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如何避免切斜?
來源: 鋸切天地 時間:2019-04-24 18:06 :36 字體:[]

摘要:基于簡支梁模型,分析了帶鋸條在切削時的受力情況。對帶鋸條引入“刀彎”后, 通過簡支梁模型建立了張緊力、齒部張力以及刀彎之間的關系。通過對中大型模具鋼 738H 的鋸切,證明了正刀彎對防止切斜具有重要的作用。鋸切時,當帶鋸條的正刀彎達到 55mm/6m 時,其齒部張力為背部張力的4.15倍,鋸切刀數為常規帶的 5 倍。隨著鋸切刀數的增加,正 刀彎值在不斷變小。當帶鋸條齒尖的磨損量達到 0.20-0.25mm,正刀彎值降低至 33mm/6m 時,齒部張力在克服切削阻力后不足以維持帶鋸條齒部繃直狀態,造成橫向振動,從而導致切斜失效。


1 引言

隨著我國塑料工業的迅速發展,對塑料模具用鋼的需求量越來越大,并對鋼的質量和性能要求越來越高[1,2],尤其是對大中型精密的長壽命塑料模具用鋼要求也越來越高。如德國蒂森克虜伯開發的GS738H,預硬化后硬度為31-35HRC,具有更高的光整性和更加優良的切削 性能。 雙金屬帶鋸條切斷是大型模具鋼備料的常用工具。M42是帶鋸條應用最廣泛的高速鋼齒材,用它制作的帶鋸條除了鋸切普通金屬外,還可以用來切削高溫合金、工具鋼和模具鋼等 [3]金屬材料。對于金屬材料的鋸切,近年來,諸多學者對帶鋸條在鋸切表面質量上做了相當 多的研究[4-7],但是對于中大型材料“切斜”(垂直度誤差)的問題并未涉及。中大型模具鋼的鋸切,由于臥式鋸床兩導向臂間距較大,從失效形式看主要以鋸切后工件“切斜”為主。對于 鋸切過程,從現有研究來看,以 Mote 教授為代表的學者[8,9]認為,鋸切振動對切斜有非常重要的影響;以Sarwar教授為代表的學者[10-12]則從鋸切磨損機理方面闡述齒尖磨損對切斜的影響;李海麗等[13]則從帶鋸條制造工藝上闡述了熱處理對切削性能的影響。“刀彎”作為帶鋸條的工藝屬性,是指帶鋸條在一定長度范圍內沿某一方向的彎曲程度。對于刀彎是否對大型模具鋼產生切斜有影響,這一方面未曾有過研究報道。雖G. A. Ulsoy 等 [14]通過運動梁模型對帶鋸條受力進行了分析,認為橫向振動是造成切斜的主要原因,但是未能解釋刀彎與橫向振動之間的關系,因此本文采用簡支梁模型,對鋸切過程中進入工件內部 的帶鋸條部分以及帶鋸條引入刀彎后,帶鋸條齒部以及背邊的所受張力情況進行了分析。最 后通過采用不同刀彎的帶鋸條進行鋸切驗證,從理論和實踐證明了刀彎對防止切斜具有重要的作用,并建立了鋸床張緊力、刀彎以及帶鋸條齒部張力之間的聯系。


2 建立簡支梁模型 

2.1 帶鋸條工作狀態下受力分析

金屬帶鋸床主要由驅動裝置、鋸盤、導向裝置、進給裝置、張緊裝置、工件夾緊裝置、 鋸架及底座等組成。在切削過程中,帶鋸條在主動鋸輪的驅動下作循環往復運動。由于鋸切抗力的作用,帶鋸條緊邊段所受到的拉力Ft的作用,松邊段受到拉力Ft的的作用,為了便于對切削狀態下帶鋸條進行受力分析,假定:①帶鋸條運動過程中潤滑充分,鋸條與導向塊之間的摩擦力可忽略不計;②被切工件材料各向同性,帶鋸條齒部的受力僅與單齒切深相關。 簡化后帶鋸條受力狀態如圖1所示。其中Fc為主動輪提供帶鋸條的切削力,Fc1為進入工件部分各個齒受到的鋸切抗力,Fp1 和Fp2 分別為導向柱施加給帶鋸條的進給力,Fp1為齒部所受進給抗力。根據平衡方程,有

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2.2 帶鋸條工作狀態下簡支梁建模 

將帶鋸條在切削狀態下的受力情況抽象為受均勻載荷分布的簡支梁模型(見圖 2)。根據 簡支梁模型可知

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取彎曲撓度最大截面處MN 左邊段進行受力分析(見圖 3),則在截面 MN 處產生的最大撓度、彎矩、彎曲應力以及截面轉動慣矩分別為

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式中,E為彈性模量;L為帶鋸床兩導向臂之間的間距;Iz為截面對中性面轉動慣矩;b為截面MN的寬度;h為截面MN的高度。

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對于國內的鋸床,帶鋸條在張緊狀態下,一般施加的張緊力 Ft30000Psi(見圖 4a), 在切削過程中,帶鋸條在截面MN 受到的最大彎曲應力為σMN=21277Psi ,其中背部受拉應力,而齒部受壓縮應力(見圖 4b),在鋸床張緊力以及帶鋸條彎曲應力的共同作用下,切削段受到的應力狀態(見圖 4c)。由圖可知,在切削狀態下,齒部受到的拉應力由于鋸條本身產生的彎曲應力與張緊力相互抵消而明顯減小,而其背邊受到的拉應力則明顯增加。因此,鋸切中大型工件時,由于進入工件的齒數較多,但齒部受拉應力小,帶鋸條在工件中會因拉應力不足而發生橫向振動,從而導致工件切斜和切斷面不光滑。另外,背邊在切削時,受拉應力相比原來的張緊力增加近 1.7 倍,在高拉應力情況下會導致背邊的提前開裂,造成帶鋸條的提前失效。


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2.3 帶鋸條引入刀彎后應力狀態分析

為了解決帶鋸條鋸切中大型工件切斜的問題,結合前面帶鋸條在鋸切過程中的受力分析, 在帶鋸條中引入刀彎(見圖 5)。

刀彎有正刀彎和反刀彎之分,正、反刀彎的區別主要是以帶 鋸條的齒部為基準,齒部內凹的為正刀彎(Concave),齒部外凸的為反刀彎(Convex)。

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刀彎值為單位長度L內的C值。 L的取值一般為6米。由簡支梁模型可知,引入刀彎后其產生的力矩Mc為

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由彎矩 MC 引起的在帶鋸條截面MN 上產生的應力σ MN  為

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式中,p為刀彎的曲率半徑; E 為彈性模量,。 由圖 5 可知,在刀彎為C=15mm/6000mm 時,其曲率半徑 p 為

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在張緊力和彎曲應力作用下,其應力圖如圖 6 所示。當正刀彎增加到C=50mm/6000mm 時,帶鋸條橫截面上應力分布如圖 7 所示。

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由以上分析可知,引入“刀彎”工藝屬性后,帶鋸條在切削時,其齒部的應力狀態由原來 的壓應力變成拉應力,在帶鋸床張緊力的作用下,齒部保持繃直的狀態,對于克服橫向振動 起到了很好的作用。


3 模型實驗驗證 

3.1 試驗材料及方案 

試驗材料選用大截面預硬型塑料模具鋼(738H)方料,材料規格為長度為 1000mm,高 度為 600mm,表面及心部硬度為 34-35HRC。帶鋸條選用 Bichamp 公司生產的高端雙金屬鋸 條——泰鋸 HB 67×1.6-1/1.25-8800,齒材選用 M42,熱處理后硬度為 960-980HV30。鋸床選 用 Everising 的 H-1080 鋸床,帶鋸條張緊應力為 30000Psi。 實驗鋸切參數第一刀采用線速度為 20m/min,背壓采用 4.0 檔,進給量采用 0.5mm/min 進行磨合,磨合后采用線速度 30m/min,背壓 5.0 檔,進給量 0.9mm/min 進行鋸切。切斜量 采用角尺和鋼尺進行測量。切斜量的標準為≤5mm。 


3.2 試驗結果 

實驗對 4 根帶有不同刀彎值的雙金屬帶鋸條進行鋸切實驗,其具體切削結果見表 1。

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從鋸切試驗來看,當帶鋸條的刀彎值C=15mm/6000mm 時,帶鋸條在磨合階段出現切斜 的情況,而且切斜量(垂直度誤差)較大,達到 7mm,鋸條也由于早期切斜而提前失效。對失效的鋸條齒部進行分析,齒部的磨損量非常小,約為 0.05mm(見圖 8)。從齒部磨損的情 況看,磨損量小意味著齒尖具有足夠的鋒利性,鋸條不會因為變鈍而增加鋸切抗力,導致鋸 條在工件內振動。因此根據前面的公式,可知鋸條的提前切斜失效主要還是與齒部應力狀態 有關。在張緊力作用下,齒部所受應力一部分用于維持鋸條的繃直狀態,一部分用于克服齒 部所受切削阻力。對于刀彎≤15mm/6m 時,其齒部所受張力≤34499Psi,克服鋸條鋸切抗力后, 由式(1)可知,其F't減小,因此帶鋸條齒部所受張力不足以維持鋸條繃直狀態,從而出現 帶體在工件內橫向振動,此時鋸切過程中發現帶體抖動較大,產生較大的噪音,繼而出現切斜的現象。

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當刀彎C30mm/6000mm時,由于齒部張力上升,進入工件內的鋸齒始終處于繃直狀態, 未出現振動的情況,因此鋸切的刀數也相應增加。特別是刀彎達到 50~60mm/6m 時,鋸切面 積達到了 3 ㎡,通過對失效的鋸條齒部進行檢測發現,齒部的磨損量已經達到了 0.20~0.25mm (見圖 9),此時主要是鋸切抗力F'ci 的急劇增加,導致齒部張力小于切削力使得鋸齒邊發生形變,從而導致切斜。

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對正刀彎為 55mm/6m 的雙金屬帶鋸條鋸切每一刀后的刀彎值進行檢測,檢測結果如圖10所示。從圖中可以看出,鋸切前期刀彎的變化較小,這是由于前期齒尖磨損較小,所受鋸切抗力較小,齒部應力主要保持帶體繃直,后期齒尖磨損較大,齒部所受切削抗力增加,而齒部在進給方向上所受進給阻力由于切削阻力的增加而增加,從而在工件內部的鋸條會產生反向的撓度,進而對帶鋸條本身的正刀彎產生抵消的作用,故其切削后其正刀彎值變小。

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通過簡支梁模型以及實驗的驗證,對帶鋸條在鋸切時,其齒部應力狀態與帶鋸條刀彎以 及帶鋸床所受張緊力之間的關系為

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式中,σ t 為帶鋸條齒部所受張力; σB.T  為帶鋸床給帶鋸條提供的張緊應力;C 為帶鋸條的刀 彎值(mm/6m),正刀彎時取“+”,反刀彎時取“—”。

4 結語 

(1)使用簡支梁模型分析了鋸床張緊應力和帶鋸條切削時齒部應力之間的關系,引入刀 彎后,建立帶鋸條在鋸切時齒部所受應力與刀彎、張緊應力之間的關系:

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(2)對于在張緊力足夠的情況下,雙金屬帶鋸條會隨著齒部磨損的加劇,齒部拉應力不足以克服切削抗力,最終導致切斜失效;

(3)對于 54、67、80 規格的雙金屬帶鋸條鋸切中大型模具鋼,在張緊力足夠的情況下引 入“刀彎”工藝屬性,能夠有效地克服帶體的橫向振動,防止早期切斜失效,且刀彎值 C50mm/6000mm 對防止切斜有更好的效果。


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來源:中國知網




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