双金属带锯条齿形设计及切削性能模拟分析

2019-01-18林健

中国设备工程 2019年18期

林健

（福建恒而达新材料股份有限公司，福建莆田 351142）

双金属带锯条自问世以来，根据自身具备的优势受到了全世界人民的青睐，从而带动带锯条工业的发展，它既满足了锯齿锯背不同方面的需求，也实现了齿尖强大的耐磨性和坚硬度，让双金属带锯条拥有精准的切削度，以提升工作效率，促进锯切行业的蓬勃发展。我国双金属带锯条水平仍有待提高，因此需要对双金属带锯条齿形设计和切削性能进行细致的模拟分析，以便提高我国双金属市场的发展水平。

1 双金属带锯条的齿形设计

1.1 双金属带锯条的齿形分类

双金属带锯条是指齿尖材料为高速钢或者其他高性能钢材，一般利用低合金弹簧钢的金属切割带锯条作为锯带材料。它具有高耐磨性高、高红性、锯齿不易断裂、使用寿命长久等优势。双金属带锯条的分类根据依托的标准不同具有以下分类：（1）按照前角区分，前角0°的为标准齿、前角3°到10°之间且具有正前角的为钩齿。（2）按照齿槽底部形状区分，齿槽底部为圆弧的称为圆弧齿槽，齿槽底部为直线的称为直齿槽。（3）按照齿距区分，齿数固定的是等齿距，非固定的为变齿距。（4）按照齿背形状区分，前角0°到10°，齿背为直线的是直背齿，而齿尖角为58°到60°，齿背为龟背状的是龟背齿。（5）根据不同材料的横截面设计出标准齿、跳齿、龟背齿，双后角齿、抗拉齿。标准齿设计由前刀面、后刀面和齿底圆弧构成齿槽的齿型；跳齿设计由锯齿的形状基本是标准齿，但切除了每一相向齿；龟背齿设计后刀角较小，后刀面由一平面和凸起的弧面构成，以提高齿部强度；双后角齿设计由两个后角构成后刀面的齿型，齿部强度较高。抗拉齿设计近似由标准齿和龟背齿的组合，具有锋利的齿尖和高强度的齿背。

1.2 双金属带锯条的分齿类型及特点

双金属带锯条的分齿类型可分为以下五种：（1）交替分齿，它可以逐个交替向左右分齿。（2）改进型斜向分齿，按照左、右、左、右、不分的循环方式进行分齿工作。（3）斜向分齿，它的循环方式是左、右、不分。（4）可变斜向分齿，它的特点是根据锯齿形式的不同决定分齿顺序。（5）波形分齿，多个锯齿有规则的在每边进行变化。

2 双金属切削性能的概述

随着时代的发展，对双金属锯条的切削性能也提出了更高的要求，其中硬质合金钢带锯条对于耐热钢、工具钢、钛合金等难切割的材料能够起到有效的切削性能。实际上，金属的切削加工就是对工件上无用的材料进行切除，并按照一定形状进行修整。常见的切削方法有车削、磨削、钻削等，切削力主要来源于工具和工件弹性与塑性变形抗力之间形成的摩擦力。在工具进行切削操作时，根据被切削的金属流动轨迹可把工件分为三个变形区：剪切面的主要变形区、切屑和刀具前刀面接触到的位置即第二变形区、还有已加工表面和切削刃钝圆接触的第三变形区域，该区域易受到厚道面的挤压摩擦，因此，对加工表面具有重大影响。

3 双金属带锯条齿形设计和切削性能的模拟分析

3.1 双金属带锯条齿形参数的模拟分析

（1）齿形参数的单因素。双金属带锯条的齿形设计需要根据不同的锯切需求进行对应齿形的选择。一般情况下，等齿适用于实心建材与小径实心建材的成束切割，但它很容易与机床的固有频率发生共振现象，从而损坏锯条和工件。变齿具有规律的变化，所以在它操作过程中可以有效地避免翻卷现象，可用于高速切削,与常规齿节相比，它的通用性更大。至于龟背齿，它的楔角比正常齿的楔角大，强度较好，所以更适用于强力切削，以便提高生产效率。对齿形设计的齿形参数进行模拟分析主要有单因素模拟法和正交实验模拟法。根据相关实验我们可以得出如下结论：当主切削力受前角影响较大时，它会随着前角的增加而减小，所以前角越小对于切削力的降低就越有利，而在齿尖处的应力也会随着前角增大而增大，刀具齿尖角则会随着前角的增加而减小，这将会降低刀具的使用寿命；当主切削力受后角影响较小时，主切削力的值就会随着后角增加而发生缓慢的增大，齿尖处应力会随着后角增加而变大，刀具齿尖角也会随后角的增大而减小，这样也会导致刀具使用寿命减少。

（2）正交模拟分析。切削刃附近的应力会随着钝圆半径的增加而减小，所以增加切削刃附近的厚度，可以有效地减小齿尖断裂的风险。由于钝圆半径较小，所以在应用正交模拟分析法时，并不将其作为变量。根据实验表明，双金属带锯条的分齿设计实际上是为了排屑，若分齿量过小则不利于顺利排屑，而较大也会造成钜缝变宽，这样也会增加锯切时间，不利于工作效率的提升，所以在双金属带锯条齿形实际设计中，需要考虑切削力及应力因素，对前角和后角的值进行减小。

3.2 双金属切削性能的模拟分析

（1）工艺参数切削量的单因素。根据切削力与切削量的变化情况来分析切割力差距，在以龟背齿和直背齿为实验对象的实验中得出两者切削力几乎重合，并且主切削力会随着切削量的增加而呈直线增加，这对于抗力和切深抗力都有略小的影响。同时，切削刃附近的应力也会随着切削量呈正相关，而且温度也会随着切削量的增加而升高，这表明，龟背齿齿部会比直背齿更加耐用。

（2）切削速度的单因素。对双金属切削装置进行模拟探究期间，也可以通过切削速度的单方面影响因素进行剖析。其一，切削量对切削刀产生一定的影响。当双金属切削量处于不断增加的状态时，主切削力也会随切削量的增加而增加，两者保持着正比例增长的态势，但主切削力与龟背齿之间的力，却随着切削角的变化发生着负趋向改变。其二，切削量的变化会对应力造成一定的干扰。我们通过模拟分析可知：当切削量增加时，切削刀一般是处于单面受力的状态，而另一端在极少接受到外部受力的状态，切削刀本身的龟背齿轮刀刃并不会增加切削量的外部压力；其三，切削量的数值变化，也与切削刀本身的温度之间有着一定的关系。模拟进行切削切割时，当切削刀刃周围的温度不断升高后，切削量会相应的出现减少的趋势。也就是说，当切削刀处于周围环境高度摩擦的状态下，切削量数量会受到相应的干扰。

（3）切削有限元软件。对双金属带锯条的切削水平进行分析时，也要运用有限元进行模拟分析。其实践要点主要归纳为：①运用数据分析模型，模拟双金属带锯条的做功体系，建立三维切削分析模型，并设定刀具宽度、金属厚度、以及摩擦边界三者为有限元分析的三个变化量；②按照切削模拟有限元分析数字模型流程结构，分别对材料“草绘- 平整- 折弯”三种状态下，切削操作数据变化情况进行分析，然后对应记录分析数据的结果变化，在有限元模拟坐标点上标注出来。③确定模拟分析参数。即所选择的切削材料，本次包括铝、钛合金两种。模拟分析后发现：当双金属带锯条的齿形系出于刀具宽度、金属厚度、摩擦边界三者比为1:2:1 的状态时切削性能最佳。若刀具宽度的选择过后，材料切割后容易留下边缘切痕；若金属厚度不够，切割后材料容易变形；若摩擦边界过大，切割两侧角度不够均匀。