鋸切參數對圓鋸片消音的影響及優化

張威浩

摘要：通過有限元法和正交試驗法相結合來分析在不同鋸切參數下圓鋸片的消音降噪效果。分析結果表明

鋸片夾緊比、厚度的減小可以消音，回轉速度對其影響較小；夾緊比增加可減小鋸片的徑向和切向最大應力，回轉速度減小可減小徑向和切向最大應力，而圓鋸片厚度對其影響較小。三因素對鋸片應力影響的主次順序為：回轉速度>夾緊比>基體厚度。最優消音效果的鋸切參數為夾緊比為0.3，回轉速度為180rad/s，基體厚度為2.0mm。

關鍵詞：圓鋸片；正交試驗；有限元分析；固有頻率；消音

引言

金剛石圓鋸片加工質量好、生產效率高、切削性能優越而被廣泛應用。圓鋸片在鋸切過程中產生巨大噪聲污染，工作噪音達110分貝左右。因此，金剛石圓鋸片的消音問題引起國內外研究人員的高度重視。鋸片在進行鋸切加工過程中的固有頻率以及其應力狀態兩個因素是用來衡量鋸片穩定性的關鍵技術指標，然而，對于圓鋸片來講，其動態穩定性將直接決定其噪音的大小【1-2】。通常情況下影響和制約鋸片的動態穩定性的主要技術參數包括以下幾個方面：鋸片厚度、夾緊比、切削力、回轉速度以及鋸片材料等多個因素，其中對鋸片的動態穩定性影響最大的三個因素主要是：鋸片厚度、夾緊比以及回轉速度【3-4】。因此，采用有限元分析法再結合正交試驗法，研究圓鋸片在不同的厚度、夾緊比以及回轉速度條件下的固有頻率，進而分析他們對圓鋸片的動態穩定性的影響，從而找到最優的鋸切參數；最終，為實際鋸切消音提供重要的理論依據【5】.

1 有限元分析模型

圓鋸片在工作時由夾盤夾緊，被夾的中心部分可看成全自由度約束狀態，同時鋸片與中心軸的聯接為固定約束。故圓鋸片的有限元分析模型可簡化為一個由夾盤半徑處緊固、材質均勻的圓環薄板。實際工作中金剛石結塊尺寸相對片體非常小，對圓鋸片整體的動態特性影響不大并且為了簡化模型，故結塊可以忽略不計。查《石材機械與工具實用手冊》取黑旋風鋸業用于高頻焊接的鑰匙孔金剛石圓鋸片，基體參數取鋸片基體直徑為400mm.

2 正交試驗設計

夾緊比、回轉速度和基體厚度對鋸片的影響頗大，是生產中著重考慮的因素。鋸片減振降噪的效果和鋸片的固有頻率有關：相同階次固有頻率越小，則噪聲輻射效率降低。金剛石圓鋸片的切削加工速度通常在30～55m/s.對于直徑為364mm的鋸片，其回轉速度在165～302rad/s，故回轉速度選取180rad/s、230rad/s和280rad/s 3個水平。鋸片的夾緊比選取0.2、0.3和0.4三個水平；鋸片的基體厚度選取2mm、2.2mm和2.8mm3個水平，相應的節塊厚度水平分別為2mm、2.2mm和2.8mm。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

利用ANSYS10.0對每一組試驗進行分析。鋸片的振動能量主要集中在低頻率范圍上，故提取前4階模態振型。

3.2 試驗結果分析

對所選三因數前4階模態固有頻率求極差，見表3.3。由表知，各因素對鋸片模態（0，0）、（0，1）和（0，4）固有頻率影響的主次順序為：夾緊比>厚度>回轉速度，而模態（0，2）和（0，3）固有頻率影響的主次順序為：厚度>夾緊比>回轉速度。

由于鋸片在回轉速度的作用下有“剛化作用”，抵抗鋸齒沖擊工件產生的切向反力，從而來減少鋸片工作過程中的扭轉振動。為此適當地選擇回轉速度可以有效地增加鋸片的穩定性，同時鋸片的有效回轉速度對與鋸片的固有頻率也沒有太大的影響。故回轉速度取180rad/s，即B1水平。因此，三個因素對鋸片固有頻率影響的最優化組合水平為：A1、B1、C1，則此時：鋸片基體厚度為2.0mm，鋸片夾緊比為0.2，鋸片回轉速度為180rad/s。

表3.3 各因數對鋸片前四階模態固有頻率的極差

模態 夾緊比 回轉速度 基體厚度

（0，0） 146.9 5.5 54.3

（0，1） 581.1 31.3 344.7

（0，2） 323.9 48.2 413.5

（0，3） 839.8 41.4 908.2

（0，4） 1099.7 75.6 1035.1

通過對所選三因數的徑向和切向最大應力求極差，見表3.4。由表知，各因數對鋸片的最大徑向和切向應力影響的主次順序為：回轉速度>夾緊比>基體厚度。因此通過上述的分析可以得出：三個因素對于應力的影響最優化參數組合為：A3、B1、C1，則此時：鋸片基體厚度為2.0mm，鋸片夾緊比為0.4，鋸片回轉速度為180rad/s。

表3.4 各因數對鋸片徑向和切向最大應力的級差

因數 回轉速度 夾緊比 基體厚度

最大切向應力 19.93 12.57 1.14

最大徑向應力 4.25 4.05 1.51

結合圓鋸片固有頻率以及最大應力分析結果，可得出夾緊比的減小可以有效的降低鋸片固有頻率，從而減小了鋸片的噪音，但能產生較大的應力。為此可以適當地選擇夾緊比，即滿足了鋸片消音降噪的目的，又不會形成太大的應力場，故鋸片的夾緊比選擇A2水平。綜上分析得出各因素對鋸片最優消音影響水平的最優參數組合為A2、B1、C1，則此時，鋸片基體厚度為2.0mm，鋸片夾緊比為0.3，鋸片回轉速度為180rad/s。

4 結 論

1）鋸片夾緊比、厚度減小可以消音，回轉速度對其影響較小。

2）夾緊比增加可減小鋸片的徑向以及切向的最大應力；回轉速度減小可以減小徑向以及切向的最大應力，然而，圓鋸片的厚度對其影響較小。同時得到各種不同因素水平條件下對于鋸片的應力影響因素的先后順序為：回轉速度>夾緊比>基體厚度。

3）最佳消音效果的鋸切參數組合為：A2B1C1，即夾緊比為0.3，回轉速度為180rad/s，基體厚度為2.0mm。這樣即保證了鋸片良好的降噪效果，同時也滿足了鋸片動態穩定性。

參考文獻：

[1]習寶田.固有頻率在衡量圓鋸片穩定性與適張度方面的作用[J].林產工業，1990，26（5）：12-15.

[2]吳佳賓.基于有限元法的金屬圓鋸片動態特性研究[D].石家莊：河北工業大學，2005

[3]臧勇，李同金，陶登奎，等.圓鋸片的有限元模態分析[J].重型機械，2002，49（1）：49-52.

[4]馬云善，李遠，徐西鵬.鋸切參數與鋸片結構對鋸片臨界載荷影響的有限元分析[J].工具技術，2006，40（12）：18-22.