雙金屬帶鋸條齒形設(shè)計及切削性能模擬分析

林健

（福建恒而達(dá)新材料股份有限公司，福建 莆田 351142）

雙金屬帶鋸條自問世以來，根據(jù)自身具備的優(yōu)勢受到了全世界人民的青睞，從而帶動帶鋸條工業(yè)的發(fā)展，它既滿足了鋸齒鋸背不同方面的需求，也實現(xiàn)了齒尖強大的耐磨性和堅硬度，讓雙金屬帶鋸條擁有精準(zhǔn)的切削度，以提升工作效率，促進(jìn)鋸切行業(yè)的蓬勃發(fā)展。我國雙金屬帶鋸條水平仍有待提高，因此需要對雙金屬帶鋸條齒形設(shè)計和切削性能進(jìn)行細(xì)致的模擬分析，以便提高我國雙金屬市場的發(fā)展水平。

1 雙金屬帶鋸條的齒形設(shè)計

1.1 雙金屬帶鋸條的齒形分類

雙金屬帶鋸條是指齒尖材料為高速鋼或者其他高性能鋼材，一般利用低合金彈簧鋼的金屬切割帶鋸條作為鋸帶材料。它具有高耐磨性高、高紅性、鋸齒不易斷裂、使用壽命長久等優(yōu)勢。雙金屬帶鋸條的分類根據(jù)依托的標(biāo)準(zhǔn)不同具有以下分類：（1）按照前角區(qū)分，前角0°的為標(biāo)準(zhǔn)齒、前角3°到10°之間且具有正前角的為鉤齒。（2）按照齒槽底部形狀區(qū)分，齒槽底部為圓弧的稱為圓弧齒槽，齒槽底部為直線的稱為直齒槽。（3）按照齒距區(qū)分，齒數(shù)固定的是等齒距，非固定的為變齒距。（4）按照齒背形狀區(qū)分，前角0°到10°，齒背為直線的是直背齒，而齒尖角為58°到60°，齒背為龜背狀的是龜背齒。（5）根據(jù)不同材料的橫截面設(shè)計出標(biāo)準(zhǔn)齒、跳齒、龜背齒，雙后角齒、抗拉齒。標(biāo)準(zhǔn)齒設(shè)計由前刀面、后刀面和齒底圓弧構(gòu)成齒槽的齒型；跳齒設(shè)計由鋸齒的形狀基本是標(biāo)準(zhǔn)齒，但切除了每一相向齒；龜背齒設(shè)計后刀角較小，后刀面由一平面和凸起的弧面構(gòu)成，以提高齒部強度；雙后角齒設(shè)計由兩個后角構(gòu)成后刀面的齒型，齒部強度較高。抗拉齒設(shè)計近似由標(biāo)準(zhǔn)齒和龜背齒的組合，具有鋒利的齒尖和高強度的齒背。

1.2 雙金屬帶鋸條的分齒類型及特點

雙金屬帶鋸條的分齒類型可分為以下五種：（1）交替分齒，它可以逐個交替向左右分齒。（2）改進(jìn)型斜向分齒，按照左、右、左、右、不分的循環(huán)方式進(jìn)行分齒工作。（3）斜向分齒，它的循環(huán)方式是左、右、不分。（4）可變斜向分齒，它的特點是根據(jù)鋸齒形式的不同決定分齒順序。（5）波形分齒，多個鋸齒有規(guī)則的在每邊進(jìn)行變化。

2 雙金屬切削性能的概述

隨著時代的發(fā)展，對雙金屬鋸條的切削性能也提出了更高的要求，其中硬質(zhì)合金鋼帶鋸條對于耐熱鋼、工具鋼、鈦合金等難切割的材料能夠起到有效的切削性能。實際上，金屬的切削加工就是對工件上無用的材料進(jìn)行切除，并按照一定形狀進(jìn)行修整。常見的切削方法有車削、磨削、鉆削等，切削力主要來源于工具和工件彈性與塑性變形抗力之間形成的摩擦力。在工具進(jìn)行切削操作時，根據(jù)被切削的金屬流動軌跡可把工件分為三個變形區(qū)：剪切面的主要變形區(qū)、切屑和刀具前刀面接觸到的位置即第二變形區(qū)、還有已加工表面和切削刃鈍圓接觸的第三變形區(qū)域，該區(qū)域易受到厚道面的擠壓摩擦，因此，對加工表面具有重大影響。

3 雙金屬帶鋸條齒形設(shè)計和切削性能的模擬分析

3.1 雙金屬帶鋸條齒形參數(shù)的模擬分析

（1）齒形參數(shù)的單因素。雙金屬帶鋸條的齒形設(shè)計需要根據(jù)不同的鋸切需求進(jìn)行對應(yīng)齒形的選擇。一般情況下，等齒適用于實心建材與小徑實心建材的成束切割，但它很容易與機床的固有頻率發(fā)生共振現(xiàn)象，從而損壞鋸條和工件。變齒具有規(guī)律的變化，所以在它操作過程中可以有效地避免翻卷現(xiàn)象，可用于高速切削,與常規(guī)齒節(jié)相比，它的通用性更大。至于龜背齒，它的楔角比正常齒的楔角大，強度較好，所以更適用于強力切削，以便提高生產(chǎn)效率。對齒形設(shè)計的齒形參數(shù)進(jìn)行模擬分析主要有單因素模擬法和正交實驗?zāi)M法。根據(jù)相關(guān)實驗我們可以得出如下結(jié)論：當(dāng)主切削力受前角影響較大時，它會隨著前角的增加而減小，所以前角越小對于切削力的降低就越有利，而在齒尖處的應(yīng)力也會隨著前角增大而增大，刀具齒尖角則會隨著前角的增加而減小，這將會降低刀具的使用壽命；當(dāng)主切削力受后角影響較小時，主切削力的值就會隨著后角增加而發(fā)生緩慢的增大，齒尖處應(yīng)力會隨著后角增加而變大，刀具齒尖角也會隨后角的增大而減小，這樣也會導(dǎo)致刀具使用壽命減少。

（2）正交模擬分析。切削刃附近的應(yīng)力會隨著鈍圓半徑的增加而減小，所以增加切削刃附近的厚度，可以有效地減小齒尖斷裂的風(fēng)險。由于鈍圓半徑較小，所以在應(yīng)用正交模擬分析法時，并不將其作為變量。根據(jù)實驗表明，雙金屬帶鋸條的分齒設(shè)計實際上是為了排屑，若分齒量過小則不利于順利排屑，而較大也會造成鉅縫變寬，這樣也會增加鋸切時間，不利于工作效率的提升，所以在雙金屬帶鋸條齒形實際設(shè)計中，需要考慮切削力及應(yīng)力因素，對前角和后角的值進(jìn)行減小。

3.2 雙金屬切削性能的模擬分析

（1）工藝參數(shù)切削量的單因素。根據(jù)切削力與切削量的變化情況來分析切割力差距，在以龜背齒和直背齒為實驗對象的實驗中得出兩者切削力幾乎重合，并且主切削力會隨著切削量的增加而呈直線增加，這對于抗力和切深抗力都有略小的影響。同時，切削刃附近的應(yīng)力也會隨著切削量呈正相關(guān)，而且溫度也會隨著切削量的增加而升高，這表明，龜背齒齒部會比直背齒更加耐用。

（2）切削速度的單因素。對雙金屬切削裝置進(jìn)行模擬探究期間，也可以通過切削速度的單方面影響因素進(jìn)行剖析。其一，切削量對切削刀產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)雙金屬切削量處于不斷增加的狀態(tài)時，主切削力也會隨切削量的增加而增加，兩者保持著正比例增長的態(tài)勢，但主切削力與龜背齒之間的力，卻隨著切削角的變化發(fā)生著負(fù)趨向改變。其二，切削量的變化會對應(yīng)力造成一定的干擾。我們通過模擬分析可知：當(dāng)切削量增加時，切削刀一般是處于單面受力的狀態(tài)，而另一端在極少接受到外部受力的狀態(tài)，切削刀本身的龜背齒輪刀刃并不會增加切削量的外部壓力；其三，切削量的數(shù)值變化，也與切削刀本身的溫度之間有著一定的關(guān)系。模擬進(jìn)行切削切割時，當(dāng)切削刀刃周圍的溫度不斷升高后，切削量會相應(yīng)的出現(xiàn)減少的趨勢。也就是說，當(dāng)切削刀處于周圍環(huán)境高度摩擦的狀態(tài)下，切削量數(shù)量會受到相應(yīng)的干擾。

（3）切削有限元軟件。對雙金屬帶鋸條的切削水平進(jìn)行分析時，也要運用有限元進(jìn)行模擬分析。其實踐要點主要歸納為：①運用數(shù)據(jù)分析模型，模擬雙金屬帶鋸條的做功體系，建立三維切削分析模型，并設(shè)定刀具寬度、金屬厚度、以及摩擦邊界三者為有限元分析的三個變化量；②按照切削模擬有限元分析數(shù)字模型流程結(jié)構(gòu)，分別對材料“草繪- 平整- 折彎”三種狀態(tài)下，切削操作數(shù)據(jù)變化情況進(jìn)行分析，然后對應(yīng)記錄分析數(shù)據(jù)的結(jié)果變化，在有限元模擬坐標(biāo)點上標(biāo)注出來。③確定模擬分析參數(shù)。即所選擇的切削材料，本次包括鋁、鈦合金兩種。模擬分析后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)雙金屬帶鋸條的齒形系出于刀具寬度、金屬厚度、摩擦邊界三者比為1:2:1 的狀態(tài)時切削性能最佳。若刀具寬度的選擇過后，材料切割后容易留下邊緣切痕；若金屬厚度不夠，切割后材料容易變形；若摩擦邊界過大，切割兩側(cè)角度不夠均勻。

4 結(jié)語

綜上所述，對雙金屬帶鋸條的齒形設(shè)計和切削性能進(jìn)行模擬分析很有必要，這樣可以有效地提高雙金屬帶鋸條的實踐操作能力，通過控制齒距讓雙金屬帶鋸條的整體切削力得到改善，避免出現(xiàn)切斜現(xiàn)象，在這基礎(chǔ)上，需要盡量選擇大的齒距值，以延長帶鋸條使用壽命。另外，還要通過齒形的合理設(shè)計來實現(xiàn)帶鋸條的切削力。