耐冲击型金刚石圆锯片锯切受力的数值模拟*——以钥匙孔水槽底孔中镶铜钉的锯片为例

胡 欢, 张云才, 李春林, 赵 磊

(黑旋风锯业股份有限公司, 湖北 宜昌 443005)

金刚石锯片具有优越的切割性能和便捷、加工效率高等优点，不仅应用于石材、超硬材料的加工，而且在各种道路(机场跑道、沥青路面等)及建筑物的改造与拆除等建筑施工领域的应用亦越来越广泛[1-2]。金刚石锯片在建筑施工领域主要以钢筋混凝土等为切割对象，但由于钢筋在混凝土中随机分布、混凝土内部存在不连续点甚至裂缝等原因，锯片基体在切割过程中的受力状态与切割机理极为复杂，对锯片基体的性能要求比对传统石材加工用锯片基体的性能要求更高，主要体现为屈强比(屈服强度/抗拉强度)要求更高，基体刚性要更好，同时基体齿部的耐冲击性要求更高[3]。因此，金刚石锯片在建筑施工领域使用过程中由于冲击力和负荷的急剧变化，锯片基体容易变形，尤其是锯片刀头易掉齿或基体水槽底部易产生裂纹等问题，不但降低了锯片的使用寿命，同时锯切加工时易形成较大的安全隐患。

已有的研究成果表明,为减少锯片基体在锯片高强度、大冲击工况下出现使用裂纹等，国内外同行一方面主要改进金刚石刀头配方和使用金刚石有序排列，使锯片在切割过程中更加锋利[4-5]；另一方面，通过对基体和锯齿结构的合理设计,提高锯片的抗冲击能力,来提高其锯切效果。胡映宁等[2]介绍了国内外优化金刚石圆锯片基体及锯齿结构的有关成果，如锯片基体开气流孔槽或镶阻尼材料，形成锯齿中凹磨损的三明治夹层齿、多重细齿、径向延伸齿和硬质合金护齿等,分析了各种用于干切削、抗冲击和低噪音的锯片基体及锯齿结构特点及存在问题；仇君等[6]研究发现：合理的水槽结构能使锯片的应力分布均衡,高应力区大大缩小。

将二者综合起来考虑，发现用现有技术对水槽形状进行优化改进，工业化控制的难度低，且效果较为明显。如专利[7]介绍：在传统钥匙形水槽的底槽圆孔中镶入铜钉填充材料，因镶入水槽底部圆孔中的铜钉较软，起到很好的缓冲作用，使得锯切时水槽底孔处应力过于集中的现象得以消除，避免因局部应力集中而产生的裂纹，极大地提高了锯片的耐冲击性能。

针对钥匙孔水槽底孔中镶入铜钉的新型齿形结构的金刚石锯片基体，建立其相应的锯切受力时的有限元模型，开展传统钥匙孔水槽齿形和新型的钥匙孔水槽底孔中镶入铜钉等不同类型的金刚石圆锯片锯切受力的数值模拟对比研究，探究其应变及应力的变化规律。

1 金刚石圆锯片锯切受力的有限元建模

1.1 圆锯片结构参数及材料属性

圆锯片基体材料为锯片专用钢50Mn2V，其主要尺寸如表1所示，其刀头尺寸的宽为刀头沿基体方向的尺寸，刀头尺寸的高为刀头沿基体外径方向的尺寸。锯片基体、刀头和铜钉的材料特性参数如表2所示。

表1 圆锯片结构参数

表2 金刚石圆锯片的材料特性

1.2 定义单元类型

根据表1和表2的金刚石圆锯片基本结构参数和材料特性参数建立有限元仿真模型，为保证锯切时锯片的受力情况一致，设定传统钥匙孔齿形和新型钥匙孔镶铜钉齿形的锯片基体齿长是一致的。

由于表1中的金刚石圆锯片基体的径厚比较大，属于典型的平面薄板件，其受力可简化为平面应力问题，因此在建模时选用了ANSYS软件分析时常用的2种单元类型：壳单元SHELL63和体单元SOLID45。根据表2的基体材料、刀头结块材料和镶嵌铜钉材料对应的材料属性参数，对于薄板平面结构的金刚石圆锯片基体简化的平面应力情况，选用板壳单元SHELL63，2种结构类型的金刚石圆锯片的有限元仿真模型如图1所示。

由于金刚石圆锯片刀头节块的厚度与基体不同，钥匙孔底孔中镶嵌铜钉的材质与基体不同，因此选用SOLID45体单元类型来模拟其实际受力情况。

1.3 网格划分

使用ANSYS分析软件中的网格划分选项Smart sizing进行智能网格自由划分，程序自动控制有限单元大小。为便于水槽齿部周围的有限单元划分，统一采用四边形单元。另外，由于水槽底部所处位置是应力集中敏感区，须将水槽附近的网格、铜钉与底孔交界面上的网格进一步细化，以便更精确地反映出整个有限元模型的状态。其划分网格后的有限元模型如图2～图4所示。

1.4 定义约束及施加载荷

锯片在锯切过程由中孔和法兰盘固定在主轴上，且锯切加工时只有绕轴向方向的转动，因而在其他自由度上是固定的，而转动由电机带动，理想切割状态下为匀速转动，也可认为是受约束的。因此，基体内孔整个圆环面积受到全约束，即ANSYS模型受全约束。

依据建模时锯片的相关参数，再参考文献[1]，锯切过程中的主要工作参数设定为：锯片锯切转速1 000 r/min，进给速度1.8 m/min，锯切进刀量20 mm/次(单次进刀深度)，其中结块宽度为3 mm。根据金刚石锯片的力学模型[8-10]，可计算出同一时刻有2个齿参加切屑时的切向力为Ft=257 N，径向力Fn=59 N。此时，可认为2个齿承受了所有的压力，受力位置为刀头的顶面和侧面，其面积分别为An和At，则单个齿侧面的均布载荷Pt=Ft/(At/2)=6.119 MPa，单个齿顶面均布载荷Pn=Fn/(An/2)=0.246 MPa，且载荷将均布加至2个刀头结块的顶面和侧面上。

2 仿真结果与分析

2.1 圆锯片变形情况分析

传统钥匙孔齿形圆锯片以及新型钥匙孔水槽镶铜钉齿形圆锯片综合变形D值分布云图如图5～图6所示，其综合变形D最大值见表3所示，表3中：

η1=(1-2#的变形最大值/1#的变形最大值)×100%。

表3 2种锯片的综合变形最大值比较

由图5～图6及表3发现：在承受相同载荷的情况下，与传统的金刚石圆锯片1#相比，新型钥匙孔水槽镶铜钉圆锯片2#的综合变形D最大值比传统1#的减少了6.36%，说明新型齿形结构的锯片较传统锯片在锯切受力时的变形量减小。因此，在变形量一定的前提下，新型齿形结构的锯片能承载更大的载荷。

2.2 圆锯片应力情况分析

根据第三强度理论，圆锯片的基体材料许用应力为S=S1-S3[1]，其中S1和S3分别表示圆锯片所受的第一和第三主应力，即圆锯片在锯切过程中所受的应力不能超过许用应力S。因此，研究锯片受到的第一、第三主应力大小以及应力集中的情况，就能够判断锯片的优劣。传统钥匙孔水槽圆锯片1#以及新型钥匙孔水槽镶铜钉齿形圆锯片2#的第一、第三主应力分布云图见图7～图10所示；其第一、第三主应力最大值见表4所示，表4中：

η2=(1-2#的对应应力最大值/1#的对应应力最大值)×100%

其中，第一主应力为拉应力，第三主应力为压应力。

由图7～图10及表4的结果可知：在承受相同锯切载荷的情况下，传统钥匙孔水槽圆锯片1#的最大应力均发生在水槽的圆弧底部，即受到的最大应力集中出现在锯齿的水槽圆弧周围；而新型钥匙孔水槽镶铜钉齿形圆锯片2#的最大应力及应力集中出现在铜钉顶部与水槽接触处。同时，2#和1#相比，高应力区大大缩小，且应力均衡，应力绝对值显著下降，且应力最大值分别降低了38.04%和41.36%。这也说明在使用新型钥匙孔水槽镶铜钉齿形圆锯片与传统齿形锯片相比，在变形、应力方面都得到了较大改善。在变形和应力一定的情况下，新型钥匙孔水槽镶铜钉齿形圆锯片比传统齿形锯片能承受更大的载荷或冲击，说明该新齿形结构适合用于耐冲击型金刚石圆锯片。

表4 2种锯片的应力最大值

3 结论

(1)建立了耐冲击型新型齿形结构的金刚石圆锯片锯切受力的有限元模型。在承受相同载荷的情况下，新型钥匙孔水槽圆孔中镶铜钉锯片较传统钥匙孔水槽锯片在锯切受力时的变形量减少6.36%，表明新型齿形结构锯片与传统齿形锯片相比，能承载更大的载荷。

(2)从第一、第三主应力分布云图看出，新型钥匙孔水槽镶铜钉齿形圆锯片和传统钥匙孔水槽圆锯片相比，第一、第三主应力分别降低38.04%和41.36%，并且对应的高应力区均大大缩小，应力均衡，表明新型齿形结构锯片较传统齿形锯片在同等条件下的应力明显改善，耐冲击性能显著提高。