圓鋸片受熱時(shí)的應(yīng)力變化規(guī)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(jìn)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(chǎn)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(zhì)的應(yīng)用越來越廣泛，也為石油鉆探、能源發(fā)電、航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展提供了基礎(chǔ)支撐。在無縫鋼管行業(yè)，一般使用硬質(zhì)合金齒圓鋸片對軋制后的鋼管進(jìn)行切頭、切尾及定尺鋸切，該類鋸片的生產(chǎn)及應(yīng)用已日趨成熟。難加工金屬材料的共同特性有高硬度、高強(qiáng)度、高塑韌性、低導(dǎo)熱性等，鋸切時(shí)阻力大，產(chǎn)生的鋸切熱量多，硬質(zhì)合金鋸齒常發(fā)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(nèi)鋼管生產(chǎn)企業(yè)大多生產(chǎn)節(jié)奏快，冷床面積有限，高溫軋制的鋼管得不到有效冷卻就進(jìn)行鋸切，同時(shí)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(chǎn)行業(yè)的龍頭企業(yè)，已有六十年的制鋸歷史，現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)豐富，具備足夠的人力和物力來開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)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(zhì)量的影響

硬質(zhì)合金齒圓鋸片在使用時(shí)，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(xiàn)，同時(shí)受熱也會間接導(dǎo)致片體裂紋、鋸齒破損的情況發(fā)生[2]。

在普通材質(zhì)的鋸切過程中，切削阻力小，合理的齒形設(shè)計(jì)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(yán)重，切削熱量快速生成，而難加工材料本身導(dǎo)熱系數(shù)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(yù)加應(yīng)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(xiàn)破損，鋸切到最后片體失去剛性“變軟”，出現(xiàn)瓢曲，嚴(yán)重時(shí)可出現(xiàn)裂紋[2]。

由以上來看，熱量是影響鋸切質(zhì)量的關(guān)鍵因素，而溫度是熱量的量化體現(xiàn)，想要改善鋸切質(zhì)量，就需要了解片體溫度與應(yīng)力和剛性的對應(yīng)關(guān)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(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)鋸片

鋸片規(guī)格：外徑Ф1760 mm、厚度9 mm、齒數(shù)216；使用數(shù)量，3片；片體材質(zhì)，8CrV，其化學(xué)成分及硬度見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)鋸片化學(xué)成分及硬度

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

選用公司自制的端跳應(yīng)力檢測機(jī)（圖5），鋸片法蘭盤Ф500 mm，檢測應(yīng)力時(shí)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(yīng)力機(jī)

圖6 手持火焰切割槍

圖7 紅外測溫槍

3.3 實(shí)驗(yàn)方案

三張鋸片原始預(yù)加應(yīng)力設(shè)置為低、中、高三檔，加載應(yīng)力大小用加載位移來表示。兩把火焰切割槍的片體兩側(cè)同時(shí)加熱，加熱位置為齒尖以內(nèi)400 mm寬的環(huán)帶，該環(huán)帶為鋸切時(shí)片體與鋼管的摩擦區(qū)域，屬升溫帶，且溫度從齒尖向內(nèi)逐漸變低。在片體徑向方向設(shè)置四點(diǎn)測溫點(diǎn)（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(tài)應(yīng)力情況，隨著片體的升溫，每間隔10℃左右檢測一次片體的應(yīng)力值并觀察片體剛性變化情況。

圖8 測溫點(diǎn)位置

4 試驗(yàn)結(jié)果

高檔原始預(yù)加應(yīng)力的鋸片，初始應(yīng)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(yīng)力值鋸片升溫過程檢測記錄

表3 中檔應(yīng)力值鋸片升溫過程檢測記錄

表4 低檔應(yīng)力值鋸片升溫過程檢測記錄

中檔原始預(yù)加應(yīng)力的鋸片，初始應(yīng)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(yù)加應(yīng)力的鋸片，初始應(yīng)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(jié)論

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

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

（3）對鋸切壽命來說，大的初始應(yīng)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(yīng)力來延長鋸切壽命，還應(yīng)從片體厚度、片體材質(zhì)、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(chǎn)生原因分析及預(yù)防[J]．機(jī)電設(shè)備，2008(1)：35-36

[2]李黎，習(xí)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(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(1)：141-145