耐沖擊型金剛石圓鋸片鋸切受力的數值模擬*
——以鑰匙孔水槽底孔中鑲銅釘的鋸片為例

胡 歡, 張云才, 李春林, 趙 磊

(黑旋風鋸業股份有限公司, 湖北 宜昌 443005)

金剛石鋸片具有優越的切割性能和便捷、加工效率高等優點，不僅應用于石材、超硬材料的加工，而且在各種道路(機場跑道、瀝青路面等)及建筑物的改造與拆除等建筑施工領域的應用亦越來越廣泛[1-2]。金剛石鋸片在建筑施工領域主要以鋼筋混凝土等為切割對象，但由于鋼筋在混凝土中隨機分布、混凝土內部存在不連續點甚至裂縫等原因，鋸片基體在切割過程中的受力狀態與切割機理極為復雜，對鋸片基體的性能要求比對傳統石材加工用鋸片基體的性能要求更高，主要體現為屈強比(屈服強度/抗拉強度)要求更高，基體剛性要更好，同時基體齒部的耐沖擊性要求更高[3]。因此，金剛石鋸片在建筑施工領域使用過程中由于沖擊力和負荷的急劇變化，鋸片基體容易變形，尤其是鋸片刀頭易掉齒或基體水槽底部易產生裂紋等問題，不但降低了鋸片的使用壽命，同時鋸切加工時易形成較大的安全隱患。

已有的研究成果表明,為減少鋸片基體在鋸片高強度、大沖擊工況下出現使用裂紋等，國內外同行一方面主要改進金剛石刀頭配方和使用金剛石有序排列，使鋸片在切割過程中更加鋒利[4-5]；另一方面，通過對基體和鋸齒結構的合理設計,提高鋸片的抗沖擊能力,來提高其鋸切效果。胡映寧等[2]介紹了國內外優化金剛石圓鋸片基體及鋸齒結構的有關成果，如鋸片基體開氣流孔槽或鑲阻尼材料，形成鋸齒中凹磨損的三明治夾層齒、多重細齒、徑向延伸齒和硬質合金護齒等,分析了各種用于干切削、抗沖擊和低噪音的鋸片基體及鋸齒結構特點及存在問題；仇君等[6]研究發現：合理的水槽結構能使鋸片的應力分布均衡,高應力區大大縮小。

將二者綜合起來考慮，發現用現有技術對水槽形狀進行優化改進，工業化控制的難度低，且效果較為明顯。如專利[7]介紹：在傳統鑰匙形水槽的底槽圓孔中鑲入銅釘填充材料，因鑲入水槽底部圓孔中的銅釘較軟，起到很好的緩沖作用，使得鋸切時水槽底孔處應力過于集中的現象得以消除，避免因局部應力集中而產生的裂紋，極大地提高了鋸片的耐沖擊性能。

針對鑰匙孔水槽底孔中鑲入銅釘的新型齒形結構的金剛石鋸片基體，建立其相應的鋸切受力時的有限元模型，開展傳統鑰匙孔水槽齒形和新型的鑰匙孔水槽底孔中鑲入銅釘等不同類型的金剛石圓鋸片鋸切受力的數值模擬對比研究，探究其應變及應力的變化規律。

1 金剛石圓鋸片鋸切受力的有限元建模

1.1 圓鋸片結構參數及材料屬性

圓鋸片基體材料為鋸片專用鋼50Mn2V，其主要尺寸如表1所示，其刀頭尺寸的寬為刀頭沿基體方向的尺寸，刀頭尺寸的高為刀頭沿基體外徑方向的尺寸。鋸片基體、刀頭和銅釘的材料特性參數如表2所示。

表1 圓鋸片結構參數

表2 金剛石圓鋸片的材料特性

1.2 定義單元類型

根據表1和表2的金剛石圓鋸片基本結構參數和材料特性參數建立有限元仿真模型，為保證鋸切時鋸片的受力情況一致，設定傳統鑰匙孔齒形和新型鑰匙孔鑲銅釘齒形的鋸片基體齒長是一致的。

由于表1中的金剛石圓鋸片基體的徑厚比較大，屬于典型的平面薄板件，其受力可簡化為平面應力問題，因此在建模時選用了ANSYS軟件分析時常用的2種單元類型：殼單元SHELL63和體單元SOLID45。根據表2的基體材料、刀頭結塊材料和鑲嵌銅釘材料對應的材料屬性參數，對于薄板平面結構的金剛石圓鋸片基體簡化的平面應力情況，選用板殼單元SHELL63，2種結構類型的金剛石圓鋸片的有限元仿真模型如圖1所示。

由于金剛石圓鋸片刀頭節塊的厚度與基體不同，鑰匙孔底孔中鑲嵌銅釘的材質與基體不同，因此選用SOLID45體單元類型來模擬其實際受力情況。

1.3 網格劃分

使用ANSYS分析軟件中的網格劃分選項Smart sizing進行智能網格自由劃分，程序自動控制有限單元大小。為便于水槽齒部周圍的有限單元劃分，統一采用四邊形單元。另外，由于水槽底部所處位置是應力集中敏感區，須將水槽附近的網格、銅釘與底孔交界面上的網格進一步細化，以便更精確地反映出整個有限元模型的狀態。其劃分網格后的有限元模型如圖2～圖4所示。

1.4 定義約束及施加載荷

鋸片在鋸切過程由中孔和法蘭盤固定在主軸上，且鋸切加工時只有繞軸向方向的轉動，因而在其他自由度上是固定的，而轉動由電機帶動，理想切割狀態下為勻速轉動，也可認為是受約束的。因此，基體內孔整個圓環面積受到全約束，即ANSYS模型受全約束。

依據建模時鋸片的相關參數，再參考文獻[1]，鋸切過程中的主要工作參數設定為：鋸片鋸切轉速1 000 r/min，進給速度1.8 m/min，鋸切進刀量20 mm/次(單次進刀深度)，其中結塊寬度為3 mm。根據金剛石鋸片的力學模型[8-10]，可計算出同一時刻有2個齒參加切屑時的切向力為Ft=257 N，徑向力Fn=59 N。此時，可認為2個齒承受了所有的壓力，受力位置為刀頭的頂面和側面，其面積分別為An和At，則單個齒側面的均布載荷Pt=Ft/(At/2)=6.119 MPa，單個齒頂面均布載荷Pn=Fn/(An/2)=0.246 MPa，且載荷將均布加至2個刀頭結塊的頂面和側面上。

2 仿真結果與分析

2.1 圓鋸片變形情況分析

傳統鑰匙孔齒形圓鋸片以及新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片綜合變形D值分布云圖如圖5～圖6所示，其綜合變形D最大值見表3所示，表3中：

η1=(1-2#的變形最大值/1#的變形最大值)×100%。

表3 2種鋸片的綜合變形最大值比較

由圖5～圖6及表3發現：在承受相同載荷的情況下，與傳統的金剛石圓鋸片1#相比，新型鑰匙孔水槽鑲銅釘圓鋸片2#的綜合變形D最大值比傳統1#的減少了6.36%，說明新型齒形結構的鋸片較傳統鋸片在鋸切受力時的變形量減小。因此，在變形量一定的前提下，新型齒形結構的鋸片能承載更大的載荷。

2.2 圓鋸片應力情況分析

根據第三強度理論，圓鋸片的基體材料許用應力為S=S1-S3[1]，其中S1和S3分別表示圓鋸片所受的第一和第三主應力，即圓鋸片在鋸切過程中所受的應力不能超過許用應力S。因此，研究鋸片受到的第一、第三主應力大小以及應力集中的情況，就能夠判斷鋸片的優劣。傳統鑰匙孔水槽圓鋸片1#以及新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片2#的第一、第三主應力分布云圖見圖7～圖10所示；其第一、第三主應力最大值見表4所示，表4中：

η2=(1-2#的對應應力最大值/1#的對應應力最大值)×100%

其中，第一主應力為拉應力，第三主應力為壓應力。

由圖7～圖10及表4的結果可知：在承受相同鋸切載荷的情況下，傳統鑰匙孔水槽圓鋸片1#的最大應力均發生在水槽的圓弧底部，即受到的最大應力集中出現在鋸齒的水槽圓弧周圍；而新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片2#的最大應力及應力集中出現在銅釘頂部與水槽接觸處。同時，2#和1#相比，高應力區大大縮小，且應力均衡，應力絕對值顯著下降，且應力最大值分別降低了38.04%和41.36%。這也說明在使用新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片與傳統齒形鋸片相比，在變形、應力方面都得到了較大改善。在變形和應力一定的情況下，新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片比傳統齒形鋸片能承受更大的載荷或沖擊，說明該新齒形結構適合用于耐沖擊型金剛石圓鋸片。

表4 2種鋸片的應力最大值

3 結論

(1)建立了耐沖擊型新型齒形結構的金剛石圓鋸片鋸切受力的有限元模型。在承受相同載荷的情況下，新型鑰匙孔水槽圓孔中鑲銅釘鋸片較傳統鑰匙孔水槽鋸片在鋸切受力時的變形量減少6.36%，表明新型齒形結構鋸片與傳統齒形鋸片相比，能承載更大的載荷。

(2)從第一、第三主應力分布云圖看出，新型鑰匙孔水槽鑲銅釘齒形圓鋸片和傳統鑰匙孔水槽圓鋸片相比，第一、第三主應力分別降低38.04%和41.36%，并且對應的高應力區均大大縮小，應力均衡，表明新型齒形結構鋸片較傳統齒形鋸片在同等條件下的應力明顯改善，耐沖擊性能顯著提高。