膨胀势能越大.由于这种热膨胀势能得不到其他有效的释放途径,因此,只能以锯片变形的形式来释放,所以锯片的形变也越大.
    图2 锯片温度差与锯片边缘变形量

                                   
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    2 径向槽对锯片振动特性的影响
    2·1 锯片振动实验
    2·1·1 实验材料
    实验用锯片:外径D=350mm,孔径d=25·4mm,锯片厚度h=2·0mm,齿宽2·6mm,齿数60.锯片外缘开有不同结构形式的径向槽,具体规格及编号见表2.
    表2 实验用圆锯片径向槽数量和规格


                                   
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    2·1·2 实验方法
    实验测试装置组成见图3,锯片装夹在数控实验台的水平回转主轴上,主轴电机可以通过变频器实现1~6000r/min无级调速.在主轴回转前首先调整好位移传感器与锯片的间距,两个传感器相间180°布置.启动主轴电机后,使锯片在不同的转速下运行,当锯片进入稳定运行状态后,观察FFT分析仪上显示的图形基本稳定后,FFT分析仪记录下各测试点的振动信号和波形,并送入计算机储存.整理分析仪和计算机分析记录的结果.
    图3 实验装置系统示意图


                                   
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    2·2 结果分析
    从锯片振动的时域曲线可以看出锯片的振动呈明显的周期性,在各种不同转速下,所有锯片振动的基频,基本上是驱动电机的转动频率,说明空转条件下,电机的回转运动是激发锯片受迫振动的激振源.

    2·2·1 径向槽长度的影响
    径向槽长度不同时,锯片振幅与转速之间的关系见图4.无论锯片径向槽长度如何,转速在3500r/min范围内,对于开径向槽,适张锯片,锯片的振幅总体上会随转速的提高而变小.但是转速继续增高,槽长度对振幅的影响有了较大的差异,槽长度l=20mm的锯片与其他锯片相比,在转速较低时,振幅最大;转速提高后(2500~3500r/min),和其他锯片的振幅值大体相等;在转速3500r/min以上时,振幅急剧增大.槽长度l=24mm和槽长度l=30mm的锯片,在大部分转速范围内,其振幅大体相等;当转速高于4000r/min时,出现振幅急剧增加的现象.槽长度l=35mm的锯片,在本实验使用的转速范围内(4500r/min以内),未出现振幅急剧增加的现象,而且在此范围内,该锯片的振幅始终最小.
    在结构动力学分析中,锯片边缘开的径向槽,可以将槽看成是锯片系统的一个结构阻尼,结构阻尼的特点是阻力与位移的减小量成正比.当锯片转速低于3500r/min或4000r/min时,锯片远离临界转速区,回转的离心力随锯片转速的提高而增大,在锯
    片切向的回转应力将锯片的边缘拉紧.但转速超过3500r/min或4000r/min,转速更加接近锯片的临界转速,在外部力的激发下,锯片的振幅明显加大.但是径向槽的存在耗散了振动能量,随着径向槽长度的增加,阻尼力增大,锯片发生失稳的临界转速也相应有所提高.
    图4 径向槽长度不同时锯片的振幅与转速的关系


                                   
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    2·2·2 径向槽宽度的影响
    径向槽宽度不同时,锯片振幅与转速之间的关系见图5.无论锯片径向槽宽度如何,在本实验转速4500r/min范围内,锯片的振幅会随转速的提高总体上有减小的趋势,但是转速继续增高,径向槽宽度对振幅的影响也显示出了一定的差异.槽的宽度过小或过大,锯片都会出现较大的振幅,转速在4000r/min以上时,锯片2、6的振幅急剧增大.与此相比,锯片8,在本实验采用的转速范围内,振幅始终最小,并且随着转速的提高,振幅有变小的趋势.由此径向槽对锯片热变形和振动特性的影响可见,存在一个使锯片振幅最小的径向槽宽度.理论分析表明,径向槽宽度对锯片横向振动振幅并没有显著的影响,关于槽宽度的影响还有待做更进一步的研究.
    图5 径向槽宽度不同时锯片的振幅与转速的关系


                                   
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    2·2·3 径向槽数量的影响
    径向槽数量不同时,锯片振幅与转速之间的关系见图6.无论锯片径向槽数量如何,在转速4000r/min范围内,锯片的振幅会随转速的提高而变小.但是不同的径向槽数量对锯片振动的影响存在明显的差异;槽数多锯片振动的振幅小于槽数少锯片的振幅;槽数为奇数锯片的振幅小于槽数为偶数锯片的振幅.锯片9、10之间相比,这种差异更加明显.在槽数不同的4种锯片中,锯片9的振幅最小.
    图6 径向槽数量不同时锯片的振幅与转速的关系


                                   
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    2·2·4 径向槽长度、宽度和数量的综合影响
    表3所示为转速3000r/min条件下10个锯片时域和频域的振幅,10个锯片不同转速下振幅值与转速之间的关系如图7所示.在本实验所选的径向槽对锯片振幅的影响因子中,径向槽数量对锯片振动效果的影响最明显.10种锯片中,无论何种转速,径向槽数多(K=5和6)的锯片振幅较小.此外,实验用的大部分锯片当转速在2000~3000r/min范围内,振幅较小,一部分锯片当转速超过3500r/min或4000r/min时,振幅急剧增大,这是因为在此转速下,驱动锯片运转干扰力的频率接近了锯片的固有频率,锯片发生了共振现象.
    表3 各种不同条件下圆锯片横向振动的振幅值


                                   
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    图7 径向槽数量、长度和宽度不同时锯片的振幅与转速的关系


                                   
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    3 结  论
    锯片热变形实验测量和分析结果表明,外边缘上切割径向槽的圆锯片受热后,锯片发生热压曲时外边缘的热变形明显减小,锯片发生热压曲现象的温度梯度明显提高,变形的减小与槽的长度和槽的形状关系密切,宽度的影响不大.锯片运转实验结果表明,空转时锯片的横向振
    幅呈现明显周期性的变化,变化的频率与电机的回转频率相同.锯片空转时的横向振动有如下特点:
    1)在一定的转速范围内,径向槽长度l=20,24,30mm时,锯片的横向振幅值没有太大差异.在本实验条件下,径向槽长度为35mm时,锯片横向振幅最小.
    2)径向槽宽度b=2mm时,在本实验所采用的转速范围内,锯片的横向振幅最小.
    3)相邻槽数的锯片之间相比,槽数为奇数锯片的振幅小于槽数为偶数锯片的振幅,槽数同为奇数或同为偶数锯片之间相比,槽数多锯片的振幅小于槽数少锯片的振幅.
    4)在所选的径向槽对锯片振幅的影响因子中,径向槽数量对锯片振动效果的影响最明显.实验所选的10种锯片中,在实验所选转速条件下,径向槽数量较多(K=5和6)锯片的振幅较小.实验所选的大部分锯片在转速2000~3000r/min范围内,振幅无明显变化;当转速超过3500或4000r/min时,一部分锯片振幅急剧增大,说明此时干扰力的频率接近了锯片的固有频率,锯片发生了共振现象.
    从以上的结果可以看出,圆锯片的径向槽在消除锯片切削热应力的同时,也可以降低锯片横向振动的振幅,但是径向槽的数目、尺寸与构形参数的最佳匹配还有待进一步研究.

    参考文献
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