锯切参数对圆锯片消音的影响及优化

张威浩

摘要：通过有限元法和正交试验法相结合来分析在不同锯切参数下圆锯片的消音降噪效果。分析结果表明

锯片夹紧比、厚度的减小可以消音，回转速度对其影响较小；夹紧比增加可减小锯片的径向和切向最大应力，回转速度减小可减小径向和切向最大应力，而圆锯片厚度对其影响较小。三因素对锯片应力影响的主次顺序为：回转速度>夹紧比>基体厚度。最优消音效果的锯切参数为夹紧比为0.3，回转速度为180rad/s，基体厚度为2.0mm。

关键词：圆锯片；正交试验；有限元分析；固有频率；消音

引言

金刚石圆锯片加工质量好、生产效率高、切削性能优越而被广泛应用。圆锯片在锯切过程中产生巨大噪声污染，工作噪音达110分贝左右。因此，金刚石圆锯片的消音问题引起国内外研究人员的高度重视。锯片在进行锯切加工过程中的固有频率以及其应力状态两个因素是用来衡量锯片稳定性的关键技术指标，然而，对于圆锯片来讲，其动态稳定性将直接决定其噪音的大小【1-2】。通常情况下影响和制约锯片的动态稳定性的主要技术参数包括以下几个方面：锯片厚度、夹紧比、切削力、回转速度以及锯片材料等多个因素，其中对锯片的动态稳定性影响最大的三个因素主要是：锯片厚度、夹紧比以及回转速度【3-4】。因此，采用有限元分析法再结合正交试验法，研究圆锯片在不同的厚度、夹紧比以及回转速度条件下的固有频率，进而分析他们对圆锯片的动态稳定性的影响，从而找到最优的锯切参数；最终，为实际锯切消音提供重要的理论依据【5】.

1 有限元分析模型

圆锯片在工作时由夹盘夹紧，被夹的中心部分可看成全自由度约束状态，同时锯片与中心轴的联接为固定约束。故圆锯片的有限元分析模型可简化为一个由夹盘半径处紧固、材质均匀的圆环薄板。实际工作中金刚石结块尺寸相对片体非常小，对圆锯片整体的动态特性影响不大并且为了简化模型，故结块可以忽略不计。查《石材机械与工具实用手册》取黑旋风锯业用于高频焊接的钥匙孔金刚石圆锯片，基体参数取锯片基体直径为400mm.

2 正交试验设计

夹紧比、回转速度和基体厚度对锯片的影响颇大，是生产中着重考虑的因素。锯片减振降噪的效果和锯片的固有频率有关：相同阶次固有频率越小，则噪声辐射效率降低。金刚石圆锯片的切削加工速度通常在30～55m/s.对于直径为364mm的锯片，其回转速度在165～302rad/s，故回转速度选取180rad/s、230rad/s和280rad/s 3个水平。锯片的夹紧比选取0.2、0.3和0.4三个水平；锯片的基体厚度选取2mm、2.2mm和2.8mm3个水平，相应的节块厚度水平分别为2mm、2.2mm和2.8mm。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

利用ANSYS10.0对每一组试验进行分析。锯片的振动能量主要集中在低频率范围上，故提取前4阶模态振型。

3.2 试验结果分析

对所选三因数前4阶模态固有频率求极差，见表3.3。由表知，各因素对锯片模态（0，0）、（0，1）和（0，4）固有频率影响的主次顺序为：夹紧比>厚度>回转速度，而模态（0，2）和（0，3）固有频率影响的主次顺序为：厚度>夹紧比>回转速度。

由于锯片在回转速度的作用下有“刚化作用”，抵抗锯齿冲击工件产生的切向反力，从而来减少锯片工作过程中的扭转振动。为此适当地选择回转速度可以有效地增加锯片的稳定性，同时锯片的有效回转速度对与锯片的固有频率也没有太大的影响。故回转速度取180rad/s，即B1水平。因此，三个因素对锯片固有频率影响的最优化组合水平为：A1、B1、C1，则此时：锯片基体厚度为2.0mm，锯片夹紧比为0.2，锯片回转速度为180rad/s。

表3.3 各因数对锯片前四阶模态固有频率的极差

模态 夹紧比 回转速度 基体厚度

（0，0） 146.9 5.5 54.3

（0，1） 581.1 31.3 344.7

（0，2） 323.9 48.2 413.5

（0，3） 839.8 41.4 908.2

（0，4） 1099.7 75.6 1035.1

通过对所选三因数的径向和切向最大应力求极差，见表3.4。由表知，各因数对锯片的最大径向和切向应力影响的主次顺序为：回转速度>夹紧比>基体厚度。因此通过上述的分析可以得出：三个因素对于应力的影响最优化参数组合为：A3、B1、C1，则此时：锯片基体厚度为2.0mm，锯片夹紧比为0.4，锯片回转速度为180rad/s。

表3.4 各因数对锯片径向和切向最大应力的级差

因数 回转速度 夹紧比 基体厚度

最大切向应力 19.93 12.57 1.14

最大径向应力 4.25 4.05 1.51

结合圆锯片固有频率以及最大应力分析结果，可得出夹紧比的减小可以有效的降低锯片固有频率，从而减小了锯片的噪音，但能产生较大的应力。为此可以适当地选择夹紧比，即满足了锯片消音降噪的目的，又不会形成太大的应力场，故锯片的夹紧比选择A2水平。综上分析得出各因素对锯片最优消音影响水平的最优参数组合为A2、B1、C1，则此时，锯片基体厚度为2.0mm，锯片夹紧比为0.3，锯片回转速度为180rad/s。

4 结 论

1）锯片夹紧比、厚度减小可以消音，回转速度对其影响较小。

2）夹紧比增加可减小锯片的径向以及切向的最大应力；回转速度减小可以减小径向以及切向的最大应力，然而，圆锯片的厚度对其影响较小。同时得到各种不同因素水平条件下对于锯片的应力影响因素的先后顺序为：回转速度>夹紧比>基体厚度。

3）最佳消音效果的锯切参数组合为：A2B1C1，即夹紧比为0.3，回转速度为180rad/s，基体厚度为2.0mm。这样即保证了鋸片良好的降噪效果，同时也满足了锯片动态稳定性。

参考文献：

[1]习宝田.固有频率在衡量圆锯片稳定性与适张度方面的作用[J].林产工业，1990，26（5）：12-15.

[2]吴佳宾.基于有限元法的金属圆锯片动态特性研究[D].石家庄：河北工业大学，2005

[3]臧勇，李同金，陶登奎，等.圆锯片的有限元模态分析[J].重型机械，2002，49（1）：49-52.

[4]马云善，李远，徐西鹏.锯切参数与锯片结构对锯片临界载荷影响的有限元分析[J].工具技术，2006，40（12）：18-22.