冷锯机侧隙圆锯片的横向振动研究

冷锯机侧隙圆锯片的横向振动研究
谭心;于长永;李璇
【摘要】侧隙锯片是一种具有良好应用前景的新型冷锯机圆锯片,具有节能并延长锯片使用寿命两大优点.现针对φ1800mm冷锯机在锯切H型钢过程中,因锯片横向振动导致锯缝过宽、锯斜并产生过多锯切损耗等问题,利用ANSYS和MATLAB 软件对空载条件下侧隙锯片和普通锯片不同位置节点的横向振动进行分析,并研究锯片转速、锯片厚度等参数对两种锯片横向振动的影响.结果表明:圆锯片两侧加工侧隙,在一定程度上能改善锯片的横向振动,为进一步优化锯片结构参数和锯切工艺参数提供理论基础.%Side-gap saw blade is a new type of cold saw blade which has a good prospect.It has two major advantages:energy-saving and prolong the life of the blade.Now,because the transverse vibration cause saw kerf too wide,saw ramp,excessive cutting losses and other issues in the process ofφ1800mm cold saw cutting H-beam.The paper uses ANSYS and MATLAB software to simulate the transverse vibration of unloaded nodes at different positions on side-gap saw blade and general saw blade,and studies different saw blade speed,thickness and other parameters' impact on the two kinds of saw blades' transverse vibration.The results showed that:machining backlash on both sides of the circular saw blade,to some extent,can reduce the transverse vibration.It provides a theoretical basis for the further optimization of structural parameters of the saw blade and cutting process parameters.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2017(000)004
【总页数】4页(P92-95)
【关键词】侧隙锯片;H型钢;锯缝;横向振动
【作者】谭心;于长永;李璇
【作者单位】内蒙古科技大学机械工程学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学
机械工程学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学机械工程学院,内蒙古包头014010
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TH113
冷锯机广泛应用于冶金厂各种轧钢车间和热挤压车间，它的主要作用是将冷床冷却、矫直后的型材切头、去尾和定尺，成为轧钢生产线中的一个重要生产设备[1]。

侧隙锯片是一种双侧加工出局部减薄环形侧隙的新型节能锯片。

和普通锯片相比，在金属锯切过程中能够提高固有频率，减小摩擦面积，降低摩擦功率，减轻电机负载，提高锯片使用寿命，防止电流过载问题。

文献[2-3]通过对锯片进行模态分析
证明增大锯片夹盘直径，在锯片两侧开槽等方式可以提高锯片的固有频率。

2008
年文献[4]通过改变锯片结构，开发出节能型侧隙锯片，并证明在锯切过程中可降
低主电机耗电量20%以上。

2010年文献[5]对侧隙锯片进行开拓性研究，证明新
型锯片能提高锯切质量和生产效率，降低能源消耗。

2015年文献[6]研制了一种新型带挤压侧隙的金属冷切圆锯片，并经过钢厂验证：侧隙锯片能明显降低锯切功率损耗。

然而锯片在锯切过程中仍存在横向振动，从而导致锯片刃口的轴向位移增大、切削力增大、切削温度升高、刀具寿命降低、被加工表面质量降低和材料的利用率
降低[7]。

2006年文献[8]探寻锯切时在侧刃横向力作用下的圆锯片横向振动机理，得出结论：锯切时的横向振动响应幅值比空载时要小。

2007年文献[7]围绕减小高速回转薄片刀具的横向振动，从理论与实验两个方面进行研究，提出利用刀具的转动和横向振动来形成流体动压膜和挤压膜，抑制刀具的横向振动。

2009年文献[9]本用数值分析以及实验验证方法研究开槽参数对锯片的振动与噪声特性影响机理，并提出开槽低噪声锯片的优化设计方法。

但侧隙锯片横向振动对锯切质量的影响，目前尚无定论。

针对侧隙锯片进行横向振动研究，对锯片的模态进行分析，并基于模态叠加法应用Matlab软件分析锯片不同位置的振动以及改变锯片的转速、锯片厚度等参数对锯片横向振动的影响。

进行研究的锯片是无缝结构的普通锯片和锯片双侧加工出局部减薄环形侧隙的新型节能侧隙锯片。

锯片材料为45Mn2V，如图1所示。

弹性模量为E=2.06e5MPa，泊松比μ=0.3，质量密度ρ=7800kg/m3，屈服极限σs=834MPa，强度极限σb=981MPa，锯
片直径为D1=1800mm，内径D0=400mm，锯片厚度b=10mm，齿数Z=500。

圆锯片横向振动问题，可以在弹性力学的理论及有关结构动力学分析中得到解释。

以文献[10]建立的弹性薄板小挠度弯曲理论为基础，圆锯片的横向振动方程：
式中：［Δ4］—双调和算子；D—板的弯曲刚度；E—弹性模量，μ—泊松比；b—圆锯片厚度；ρ—圆锯片密度，设方程（1）的解写成如下形式：
式中：Wn—圆板的各阶振型；Xn—各振型分量。

在空载下，即动载荷q（r，θ，t）=0的条件下，利用伽辽金法对锯片的横向振动方程进行变换，得出以各阶振型分量为变量的微分方程组，并用状态变量形式表示该无阻尼自由振动方程为：
式中：［M］—质量矩阵；［K］—刚度矩阵；｛¨｝、｛x｝—加速度向量、位移向量。

基于式（3）编写MATLAB函数来描述圆锯片锯切系统的动态模型，其中振型和
固有频率的计算可以借助有限元分析软件ANSYS，通过有限元分析软件对锯片进
行模态分析后，提取相关数据，然后调用ode函数进行求解，得到圆锯片上各节
点的横向振动响应。

圆锯片上一节点的横向振动响应曲线，如图2所示。

由于该振动理论早于1787年就已经验证了其正确性，所以得到的结果是相对可靠地。

从图中可以直观地观察到该节点横向振动的幅值大小，以及锯片振动的剧烈程度。

3.1 圆锯片上不同位置节点的横向振动
锯片锯切H型钢过程示意图，如图3所示。

可以看出在一个完整的锯切过程中，
冷锯机的锯切平均相迎角在（40～57）°之间变化，在（40～50）°之间锯切时间
较长，综合考虑锯切相迎角主要集中在45°，则在其计算过程中所取的平均相迎角为45°。

为研究锯片上不同径向位置和不同的锯切角度对锯片振动的影响，选取如图4所
示的计算节点，相迎角选取45°，半径（900～540）mm，平均取5个点，分别
标记为a～e。

由图5可知，两种锯片在正常转动时，锯片上各点横向振动的最大振幅随着径向
位置的不同变化十分明显，从a点到e点，随着各节点半径的减小，对应点处的
振幅均呈线性减小，通过比较两种锯片不同径向位置节点的横向振动最大振幅，发现侧隙锯片上各节点的最大振幅均略小于普通锯片上对应节点的最大振幅，且直径越大，振幅差越大，其中普通锯片上半径为900mm的a点，其最大振幅为
32.4mm，而侧隙锯片上a点的最大振幅为28.9mm，此点振幅差最大，为
3.5mm。

在金属锯切过程中，选择不同的相迎角会影响冷锯机生产率、锯切力和锯切过程稳定性[11]。

锯片上不同相迎角计算节点的选取，如图6所示。

锯片半径为900mm，
相迎角（0～90）°，平均选取7个节点，编号1～7。

由图7可知，锯片在正常转动时，两种锯片外缘不同相迎角各节点的最大振幅是
变化的。

当相迎角在（0～30）°和（60～90）°时，锯片外缘各节点的最大振幅是逐渐减小的，当角度在（30～60）°时，锯片边缘处各点的最大振幅是逐渐变大的。

考虑到冷锯机工作时可能会同时锯切多根H型钢，必须保证冷锯机能够直线进给，如图3所示。

所以夹盘直径的大小对相迎角也有一定的影响，当夹盘直径为
700mm时，为保证锯片在进给时夹盘不和工件碰撞，工作中允许的最小初始相迎角为23°，出锯相迎角为38°，同时为保证工件能被完全锯切，最大初始相迎角为46°，出锯相迎角为90°，因此平均相迎角的选择应在（30～65）°之间。

通过对
比普通锯片和侧隙锯片不同相迎角各节点横向振动，当相迎角在45°附近时，侧隙锯片上节点的最大振幅要小于普通锯片，且当相迎角为45°时，侧隙锯片上4号节点的最大振幅为25.1mm，普通锯片上4号节点的最大振幅为30.5mm，两锯片
的振幅差为5.4mm。

3.2 圆锯片在不同转速下的各节点的振动
选取相迎角45°的a节点，如图4所示。

在其他参数相同的情况下，通过改变锯片的转速，计算出两种锯片在不同转速条件下a点的横向振动，其最大幅值，如图8所示。

由图8可知，锯片的转速对普通锯片上a点的横向振动有很大的影响，当转速在（500～1000）r/min时a节点的振幅增大，在转速为（1000～1500）r/min时，a点处的最大振幅急剧减小，当锯片转速为1500r/min时，a点的最大振幅为
30mm，在转速为（2000～3000）r/min时，锯片上测量点处的最大振幅不断减小，当锯片转速为3000r/min时，a点的最大振幅为25.8mm。

而侧隙锯片随着
锯片转速的增加，a节点横向振动最大振幅的变化很小，当锯片转速为
1500r/min时锯片的最大振幅最小为29.8mm。

由于随着转速的增加，由离心力
引起的径向拉应力将增加，从而降低了锯齿所能承受的锯切能力，因此，一般应用圆锯片的圆周速度Vmax≤140m/s[12]。

当前采用的锯片直径为1800mm，所以锯片的最大转速要小于等于1500r/min。

对比两种锯片，将锯片的转速控制在1500r/min时，对减小锯片横向振动最大振幅是相对有利的。

3.3 不同厚度圆锯片上各节点的横向振动
由于锯片厚度过厚会增加锯切刃口宽度，厚度过小会降低锯片刚度[13]，选取厚度为10，12和14mm的侧隙和普通锯片进行研究，如图4所示。

选取相迎角为45°的a节点。

侧隙锯片和普通锯片随着锯片厚度的增大，如图9所示。

锯片上a节点的最大振
幅逐渐减小，且当厚度为（10～12）mm时，普通锯片的振幅差为6mm，侧隙
锯片的振幅差为4mm，锯片厚度为（12～14）mm时，两种锯片上a节点的最
大振幅均变化较小。

因此侧隙锯片上a节点最大振幅的变化曲线随着厚度的增加
变化较为平缓。

锯片厚度为10mm，普通锯片上a节点的最大振幅为32mm，侧隙锯片上a节点的最大振幅为29mm，其振幅差为3mm。

锯片厚度为12mm，
普通锯片上a节点的最大振幅为26mm，侧隙锯片上a节点的最大振幅为25mm，两种锯片的振幅差为1mm。

且厚度为（10～12）mm时，侧隙锯片上a节点的
最大振幅均小于普通锯片上对应节点的最大振幅。

当锯片厚度为14mm时，两种锯片a节点的振幅近似相等。

因此可以观察到随着锯片厚度的增加两种锯片的振
幅差逐渐减小。

考虑到锯片厚度的增加会增加刃口宽度和切削力，所以应选择厚度较薄的锯片。

通过与普通锯片对比，研究普通冷锯机锯片和侧隙锯片的横向振动。

分析计算两种锯片不同径向位置，不同相迎角的横向振动，以及改变锯片转速和厚度对锯片横向振动的影响，得出以下结论：（1）通过对两种锯片不同径向位置节点横向振动的分析，可知锯片上最大振幅发生的位置在锯片外缘，从而为后续研究确定了计算节
点的径向位置。

同时发现侧隙锯片上各节点的横向振动最大振幅要小于普通锯片上对应节点的最大振幅。

对两种锯片外缘不同相迎角各节点的计算，发现在保证锯片能顺利进给和工件被完全切割的前提下，锯片的平均相迎角应在45°附近。

（2）侧隙锯片随着转速的增加，a节点的最大振幅曲线变化较为平缓，且转速在（500～2500）r/min时，侧隙锯片上a节点的最大振幅均小于普通锯片，同时考虑到锯片转速过高会导致锯锯切力下降，锯片转速过慢不能够保证锯切效率，因此锯片转速为1500r/min是相对合理的。

（3）适当改变锯片厚度能够减小计算节点横向振动的最大幅值，且侧隙锯片上a节点的最大振幅曲线略低于普通锯片的振幅曲线。

同时考虑到锯片厚度会影响锯片刚度、锯切力等，因此当空载下侧隙锯片厚度为12mm，对减小锯片横向振动是相对有利的。

【相关文献】
［1］黄华清．轧钢机械［M］．北京：冶金工业出版社，1980．（Huang Hua-qing．Steel Rolling Machinery［M］．Beijing：Metallurgical Industry Press，1980．）
［2］谭心，张庆斌，陈琳．冷锯机锯片有限元模态分析［J］．现代制造工程，2014（2）：60-63．（Tan Xin，Zhang Qing-bin，Chen Lin．Themodalanalysisof cold saw bladewith FEM ［J］．Modern Manufacturing Engineering，2014（2）：60-63．）
［3］马建敏．圆盘锯片振动特性的计算分析［J］．机械科学与技术，1999（5）：366-368．（Ma Jian-min．Calculation and analysisof natural characteristicsof disksaw blade ［J］．JournalofMechanicalScienceand Technology，1999（5）：366-368．）
［4］李永佳，于强．节能型金属冷切圆锯片在H型钢冷切中的应用［J］．河北冶金，2008：45-47．（LiYong-jia，Yu Qiang．Application ofenergy-savingmetal-cold-cutting round saw in cold cutting ofh-shape steel［J］．Journalof HebeiMetallurgy，2008：45-47．）［5］李海军，刘勇．侧隙锯片在型钢冷锯切中的应用［J］．莱钢科技，2010：55-56．（LiHai-jun，Liu Yong．Applicationofside-gap saw blade in cold cuttingof section stell ［J］．JournalofScienceand Technology in LaiSteel，2010：55-56．）
［6］韩会杰．带挤压侧隙的金属冷切圆锯片的开发［J］．河北冶金，2015：68-70．（Han Hui-jie．Development of round metal cold cutting saw blade with pressed side gap ［J］．JournalofHebeiMetallurgical，2015：68-70．）
［7］李庆华．高速回转圆盘薄片刀具横向振动的控制研究［D］．长春：吉林大学，
2007．（LiQing-hua．Transverse vibration control research of high speed rotary discwafer cutting tool［D］．Changchun：Jilin University，2007．）
［8］徐东镇．锯切时夹盘圆锯片横向振动特性研究［D］．南京：南京林业大学，2006．（Xu Dong-zhen．Studyofchuck saw blades transverse vibration properties in cutting ［D］．Nanjing：Nanjing Forestry University，2006．）
［9］姚涛．开槽圆锯片减振降噪机理研究［D］．天津：河北工业大学，2009．（Yao Tao．Mechanism study of sloted circular saw blade vibration and noise reduction ［D］．Tianjin：HebeiUniversity of Technology，2009．）
［10］邱吉宝，向树红，张正平．计算结构动力学［M］．合肥：中国科学技术出版社，2009．（Qiu Ji-bao，Xiang Shu-hong，Zhang Zheng-ping．Computational StructralDynamics［M］．Hefei：Scienceand Technology ofChina Press，2009．）
［11］刘培锷．锯切位置对圆盘式冷锯机锯切过程的影响［J］．重型机械，1988（9）：54-61．（Liu Pei-e．The effectofsawing position on the cutting procrdure of disk cold saw ［J］．JournalofHeavy Machinery，1988（9）：54-61．）
［12］邹家祥．轧钢机械［M］．北京：冶金工业出版社，1995．（Zou Jia-xiang．Steel Rolling Machinery［M］．Beijing：Metallurgical Industry Press，1995．）
［13］史晓敏．热切锯锯齿应力分析［J］．机械设计与制造，2003（5）：89-91．（Shi Xiao-min．Stressanalysisof the saw blade［J］．Machinery Design& Manufacture，2003（5）：89-91．）。