耐冲击型金刚石圆锯片锯切受力的数值模拟(二)*——以新型半圆形水槽锯片为例

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，具有便捷、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的应用主要以钢筋混凝土等作为切割对象，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，因而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也比传统石材加工用锯片基体的更高，主要体现为屈强比要求高，基体刚性要更好，同时基体齿部耐冲击性要求更高[3]。因此，在建筑施工领域锯片的使用过程中，由于冲击力和负荷的急剧变化，金刚石锯片基体容易变形，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，不但缩短了锯片的使用寿命，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，为减少锯片基体在高强度、大冲击工况下使用时出现裂纹等，国内外同行一方面从金刚石刀头的配方和金刚石有序排列的角度改进，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。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、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的特点及存在问题。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，高应力区均大大缩小。综合现有技术进行分析，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：将传统的U形水槽优化为全新的半圆形水槽，这种水槽结构使得锯切时的齿根部应力过于集中的现象得以消除，避免因局部受力而产生裂纹，极大地提高了锯片基体的耐冲击性能。

因此，针对半圆形水槽新型齿形结构的金刚石锯片基体，建立了相应的锯切时受力的有限元模型，开展了传统U型槽齿形和新型的半圆齿形水槽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 耐冲击型金刚石圆锯片锯切受力的有限元建模

1.1 确定结构参数、定义单元类型和材料属性

建模时，对圆锯片进行一定的简化，传统的U形水槽和新型半圆形水槽圆锯片的主要尺寸为：外径350 mm、内孔50 mm、齿数24、基体厚度2.0 mm、刀头3 mm×7 mm(宽×高)，传统的U形水槽尺寸为10 mm×15 mm,新型半圆形水槽尺寸为R5 mm；锯片基体、刀头的材料特性参数如表1所示。

表1 金刚石圆锯片基体和刀头的材料特性

根据上述金刚石圆锯片的基本结构参数和材料特性参数建立有限元仿真模型，为保证锯切时受力情况一致，设定传统U型水槽和半圆形水槽齿形锯片基体的齿长一致。

由于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，因此在建模时定义了2种单元类型：壳单元SHELL63和体单元SOLID45。根据表1的基体和刀头对应的材料属性参数，对平面薄板结构的金刚石圆锯片基体简化其平面应力模拟，选用板壳单元SHELL 63，对厚度与基体不同的刀头节块，选用SOLID45体单元来模拟其实际受力情况，得到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。

(a)传统U型水槽Traditional U-shaped sink(b)新型半圆形水槽New semi-circular sink图1 2种结构类型的金刚石圆锯片的有限元仿真模型Fig. 1 Finite element simulation model of two types of diamond circular saw blades

1.2 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，程序自动控制单元大小。为便于水槽齿部周围有限单元的划分，统一采用四边形单元。另外，由于水槽齿部所处位置是应力集中敏感区，须将水槽附近的网格进一步细化，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所示。

1.3 定义约束及施加载荷

锯片在锯切时由中孔和法兰盘固定在主轴上，且锯切加工时只有绕轴向的转动，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：锯片锯切转速为1 000 r/min，进给速度为1.8 m/min，锯切进刀量为20 mm，其中刀头宽度为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个齿参加锯切加工，求得其切向力Ft=257 N，径向力Fn=59 N。此时可以认为这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，且载荷将均布于2个刀头结块的顶面和侧面上。

(a)金刚石圆锯片划分网格后模型Diamond circular saw blade meshed model(b)传统U型水槽网格细化Traditional U-shaped sink mesh refinement(c)新型半圆形水槽网格细化New semi-circular sink mesh refinement图2 划分网格后的有限元模型Fig. 2 Finite element simulation model after meshing

2 仿真结果与分析

2.1 圆锯片变形情况分析

传统U型水槽圆锯片和新型的半圆形水槽圆锯片综合变形(USUM)分布云图如图3、图4所示，其USUM综合变形最大值见表2所示，表2中η1=(1-新型锯片的变形值/传统锯片的变形值)×100%。

图3 传统U型水槽圆锯片综合变形(USUM)云图

图4 新型半圆水槽圆锯片综合变形(USUM)云图

锯片类型综合变形USUM最大值Dmax/mm 传统U型水槽齿形0.009 211新型半圆形水槽齿形0.008 146η111.56%

由图3、图4及表2可知：在承受相同载荷的情况下，与传统的U型水槽金刚石圆锯片相比，新型的半圆形水槽圆锯片最大变形量减少了11.56%。说明新型齿形结构的锯片较传统齿形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[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。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U型水槽圆锯片、新型的半圆形水槽圆锯片的第一、第三主应力分布云图如图5～图8所示，其第一、第三主应力最大值如表3所示，表3中的η2=(1-新型锯片对应应力最大值/传统锯片对应应力最大值)×100%，且第一主应力为拉应力，第三主应力为压应力。

(a)分布云图 Stress distribution(b)局部放大图Partial enlargement图5 传统U型水槽圆锯片第一主应力S1分布云图及局部放大图Fig. 5 Distribution of 1st principal stress S1 of circular sawblade with traditional U-shaped sink and its partial enlargement

(a)分布云图 Stress distribution(b)局部放大图Partial enlargement图6 传统U型水槽圆锯片第三主应力S3分布云图及局部放大图Fig. 6 Distribution of 3rd principal stress S3 of circular saw blade with traditional U-shaped sink and its partial enlargement

(a)分布云图 Stress distribution(b)局部放大图Partial enlargement图7 新型半圆水槽圆锯片第一主应力S1分布云图及局部放大图Fig. 7 Distribution of 1st principal stress S1 of circular saw blade with new semi-circular sink and its partial enlargement

表3 2种锯片应力最大值比较(绝对值)

(a)分布云图 Stress distribution(b)局部放大图Partial enlargement图8 新型半圆水槽圆锯片第三主应力S3分布云图及局部放大图Fig. 8 Distribution of 3rd principal stress S3 of circular saw blade with new semi-circular sink and its partial enlargement

由图5～图8及表3分析可知：在承受相同锯切载荷的情况下，传统U型水槽圆锯片、新型的半圆形水槽圆锯片的最大应力均发生在水槽的圆弧底部，受到的最大应力集中出现在锯齿的水槽周围。从第一、第三主应力分布云图看出，新型的半圆形水槽圆锯片和传统U型水槽圆锯片相比，高应力区均大大缩小，且应力均衡，应力值显著下降(只考虑应力绝对值)，且应力最大值分别降低了24.04%和34.19%，这也说明新型半圆形水槽圆锯片在变形、应力方面较传统齿形锯片有了较大改善。在变形和应力一定的情况下，新型的半圆形水槽圆锯片比传统齿形锯片能承受更大的载荷或冲击，说明该新型的齿形结构适合用于耐冲击型金刚石圆锯片。

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，新型半圆形水槽圆锯片较传统U型水槽圆锯片在锯切受力时的变形量减少11.56%，表明与传统齿形锯片相比，新型齿形结构锯片能承载更大的载荷。

(2)从第一、第三主应力分布云图可看出，新型半圆形水槽圆锯片和传统U型水槽圆锯片相比，第一、第三主应力分别降低24.04%和34.19%，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。