金属锯机锯片齿形参数的设计分析.pdf_大学文库

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2002.01.049 第24卷第1期北京。科技大学学报 Vol.24 No.1 2002年2月 Journal of University of Science and Techaology Beijing Feb.2002 金属锯机锯片齿形参数的设计分析李同进”减勇”陶登奎)冯伟”章博” 1)北京科技大学机械「程学院，北京1000832)莱芜钢铁股份有限公司中型型钢，莱芜271104 捕要针对金属；机锯片磨损速度过快，使用寿命较短等主要失效形式，研究分析了齿形参数对锯切力和锯齿应力及其分布的影响规律.在此基础上，以较小的锯切力和锯齿应力水平、合理的锯齿应力分布为目标，给出了合理的齿形参数关输词锯片；齿形设计：锯切力：应力分类号TG333.22:TG501.3 锯机作一般是在线生产，锯片的工作状度等一定，轧件与锯齿的相迎角、锯切总厚度等态直接影响了整个生产线的生产率和产品质变化不大的情况下，影响轧件变形功的主要是量.由于轧机生产能力的不断提高和对轧件质锯齿前角. 量要求日趋严格，因此对锯机无论是生产能力，锯切齿数在实用范围内对锯切变形功率没还是锯切质量上都提出了更高的要求，本文针有太大影响，从而对总锯切力的影响也不大.当对热锯机锯片磨损较快，使用寿命过短等主要然，在实际锯切时由于存在圆角效应，齿数影响失效形式，分析研究了齿形参数对锯切力和锯要比理论上更大一些，但也不会发生本质上的齿应力及其分布的影响规律，最后优化出了比变化. 较理想的齿形参数在相迎角为确定值时，单齿锯切力是随着锯片齿数的增加而减小的，而随齿前角的增大 1 齿形参数对锯切力的彩响迅速诚小.同样齿前角对单齿锯切力的影响程锯齿齿形参数包括齿前角、齿顶角、齿数（或度比齿数的影响更显著，齿距)等，齿形参数，尤其是锯齿前后角，由于会 2齿形参数对齿尖应力的影响直接影响切屑的流动过程，对锯切力及齿尖应力有较大影响.较大的锯切力及不合理的应力为了研究锯切轧件时齿形参数对齿尖应力分们将会影响锯片使用寿命和轧件切口质量. 的影响，分析计算出不同齿形参数时的锯切力，有关文献报道，总锯切力为同时锯切齿数并通过有限元方法分析齿尖应力变化情况.在与单齿锯切力的乘积叫计算和试验结果表明：有限元计算中，锯切力加载的方法是：将单齿锯 (1)在齿数相同的情况下，总锯切力随着锯切力按等效原则，以集中力的方式加载到5倍齿前角的增大而迅速下降锯屑厚度长的齿尖上.这样加载的方式考虑到 (2)锯齿前角相同时，总锯切力随着齿数的了切屑排出过程中对齿尖的作用力，计算模型增大略微增大，但变化不大. 如图1，具体计算以某厂用的热锯机为例取如从理论.上讲决定锯切力的大小主要是锯屑下参数：锯片直径为1800mm,据切温度900℃，变形功，包括剪切变形功，摩擦功、动能变化和表面生成能等4个主要囚素，而表面生成能的大小可以忽略. 在锯片直径、轧件高度、进锯速度和锯切速收稿H期20010403李同进月.30岁，硕士图1锯齿的有限元分析模型 Fig.1 The FEM model of the tooth

第卷第期年月北京科技大学学报钧助 ’ 一盯金属锯机锯片齿形参数的设计分析李同进 ” 减勇 ” 陶登奎 ” 冯伟 ” 章博 ‘，北京科技大学机械「程学院，北京莱芜钢铁股份有限公司中型型钢厂莱芜摘针对金属锯机锯片磨损速度过快，使用寿命较短等主要失效形式，研究分析了齿形参数对锯切力和锯齿应力及其分布的影响规律在此基础上，以较小的锯切力和锯齿应力水平、合理的锯齿应力分布为目标给出了合理的齿形参数关份词锯片齿形设计锯切力应力分类号锯机几作一般是在线生产，锯片的一二作状态直接影响了整个生产线的生产率和产品质量由于轧机生产能力的不断提高和对轧件质量要求日趋严格，因此对锯机无论是生产能力，还是锯切质量上都提出了更高的要求本文针对热锯机锯片磨损较快，使用寿命过短等主要失效形式，分析研究了齿形参数对锯切力和锯齿应力及其分布的影响规律，最后优化出了比较理想的齿形参数齿形参数对锯切力的影响锯齿齿形参数包括齿前角、齿顶角、齿数或齿距等齿形参数，尤其是锯齿前后角，由于会直接影响切屑的流动过程，对锯切力及齿尖应力有较大影响较大的锯切力及不合理的应力分布将会影响锯片使用寿命和轧件切口质量有关文献报道，总锯切力为同时锯切齿数与单齿锯切力的乘积 ‘” 计算和试验结果表明在齿数相同的情况卜，总锯切力随着锯齿前角的增大而迅速下降锯齿前角相同时，总锯切力随着齿数的增大略微增大，但变化不大从理论卜讲决定锯切力的大小主要是锯屑变形功，包括剪切变形功、摩擦功、动能变化和表面生成能等个主要因素，而表面生成能的大小可以忽略在锯片直径、轧件高度、进锯速度和锯切速度等一定，轧件与锯齿的相迎角、锯切总厚度等变化不大的情况下，影响轧件变形功的主要是锯齿前角锯切齿数在实用范围内对锯切变形功率没有太大影响，从而对总锯切力的影响也不大当然，在实际锯切时由于存在圆角效应，齿数影响要比理论上更大一些，但也不会发生本质上的变化在相迎角为确定值时，单齿锯切力是随着锯片齿数的增加而减小的，而随齿前角的增大迅速减小同样齿前角对单齿锯切力的影响程度比齿数的影响更显著齿形参数对齿尖应力的影响为了研究锯切轧件时齿形参数对齿尖应力的影响，分析计算出不同齿形参数时的锯切力，并通过有限元方法分析齿尖应力变化情况在有限元计算中，锯切力加载的方法是将单齿锯切力按等效原则，以集中力的方式加载到倍锯屑厚度长的齿尖上这样加载的方式考虑到了切屑排出过程中对齿尖的作用力计算模型如图具体计算以某厂用的热锯机为例取如下参数锯片直径为，锯切温度 ℃ ，收搞日期刁刁李同进男、岁，硕士圈据齿的有限元分析椒型加 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．01．049

·70 北京科按大学学报 2002年第1期进锯速度120mm/s,锯片线速度100m/s,轧件值时，齿尖的应力水平随前角增大而增大，但在材料为Q235. 一5°附近存在一个相对较低的区域，也就是说 2.1齿数对齿尖应力的影响负前角愈大，齿尖的承载能力愈高.而当前角为齿形参数为齿前角0°，齿顶角50°时，变化正时，总的趋势正好相反.这些规律和楔形体的齿数计算出单齿锯切力，再用有限元分析计算受力特性是相符的.第一主应力变化较为复杂，了齿尖应力的变化情况.从计算结果可以看出：以较大前角和一5°时第一主应力水平较低或最齿数不同，锯齿的受力大小也不同，但锯齿小.值得注意的是使最大主应力较低的-°前应力分布情况基本相同.锯齿的受力面附近主角值和使等效应力较低时的前角值是相同的. 要为压应力，而在受力面的近下方则为拉应力， (2)齿尖受力变化的情况.由前面的计算分其水平为全局最高.在齿的背面则存在较高水析知道，随着齿前角的增大，单齿锯切力迅速减平的压应力.从等效应力上看，在齿尖前后面受小.因此在综合考虑了锯齿前角对锯切力的影力区的尺度上均存在较高水平的等效应力.所响之后，可得和图3不同的齿尖应力变化规律，以可以断定齿尖部受力区的稍下方为幅齿最容 190F 易断裂的部位 170 图2为锯齿的最大Von Misses应力和第一主应力随齿数变化的情况.由图可以看出，在其 150 他参数不变的情况下，最大Von Misses应力a,和 120 140 (@)等效应力 (b)第·主应力 (a)等效应力 110L w -15 -10 -5 10 锯齿前角/() 50L 130 60 00 400500 600 300400500 600 b)第一主应力锯齿齿数细齿齿数 120 图工最大应力随齿数变化趋势 110 Flg.2 The trend of the maximum stresses varied with 100 tooth number 第一主应力σ是随齿数的增加而减少的.这是 90 因为在进锯速度不变时，随着齿数的增多，每个 80 锯齿的切削量减小，使得锯切力减小和锯齿尖 -15-10 -5 0 510 锯齿前角() 部的应力水平下降.下降速度在齿数较少时要图3帽切力建值时最大应力随幅齿前角的变化趋势小一些，在齿数较多时变化快些.所以单从齿尖 Flg.3 The trend of the maximum stresses varied with rake 强度上看，增大齿数是有利的，但是齿数的增 angle under constant sawing force 多，将使齿高变小，耐磨性能下降，单次使用寿命降低，修磨工作量加大.所以齿数不能简单地具体如图4（齿顶角为50°和齿数为450齿）.可增多，而应从多方面考虑.一般标准是在要求的以看出，当考虑了前角对单齿锯切力的影响后，使用寿命内，锯齿的摩损高度小于齿高的13，前角较大时锯齿的强度优势较为明显，这对像并仍能立作. 锯齿这样的楔形体是容易理解的.另外在一5° 2,2锯齿前角的影响附近有一个应力水平较低的局部最优点. (1)齿尖受力不变的情况.当齿顶角为50°，因此单从齿尖应力上讲，锯齿的前角值应齿数为450齿时，由给定的锯切力分析锯齿应力尽量取得大一些，特别是应避免较大的负前角随锯齿前角变化的情况，可得图3所示最大应不过在实际应用时，还应考虑到锯齿的容屑体力值随锯齿前角的变化规律.由图可知，在不者积、吐屑性能、后角大小等工艺要求以及齿根处虑锯切力变化时，齿尖应力与锯齿前角的变化的应力情况.对容屑体积、吐屑性能、后角大小关系比较复杂.随着锯齿前角的增大，锯齿应力等工艺参数来讲，一定的负前角更为有利；而对出现了波浪式变化，而且2种应力变化情况也齿根处的应力来讲，以一5°到0°为最佳.因此，不一致.从等效应力总体趋势来看，当前角为负综合各方面的要求和前面的分析结果，锯齿前

，北京科技进锯速度。，锯片线速度而，轧件材料为齿数对齿尖应力的影响齿形参数为齿前角，齿顶角时，变化齿数计算出单齿锯切力，再用有限元分析计算了齿尖应力的变化情况从计算结果可以看出齿数不同，锯齿的受力大小也不同，但据齿应力分布情况基本相同锯齿的受力面附近主要为压应力，而在受力面的近下方则为拉应力，其水平为全局最高在齿的背面则存在较高水平的压应力从等效应力上看在齿尖前后面受力区的尺度上均存在较高水平的等效应力所以可以断定齿尖部受力区的稍下方为据齿最容易断裂的部位图为锯齿的最大为应力和第一主应力随齿数变化的悄况由图可以看出，在其他参数不变的情况下，最大应力氏和大学学报年策期值时，齿尖的应力水平随前角增大而增大，但在一附近存在一个相对较低的区域，也就是说负前角愈大，齿尖的承载能力愈高而当前角为正时，总的趋势正好相反这些规律和楔形体的受力特性是相符的第一主应力变化较为复杂，以较大前角和一时第一主应力水平较低或最小值得注惫的是使最大主应力较低的一。前角值和使等效应力较低时的前角值是相同的齿尖受力变化的情况由前面的计算分析知道，随着齿前角的增大，单齿锯切力迅速减小因此在综合考虑了锯齿前角对锯切力的影响之后，可得和图不同的齿尖应力变化规律，等效应力重右裂岑一厂一一分锯齿前角弓﹄公一一气︸占一一飞甘了锯齿齿数锯齿齿数圈大应力随齿数变化趁势址扮血幼卜姗一阅初恤加第一主应力。，是随齿数的增加而减少的这是因为在进锯速度不变时，随着齿数的增多，每个锯齿的切削减小，使得锯切力减小和锯齿尖部的应力水平下降下降速度在齿数较少时要小一些，在齿数较多时变化快些所以单从齿尖强度上看，增大齿数是有利的但是齿数的增多，将使齿高变小，耐磨性能下降，单次使用寿命降低，修磨工作量加大所以齿数不能简单地增多，而应从多方面考虑一般标准是在要求的使用寿命内，锯齿的摩损高度小于齿高的，并仍能土作据齿前角的影响齿尖受力不变的情况当齿顶角为、齿数为齿时，由给定的锯切力分析锯齿应力随锯齿前角变化的情况，可得图所示最大应力值随锯齿前角的变化规律由图可知，在不考虑锯切力变化时，齿尖应力与锯齿前角的变化关系比较复杂随着锯齿前角的增大，锯齿应力出现了波浪式变化，而且种应力变化情况也不一致从等效应力总体趋势来看，当前角为负目里一护一成一据齿前角，圈翻切力定位时大应力随齿前角的变化位势叭恤劝一侧翻目初它，砂如山一加具体如图齿顶角为和齿数为齿可以看出，当考虑了前角对单齿锯切力的影响后，前角较大时锯齿的强度优势较为明显，这对像锯齿这样的楔形体是容易理解的另外在一附近有一个应力水平较低的局部最优点因此单从齿尖应力上讲，锯齿的前角值应尽取得大一些，特别是应避免较大的负前角不过在实际应用时，还应考虑到锯齿的容屑体积、吐屑性能、后角大小等工艺要求以及齿根处的应力情况对容屑体积、吐屑性能、后角大小等工艺参数来讲，一定的负前角更为有利而对齿根处的应力来讲，以一到为最佳因此，综合各方面的要求和前面的分析结果，锯齿前

VoL24 No.1 李同进等：金属锯机锯片齿形参数的设计分析 71 150 140 (a)等效应力 (a)等效应力 200 130 120 160 110 100 120 0 80 -10 -50 80 -15 10 15 40 45 5055 60 65 锯齿前角) 110 齿顶角() (b)第一主应力 200 100 b)第-主应力 160F 80 120 6 60 80 40 -15-10 40L -501015 40 45 50 55 60 65 锯齿前角() 齿顶角) 图4最大应力随锯齿前角变化趋势田5最大应力随齿顶角的变化趋势 Fig.4 The trend of the maximum stresses varied with Fig.5 The trend of the maximum stresses varied with rake angle(considering the change of sawing force) the apex angle of tooth 角应取为-5°较为适宜. 23齿顶角的影响 3结束语图5为最大应力值随锯齿顶角变化情况（齿 (1)运用理论分析和有限元方法相结合的方前角-5°、齿数450).由图可看出，最大等效应力法研究齿形参数对锯切力和锯齿应力的影响是和第一主应力随齿顶角变化趋势基本相同，随一种有效的方法. 齿顶角增大应力水平下降.当齿顶角大于50°之 (2)综合考虑锯齿的强度和工艺性能，齿形后，应力的下降趋势变缓.这是因为当齿顶角较参数取前角为-5°左右，齿顶角为50°左右比较大时，齿尖的应力偏载严重，齿后半部承载较适当. 少，作用不大.因此，为保证齿尖的锋利性及容参考文献屑体积，齿顶角应以不大于50°为宜，对顶角较 1减勇，邹家样.锯切过程力能参数的研究U.北京钢小的瘦高齿，为提高锯齿的抗冲击性能，可采用铁学院学报，1988(1)：55 削尖的狼齿牙形和后面加大的弧背齿形 2 邹家祥，减勇.金偏热锯机锯齿应力分析)重型机械，1988(10)：46 3 邹家样，减勇.金属热切圆，片实验研究U重型机械，1990(2)：18 Analysis on the Tooth Shape of the Saw Blade LI Tongjin",ZANG Yong",TAO Dengkui,FENG Wei,ZHANG Bo" 1)Mechanical Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Laiwu Iron and Steel Ltd,Laiwu 271104,China ABSTRACT In order to resolve the main failure of the saw blade for metal cutting and extend its life-span, the influence of tooth shape parameters on the sawing force and the stress in blade tooth has been analyzed. Based on this work,the optimal tooth shape parameters have been given,which will make the sawing force and the stress in blade tooth lower. KEY WORDS saw blade;tooth shape;sawing force;stress