圓鋸片受熱時的應力變化規律

邵鴻麗，孟凡偉，郭繼富

（唐山冶金鋸片有限公司，河北唐山063020）

1 前言

隨著科技的進步，對各類工程材料的要求越來越高，其中管坯、鋼管、鋼軌等產品中不銹鋼、高壓鍋爐管、油井管、高溫合金、鈦合金等難加工材質的應用越來越廣泛，也為石油鉆探、能源發電、航空航天等領域的發展提供了基礎支撐。在無縫鋼管行業，一般使用硬質合金齒圓鋸片對軋制后的鋼管進行切頭、切尾及定尺鋸切，該類鋸片的生產及應用已日趨成熟。難加工金屬材料的共同特性有高硬度、高強度、高塑韌性、低導熱性等，鋸切時阻力大，產生的鋸切熱量多，硬質合金鋸齒常發生快速磨損和破損，鋸片容易因受熱失去剛性，鋸切難度很大。另外，國內鋼管生產企業大多生產節奏快，冷床面積有限，高溫軋制的鋼管得不到有效冷卻就進行鋸切，同時鋸片的冷卻措施不到位，給鋸切帶來很大的困難[1]。

唐山冶金鋸片有限公司作為鋸片生產行業的龍頭企業，已有六十年的制鋸歷史，現場經驗豐富，具備足夠的人力和物力來開展相關的實驗研究，解決客戶的鋸切難題，給客戶降低成本。

2 片體受熱對鋸切質量的影響

硬質合金齒圓鋸片在使用時，常見的失效形式有鋸齒磨損（圖1）、鋸齒破損（圖2）、片體瓢曲變形（圖3，示意圖）、片體裂紋（圖4）等，而瓢曲變形是片體受熱失效的最直接表現，同時受熱也會間接導致片體裂紋、鋸齒破損的情況發生[2]。

在普通材質的鋸切過程中，切削阻力小，合理的齒形設計保證切削熱量大部分被切屑帶走。難加工材料的鋸切，由于其切削阻力大，鋸齒和鋼管之間摩擦嚴重，切削熱量快速生成，而難加工材料本身導熱系數小，熱量不能得到快速疏散，大部分通過鋸齒向片體傳輸。隨著片體溫度的不斷升高，預加應力難以保證片體具備足夠的剛性，片體開始擺動，參與切削的鋸齒左右“跳動”，鋸齒磨損加劇甚至出現破損，鋸切到最后片體失去剛性“變軟”，出現瓢曲，嚴重時可出現裂紋[2]。

由以上來看，熱量是影響鋸切質量的關鍵因素，而溫度是熱量的量化體現，想要改善鋸切質量，就需要了解片體溫度與應力和剛性的對應關系。

圖1 鋸齒磨損

圖2 鋸齒破損

圖3 片體瓢曲變形示意

圖4 片體裂紋

3 受熱實驗

3.1 實驗鋸片

鋸片規格：外徑Ф1760 mm、厚度9 mm、齒數216；使用數量，3片；片體材質，8CrV，其化學成分及硬度見表1。

表1 實驗鋸片化學成分及硬度

3.2 實驗設備

選用公司自制的端跳應力檢測機（圖5），鋸片法蘭盤Ф500 mm，檢測應力時加載位移3 mm。鋸片片體使用兩把手持火焰切割槍加熱（圖6），一把紅外測溫槍測量溫度（圖7）。

圖5 自制端跳應力機

圖6 手持火焰切割槍

圖7 紅外測溫槍

3.3 實驗方案

三張鋸片原始預加應力設置為低、中、高三檔，加載應力大小用加載位移來表示。兩把火焰切割槍的片體兩側同時加熱，加熱位置為齒尖以內400 mm寬的環帶，該環帶為鋸切時片體與鋼管的摩擦區域，屬升溫帶，且溫度從齒尖向內逐漸變低。在片體徑向方向設置四點測溫點（圖8），位置1距齒根約100 mm，位置2距齒根約250 mm，位置3距齒根約400 mm，位置4為法蘭盤邊緣。

片體升溫前，先檢測初始狀態應力情況，隨著片體的升溫，每間隔10℃左右檢測一次片體的應力值并觀察片體剛性變化情況。

圖8 測溫點位置

4 試驗結果

高檔原始預加應力的鋸片，初始應力范圍+0.60～+0.80 mm，片體溫度20℃，升溫過程檢測記錄見表2。

表2 高檔應力值鋸片升溫過程檢測記錄

表3 中檔應力值鋸片升溫過程檢測記錄

表4 低檔應力值鋸片升溫過程檢測記錄

中檔原始預加應力的鋸片，初始應力范圍+0.30～+0.50 mm，片體溫度20℃，升溫過程檢測記錄見表3。

低檔原始預加應力的鋸片，初始應力范圍+0.10～+0.25 mm，片體溫度20℃，升溫過程檢測記錄見表4。

5 分析與結論

（1）在片體厚度、外徑等參數相同的情況下，初始應力越大，片體升溫越慢，抵抗變形的時間越長，對鋸切是有利的。

（2）初始應力不同，片體出現變形的溫度不同，即初始應力范圍為+0.10～+0.25 mm時，當片體溫度達到45℃后就開始變軟瓢曲，而初始應力范圍為+0.60～+0.80 mm時，當片體溫度達到60℃后才開始變軟瓢曲。

（3）對鋸切壽命來說，大的初始應力是有利的，但考慮到鋸片加工過程中的難度，不能單單依靠增大應力來延長鋸切壽命，還應從片體厚度、片體材質、齒形、冷卻條件等方面考慮解決難加工材料或高溫工件的鋸切難題。

[1]韓會杰，郭繼富，張艷龍，郭穎．金屬熱切圓鋸片裂紋產生原因分析及預防[J]．機電設備，2008(1)：35-36

[2]李黎，習寶田，楊永福．圓鋸片橫向變形與加工表面鋸痕高度[J]．北京林業大學學報，2007(1)：141-145