带锯条切削工作区应力分布研究

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摘 要：为了分析带锯条的“切斜”失效形式，综合考虑了切削力、进给力、张紧力以及带锯条自身刀弯，建立了带锯条在切削工件区域的简化受力模型，使用数值计算模拟方法得到了带锯条各处内部应力的分布及变化趋势.结果表明，在较大的工件尺寸、切削力、进给力以及不足的张紧力和带锯条宽度的情况下，带锯条齿部处于受压状态，此时靠近齿部的带锯条基体发生弯曲形变，使得切削不再沿垂直方向进给而导致“切斜”失效发生.从验证实验来看，在同样切斜失效标准下，带锯条张紧力从130 MPa增加到190 MPa，锯切刀数增加了177%；带锯条宽度从27 mm增大到34 mm，锯切刀数增加了50%；工件尺寸从80 mm增大到240 mm后，锯切面积减少了83%.

关键词：带锯条；张紧力；弯矩；應力分布

中图分类号：TH12 文献标志码：A

Abstract：By considering the cutting and feed force， tension and band camber， a simplified force analysis mode was set up to investigate the failure pattern of bandsaw blade crooked cutting. The stress distribution and its variation trends of bandsaw blade were obtained through numerical simulation. The result shows that the stress in the tooth side is more likely to be pushed for the situation with larger workpiece， cutting force， insufficient tension and band width. Thus， the bandsaw blade is bent near the teeth tip， and then crooked cutting happens. Under the same failure standard and cutting parameters， when the tension of band increases from 130 MPa to 190 MPa， the cutting pieces were added by 177%. Changing the 27 mm bandsaw blade to 34 mm leads to nearly 50% more cutting pieces， but it is dropped by 83% when increasing the width of the workpiece from 80 mm to 240 mm.

Key words：bandsaw blade；tension；bending moment；stress distribution

双金属带锯条由于加工效率高、成本低、使用寿命长等特点被普遍应用于下料工序.双金属带锯条采用柔韧性良好的弹簧钢钢带作为其高速钢锯齿的基体，这使得其切削过程中受到诸多因素影响（如加工精度、钢带蛇弯等），引起了很多学者的关注和研究.这些研究大多集中在锯切过程的振动[1-2]、切削力及其模型[3-5]、不同材料的锯切机理[6-8]以及制造工艺[9-11]等方面.

迄今为止，带锯条设计方面的文献资料相对较少，国内仅文献[12-13]系统地进行了齿形优化设计方面的研究工作.本文通过对带锯条切削工作区内的受力分析，获得不同状况下齿部和背部应力分布及相关结论，这些结论对带锯条的应用和设计具有一定参考价值.

1 带锯条工作区受力模型

1.1 带锯条受力分析

带锯条在切削过程中，锯齿不断切入和脱出工件.带锯条相当于一把多刃刀具，锯齿为刀刃，背部基带是刀座，锯床的进给力通过锯臂经基带传递给锯齿.由于加工精度、原材料以及锯床振动等因素的影响，即使在齿距相等条件下，每个锯齿受力都存在差别.为了简化分析，假设：1）工作区域内锯齿受力仅与其切深相关；2）带锯条的制造几何误差为零.

1.2 带锯条刀弯与应力分析

“刀弯”指的是带锯条锯齿边和背边长度不一致的现象.如图3所示，刀弯值是单位长度L内的c值.由于支撑力、进给力以及切削力的存在，必然使带锯条在切削区域内产生弯曲应力，这可能会导致带锯条基带发生形变，使得切割后的工件表面产生垂直度误差.这种垂直度误差现象，一般称为“切斜”.在带锯条的设计与制造中，通常采用刀弯设计来改善带锯条内部的应力分布.

为了避免锯条基带处于弯曲状态，必须使应力σs在叠加Ft所产生的拉应力后，任意截面处于受拉状态，否则可能导致切斜发生.

2 锯切工作区应力分析

以54 mm锯条宽度，正刀弯25 mm/6 000 mm，齿距8 mm为条件进行模拟计算.假定切削力F′C =1 000 N，FP1（FP2）进给力800 N，锯切区长度为500 mm，第1个齿距至锯臂距离LP1为40 mm.带锯条张紧力在实际使用中通常表示为拉应力形式，一般为200～300 MPa，计算中设定为300 MPa.以图2坐标系Oxy为数值分析中的坐标系.

图4为不同张紧力情况下应力分布，其中拉应力为正值.从图4（a）来看，锯切区域内（0

对比图5（a）和5（b）可知，当工件宽度为800 mm时，截面应力为-700～1 300 MPa；当工件宽度为200 mm时，截面应力为0～600 MPa.因此，工件宽度越大，锯条横截面上应力分布越不均匀.观察工作区内拉应力为负值的区域面积，可以看到工件尺寸为800 mm时，靠近锯齿部位存在较大拉应力为负值的区域，即锯齿部位的基带处于受压状态.而工件宽度为200 mm时，工件不存在负值区域，仅靠近锯齿侧的拉应力小一些.也就是说，工件越宽，受压的齿部基带长度越大，应力也越大.上述这些结论能够解释在锯切尺寸较大（500 mm以上）的工件时，切斜失效是最为常见失效形式，而疲劳断带则较少发生.

图6为不同进给力和切削力条件下的应力分布图.由图6可知，进给力和切削力增加时，锯条应力分布不均匀性增加.切削参数中影响切削力和进给力最大的是带锯条的进给速度和线速度.进给速度增大，单个锯齿的切削深度增加，总的切削力和进给力也会增大，发生切斜的几率增加.带锯条线速度增加使得单位时间内参与切削的锯齿数目增加，从而使单个锯齿上切削深度减少，降低总的切削力和进给力.但线速度增加后可能会使带锯条的振动增加[1-2]，齿部磨损加快，寿命降低，故需要谨慎考虑.

锯切硬的工件材料（硬度>HRC 30）相较于同样切削参数下的软工件材料，需要更大切削力和进给力，因而应力分布不匀均程度增大，更容易发生切斜失效.在这种情况下，可以降低进给力和切削效率，改善锯齿边受压应力分布情况，又或者提升带锯条本身刚性，如增加带锯条宽度和厚度，才能避免过早切斜失效.

在工件尺寸、进给力和切削力较小的情况下（图5（b）），锯条的锯齿边和背边均处于受拉状态，较难发生切斜失效，而以疲劳断带为主.在实际应用中，可以适当降低带锯条张紧力来获得疲劳寿命的延长.

常见带锯条宽度规格有：9 mm、13 mm、19 mm、27 mm、34 mm、41 mm、54 mm、67 mm、80 mm、100 mm.从带锯条应用来看，一般是大的工件材料使用宽规格的锯条，但宽规格锯条所对应锯床结构也大，锯条价格也高.图7解释了宽规格锯条的价值所在，从图7可以看到，随着锯条宽度的增加，锯齿边受压的宽度随之减少，到80 mm宽度时整个切削工作区域内的横截面都处于受拉状态，不容易发生切斜情况.因此，对于硬度高、强度大的工件材料，为了减少切斜而产生材料的浪费，应该优先考虑使用宽锯条和大锯床锯切.

3 验证试验

为了验证上述分析结论，进行了3个方面的试验：张紧力、带锯条宽度以及工件宽度.试验在Amada HA250（图8（a））锯床展开，测量张紧力所使用工具为Lenox 公司所生产的带锯条张力测试仪（图8（b））.

测试试验中，采用的试切工件材料为GCr15，硬度HRC 33～36.试验所用切削参数为：线速度30 m/min，效率24 cm2/min.采用的锯条为泰嘉公司生产的HB 27和34 mm规格锯条，齿距为TPI 3/4.以切斜（工件垂直度误差）达到3 mm作为失效标准.需要说明的是：在张紧力与带锯条宽度试验中，使用的工件材料规格为Φ155 mm，而不同工件材料宽度中所用规格为Φ80 mm；在不同带锯条宽度试验中，为了保证试验条件的一致性，将34 mm宽度锯条安装在Amada HA250上（标准规格为27 mm宽度锯条）.

将张紧力从130 MPa增加到190 MPa后，2次试验平均锯切片数增加了177%（图9）.这与前面所分析不同张紧力下带锯条内部应力分布的结论相吻合，在切斜失效的场合，紧张力增大能够有效增加锯条寿命，增大张紧力能够增大带锯条内部的拉应力.在锯切过程中，锯条所受的切削力和进给力随锯齿的磨损而增加，拉应力的增加能够允许带锯条承受更大进给力与切削力，因而在达到同样切斜量时锯切面积数增加.

从27 mm与34 mm宽度规格的比较实验（图10）结果来看，锯条宽度增加，达到切斜失效标准前所锯切片数越多（平均值增加了50%）.根据不同带锯条宽度的应力分布分析，宽度增加使得背部应力分布得到改善，能够承受更大的切削力和进给力，即允许更大锯齿磨损量，使得锯条使用寿命延长.

工件宽度试验中，为了使切削力不发生较大变化，整个试验过程中采用同样的切削效率.图11为不同棒料尺寸的锯切面积图，由图11可知，随工件宽度增加，锯切面积急剧下降（从80 mm增加到240 mm后，下降了83%）.这主要是力臂成倍增加后，扭矩也成倍增加，从而使得应力增加的幅度非常大.也就是说，工件尺寸与锯条宽度、带锯床规格的匹配非常重要，使用小锯床、窄锯条锯切大工件的切斜几率非常大，而使用大锯床、宽锯条锯切小工件虽然浪费，但不至于切斜.

4 结 论

通过带锯条锯切工作区域的应力分布分析及试验研究，可以得到一些带锯条应用的结论：

1）锯切硬工件材料时，进给速度要适当降低，使得进给力和切削力处于适当范围内，否则容易切斜.最好使用带锯宽度41 mm以上的大锯床，这样带锯条的使用寿命、锯切效率以及锯切精度都会得到提高.

2）使用同一规格锯床时，工件尺寸增加，进给速度应要降低，否则切斜的几率增加.

3）在张紧力足够的情况下，锯切较软、尺寸较小的工件时，一般以疲劳断带失效为主；锯切硬且尺寸规格较大的工件时，则以切斜失效为主.

4）在带锯条设计时，应对不同工况提出备材性能和操作使用要求.当锯切硬且尺寸大的工件材料时，需要增加带锯条的刚性，同时在使用过程中要适当增加张紧力.而当锯切材料软且尺寸大的工件材料时，带锯条的开发需要侧重备材的疲劳性，使用时可以适当降低张紧力.

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