（机械制造及其自动化专业论文）新型组合结构圆锯片基体创新设计关键技术研究.pdf

摘要 本文针对加工大幅面板材的市场需求，基于创新设计原理和圆锯片的功能分 析，将圆锯片分解为支撑功能模块、驱动功能模块及切割功能模块。通过对不同 功能模块剖析、创新、重构，提出新型组合结构圆锯片的设计方案。应用有限元 理论研究新型组合结构圆锯片工作过程中的承载状况、变形情况以及应力分御状 态，分析新型组合结构圆锯片的低阶模念振型、固有频率等动态性能对使用效果 的影响。根掘分析数掘对新型组合结构圆锯片基体进行优化设计。 对新型组合结构圆锯片进行结构静力分析和模态分析，同时对普遍应用的同 直径大小的整体金刚石圆锯片进行相应方面的有限元分析。数据表明：新型组合 结构圆锯片和普通会刚石圆锯片的低阶模态处于一个数量级且相差不大，基体应 力分靠也基本相似。说明新型组合结构圆锯片和同直径大小的普通会刚石圆锯片 有相近的工作性能，能基本满足加工要求。 对新型组合结构圆锯片进行热应力分析：新型组合结构圆锯片基体受温度的 影响比普通圆锯片大，产生了较大的热应力；基体温度分布均匀，根据第三强度 理论，热应力没有超出材料的安全许用应力范围；基体与结块焊接处及结块外边 缘热应力值较大，因此锯片在使用前必须进行残余应力处理。热应力分析详细描 述了锯片的应力分布特点，为锯片适张处理提供了理论依掘。 结合结构静力分析和模态分机的成果对新型组合结构凰锯片进行优化设计。 结构静力分析、模态分析的主要目的是深入了解新型组合结构圆锯片使用性能和 动态性能，为最终新型组合结构圆锯片基体的优化设计提供状态变量数掘参考。 通过三次优化设计，在考虑新型组合结构圆锯片基体阶固有频率下，中1 8 0 0 m m 锯片基体质量最优化结果比初始设计少了3 k g ，更为重要的是基体的一阶固有频率 有所提高，而最大变形量和最大等效应力均有所降低，从而提高了锯片的使用性 能和动态性能。 为了验证有限元分析结果，深入研究组合结构圆锯片的动态性能和使用性能， 提出了应力分析试验方案、模态分析试验方案及温度测试试验方案。 提出的新型组合结构圆锯片的切割幅面能够达到其直径的2 3 ，并可直接应用 于现有的普通规格圆盘锯机上，保证了对原设备的兼容性，拓展了圆盘锯机的应 用范围，使会刚石圆盘锯在切割宽幅面石材制品中也能体现低成本、高效率的特 点，市场应用前景广阔。 关键词圆锯片；组合结构：有限元；优化设计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h em a r k e td e m a n dt ol a r g eb r e a d t hs u r f a c es t o n e p r o d u c t s ，t h es a wb l a d ew a sd i v i d e di n t os u p p o r t i n gf u n c t i o nm o d u l e ，d r i v i n gf u n c t i o n m o d u l ea n dc u t t i n gf u n c t i o nm o d u l eb a s e do nt h ei n n o v a t i o nd e s i g np r i n c i p l ea n d f u n c t i o na n a l y s i so fs a wb l a d e t h cd e s i g np r o j e c tw a s b r o u g h tf o r w a r db ya n a l y z i n g i n n o v a t i n ga n dr e c o n s t r u c t i n gt h ed i f f e r e n tf u n c t i o nm o d u l e s t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sw a sa p p l i e dt os t u d yl o a d d e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no f n e wc o m b i n e d s t r u c t u r es a wb l a d ei nw o r k i n g ，t oa n a l y z ei t sl o wm o d e is h a p e ，i n h e r e n tf r e q u e n c y , w h i c hi n f l u e n c e di t sa p p l i c a t i o ne r i e c t f i n a l l y , t h en e wc o m b i n e ds t r u c t u r es a wb l a d e w a so p t i m i z e db a s e do nt h ea n a l y s i sd a t a t h es t r u c t u r ea n a l y s i sa n dm o d ea n a l y s i so fn e wc o m b i n e ds t r u c t u r es a wb l a d e w e r ec a r r i e do u t ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fh o l i s t i cd i a m o n d s a w b l a d et h a ti su s e dw i d e l yw a sc a r r i e do u tc o m p a r e da n dc o n t r a s t e dw i t hn e wc o m b i n e d s t r u c t u r es a wb l a d e t h er e s u l t si n d i c a t e ：t h el o wr a n km o d e so ft h et w ok i n d so f d i a m o n ds a wb l a d e sl o c a t ei nt h es a m eo r d e ro fm a g n i t u d ea n dt h e r ew a sn om u c h d i f f e r e n c ei nv a l u e s f u r t h e r m o r e t h es t r e s sd i s t r i b u t i n gi ss i m i l a r a 1 1t h e s ed a t as h o w t h a tt h en e wc o m b i n e ds t r u c t u r es a wb l a d e sh a v et h es i m i l a rm a c h i n i n gc a p a b i l i t yw i t h t h ec o m m o nd i a m o n ds a wb l a d e st h a th a v et h es a m ed i a m e t e ra n dc a ns a t i s f yt h e m a c h i n i n gq u a l i t yr e q u e s tg e n e r a l l y i no r d e rt od e a lw i t ht h er e s i d u a ls t r e s so fb o d yo fn e wc o m b i n e ds t r u c t u r es a w b l a d e t h et h e r m a ls t r e s sa n a l y s i sw a sc a r r i e do u t t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w ：t h e i n f l u e n c eb yt e m p e r a t u r eo f n e wc o m b i n e ds t r u c t u r es a wb l a d ei ss t r o n g e rt h a nc o m m o n d i a m o n ds a wb l a d e a n db i g g e rt h e r m a ls t r e s sc a m ei n t ob e i n g t h et e m p e r a t u r e d i s t i l b u t i o ni ns a wb l a d eb o d yi se v e n b a s e do nt h et h i r di n t e n s i t yt h e o r y , t h et h e r m a l s t r e s sd o e sn o te x c e e dt h er a n g eo fs a f e t yp e r m i s s i b l es t r e s so fm a t e r i a l t h ev a l u eo f s t r e s si sb i g g e ri nw e l do f b o d ya n da g g l o m e r a t i o na n di ne d g eo f a g g l o m e r a t i o n s ot h e r e s i d u a ls t r e s sm u s tb ed e a l tw i t hb e f o r et h es a wb l a d ei su s e d t h et h e r m a ls t r e s s a n a l y s i so f f e r sd e t a i l e dr e s i d u a ls t r e s sd i s t i l b u t i o ns t a t u so fs a wb l a d e ，a n da l s oo f f e r s t h e o r yr e f e r e n c ef o rt e n s i t yh a n d l i n go f n e wc o m b i n e ds t r u c t u r es a w b l a d e t h eo p t i m u md e s i g nw a sc a r r i e do u tc o m b i n e dw i t ht h er e s u l t so fs t r u c t u r e a n a l y s i sa n dm o d ea n a l y s i s t h es t r u c t u r ea n a l y s i sa n dm o d ea n a l y s i sa i mt or e a l i z et h e a p p l i c a t i o nc a p a b i l i t ya n dd y n a m i cc a p a b i l i t y , a n do f f e rd a d ar e f e r e n c ef o ro p t i m u m d e s i g no fn e wc o m b i n e ds t r u c t u r es a wb l a d e b a s e do nt h ed i f f e r e n ts t a t ev a r i a b l e s ， t h r e eo p t i m u md e s i g n sw e r ec a r r i e do u t c o n s i d e r i n gt h ef i r s tr a n ki n h e r e n tf r e q u e n c y o fn e wc o m b i n e ds t r u c t u r es a wb l a d e ，t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sw e r et a k e no u t c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ld e s i g n ，t h e v a l u eo fo p t i m i z a t i o nr e d u c e d3 k g ，m o r e i m p o r t a n t l y , t h ef i r s tr a n ki n h e r e n tf r e q u e n c yi si n c r e a s e d a n dt h ed e f o r m a t i o na n dm o s t e q u i v a l e n ts t r e s sd e c r e a s e s ot h ea p p l i c a t i o nc a p a b i l i t ya n dd y n a m i cc a p a b i l i t yo f o p t i m i z a t i o ns a w b l a d ew e r ei m p r o v e d i no r d e rt ov a l i d a t et h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t sa n du l t e i l o r l yi n v e s t i g a t et h e d y n a m i cc a p a b i l i t ya n da p p l i c a t i o nc a p a b i l i t y , t h es t r e s sa n a l y s i se x p e r i m e n t ，m o d e a n a l y s i se x p e r i m e n ta n dt e m p e r a t u r ec h e c ke x p e r i m e n tw e r ed e s i g n e d t h ec u r i n gr a n g eo fn e wc o m b i n e ds t r u c t u r es a wb l a d ec a nr e a c h2 3o fi t s d i a m e t e r , a n di tc a nb ed i r e c t l ya p p l i e dt oc o m m o nd i s cs a wm a c h i n e ，t h a tg u a r a n t e e s t h ec o m p a t i b i l i t yw i t ho r i g i n a le q u i p m e n ta n de x p a n d st h er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ot h e c o m m o nd i s cs a wm a c h i n ec a ni n c a m a t et h ec h a r a c t e r so fl o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c y i nc u t t i n gl a r g eb r e a d t hs u r f a c es t o n ep r o d u c t ，a n dt h en e wc o m b i n e ds a wb l a d eh a s s t r o n gv i t a l i t yi nm a r k e t k e y w o r d s a wb l a d e ；c o m b i n e ds t r u c t u r e ；f i n i t ee l e m e n t ；o p t i m u md e s i g n - 1 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：至墅型日期：塑堕丝二_ 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者主名：世导师签名：二曼二至1 日期：逮竺望：三y 1 1 圆锯片的应用概况 第1 章绪论 圆锯片是一种中心通过法兰盘固定、周边镶齿的圆盘状切割工具，在机械、 建筑、冶金、木工等行业发挥着重要的作用。随着新材料、新技术、新工艺的出 现，理论研究的不断深入，圆锯片的设计、制造及生产取得巨大进步【o 一。根据应 用场合的不同，圆锯片主要分为以下几类：应用于石材、混凝土、水泥切割的金 刚石圆锯片：应用于金属切割的圆锯片，包括金属高速冷切圆锯片、金属冷切圆 锯片、金属热切圆锯片、镶边圆锯片等；用于木材加工行业的硬质合金圆锯片和 高速钢圆锯片。本文针对石材切割用金刚石圆锯片，探讨其创新设计关键技术。 1 2 石材切割用金刚石圆锯片的研究、应用 金刚石圆锯片是最早用来锯切石材的金刚石工具之一。用金刚石圆锯片锯切 石材所用设备相对简单，锯切工艺参数容易控制，锯切效率、加工精度高，加工 稳定性好。1 9 3 0 年以后，随着粉末冶金技术的发展，产生了焊接式金刚石圆锯片。 1 9 5 3 年，人造金刚石诞生使得会刚石工具制造业得到迅速发展，会刚石圆锯片大 规模应用于石材加工才成为可能【3 争5 1 。为了降低石材加工的成本，提高锯片切割 稳定性和加工质量，国内外许多学者围绕金刚石圆锯片做了许多研究。主要集中 在以下几个方面： ( 1 ) 金刚石结块胎体配方的研究国内学者对胎体配方的研究较多，取得了 相当不错的成果。胎体即结合剂，主要有四种基：铜基结合剂、钴基结合剂、铁 基结合剂、碳化钨基结合剂。其中，以钴基结合剂使用效果最好，但由于价格昂 贵，不能大规模应用。应用最为广泛的是铁基结合剂。研究最多的也是以铁基结 合剂为基础的金刚石圆锯片，其主要研究方法是在铁基结合剂中添加其他元素， 控制各元素的比例，目的是提高胎体的耐磨性和对会刚石颗粒的把持力，从而提 高金刚石圆锯片的寿命【6 ，7 “。 ( 2 ) 锯片基体新材料选择、基体强化技术和废旧锯片修复技术研究对于金 刚石圆锯片基体的研究，主要表现在如何对基体的材料进行配方及如何对基体进 行校正上。在这方面，湖北宜昌黑旋风锯片有限责任公司生产的锯片基体比较有 代表性。它所生产的锯片基体在国内处于领先水平，在世界范围内也达到了先进 的水平 1 1 , 1 2 - 1 3 l 。有关单位利用激光强化技术、涂层技术1 1 4 , 1 5 l 对锯片基体表面进行强 化，提高基体的抗疲劳性能，显著增加基体的复焊接次数，并可将废旧锯片基体 进行修复再利用。 ( 3 ) 金刚石圆锯片锯切花岗石、大理石加工机理的研究华侨大学石材加工 福建省重点实验室、大连理工大学及广东工业大学等单位在石材锯切机理、工艺 参数、金刚石圆锯片的锯切力性能、热特征、磨破损等方面的研究卓有成效，基 本代表我国的技术水平 1 6 , 1 7 2 6 1 ，其研究成果为会刚石圆锯片力学模型的建立奠定 了基础。 ( 4 ) 圆锯片的基体校正、张力处理技术研究由于锯片基体径厚比较大( d h 1 2 0 0 ) ，且在切割过程中工况异常复杂，金刚石圆锯片基体很容易变形，出现横 向振摆、裙边等现象，以至严重影响锯片加工精度和使用寿命。生产过程中常采 用锯片基体校正技术给锯片施加适当的张应力，以抵消锯切热应力的影响，提高 锯片工作的稳定性，改善锯片质量，延长使用寿命【2 7 椰l 。 ( 5 ) 圆锯片的有限元分析有限元分析技术是综合了计算力学、计算数学、 相关的工程学科、工程管理学与现代计算机技术于一体的先进技术，它能够对 特定产品进行性能分析、预测和优化，也可以对其进行物理、力学性能分析、 模拟、预测、评价和优化，加强对产品的快速丌发的能力1 2 9 1 。 应用于切割大幅面板材的圆锯片径厚比较大，工作坏境恶劣，极易产生振动 和噪音，从而造成岩石切面不平直、石材浪费多，造成金刚石结块早期破损、锯 片寿命降低。研究的普遍思路是建立锯片的力学模型，借助于有限元分析工具， 如n a s t r a n ，a n s y s 等，分析研究锯片的应力分布状态、锯片的变形情况及锯片的 模态分布。在此基础上对圆锯片进行设计方砸的改进，即优化设计。这种分析方 法在一定程度上能够替代试验的某些方面，从而节约大量的资源。因此将有限元 分析应用于圆锯片基体的研究开发，将是圆锯片研究的一个重要的方面。 大连理工大学应用有限元分析详细研究了锯切力引起的应力分布p0 1 ，得出的 结论是：随着圆锯片半径的增加，压应力值增大，在锯片外缘处压应力值最大； 随着锯切速度的增加，压应力增加。 西安理工大学应用有限元分析软件a n s y s 对中1 6 5 0 m m 圆锯片进行了动态响应 分析，详细的介绍了分析的步骤及注意事项p ”。 广西大学机械学院应用a n s y s 对特殊结构会刚石圆锯片进行了系统的研究p “， 为金刚石圆锯片的理论研究及产品设计开发提供了理论依据，研究结果表明：合 理的结构参数是改善锯片性能的重要途径。 ( 6 ) 超大、超薄直径、新型结构的圆锯片基体研究为了适用石材、木材等 材料锯切幅面越来越大的要求，有关单位纷纷研制大直径圆锯片基体，如河北星 烁锯业有限公司研制成功并投入生产的中2 5 0 0 3 5 0 0 m 的石材切割用超大直径圆 锯片基体；湖北宜昌黑旋风锯业有限公司选用德国材料、经过特殊加工处理、机 加工、激光强化等试制成功了中2 6 0 0 3 0 0 0 m m 的圆锯片基体也投入试用阶段盼h j 。 目前，国外最大的金刚石圆锯片直径己达5 米以上，而国内最大的金刚石圆锯片 直径仅达3 5 米。在薄型锯片及制造工艺等方面也进行了成功的试验，并取得了 理想的效果，使得中1 6 0 0 2 0 0 0 m m 的锯片厚度降到4 m m ，刀头成本降低1 5 2 0 ， 锯切效率提高1 0 2 0 。 在结构方面的改造，主要围绕锯片基体的抗冲击能力、减小变形、改善应力 状态、减小侧面磨损、降低噪音等方面进行研究。尤其是在圆锯片消音措施方面 的研究居多p ”。研制丌发低噪声锯片，大致遵循两条途径：一是改变基体结构，在基 体上用激光加工特定沟槽，在沟槽中填入阻尼材料；二是将基体分成3 层，中间层 采用阻尼材料。这两种结构的合刚石圆锯片分别如图卜1 和图卜2 所示。湖北宜 昌黑旋风锯业有限公司、山东海恩锯业有限公司、郑州磨料磨具磨削研究所等单 位在上述技术的基础上进行了成功的尝试，取得了理想的降噪效果，有的达到 i s 0 6 1 0 5 国际标准的要求。 q 图卜l 开缝式消音锯片图卜2 三明治结构的金刚行消音锯片 ( 7 ) 金刚石圆锯设备的开发金刚石圆锯片的应用设备总体来说，我国比较 落后，在配套石材加工设备方面与世界先进水平差距甚大。金刚石圆锯片的设备 开发原则参看相关的资料 3 6 1 。 上述研究为圆锯片的切割技术、性能分析和应用奠定了充实的理论基础， 并对圆锯片的发展起到了推动作用。 ， 随着建筑装饰和机械制造业对大幅面石材、木材制品需求量的增大，尤其 是石材，使得幅面宽度在9 0 0 m m 1 2 0 0 m m 的制品在加工中所占的比重越来越 大。 加工大幅面石材制品主要有以下主要工具：金刚石圆锯片、会刚石框架锯、 金刚石绳锯。金刚石圆锯片历来是石材加工的主要生产工具，同金刚石框架锯相 比，用金刚石圆锯片锯切石材设备简单灵巧、锯切效率高、锯切稳定性好。而金 刚石框架锯、金刚石绳锯设备笨重，效率低，且只能应用于大理石加工【3 7 ，3 8 】。但 是普通金刚石圆锯片存在一个明显的缺陷：切割石材制品幅面的宽度小于锯片的 半径，其有效切割宽度一般只达到圆锯片直径的3 0 3 5 。传统上应用金刚石圆锯 片增加加工幅面宽度的方法主要有三种口9 】： ( 1 ) 采用上下相对配置双锯片的锯机进行对切。这种锯机的驱动、进给系 统均需要二套，致使锯机结构庞大、功率大，且对锯机的工作精度要求很高， 设备投资大； ( 2 ) 将加工对象进行正反面两次装夹、两次加工。由于石材荒料质量大、表 面粗糙，二次装夹时的找正非常困难。往往产生较大的装夹误差，使得加工表面 在锯口衔接处常常出现错位台阶，精度要求较高时，此法难以达到要求： ( 3 ) 通过增大锯片的直径来加工大幅面制品，这也是最常用的办法。意大 利、德国等石材工业发达的国家，推出了超大直径的圆锯片基体，目i ； ，锯片 的直径已经达到0 5 0 0 0m m 。然而，中2 2 0 0 m m 以上的锯片基体，随着其直径的 增大，因锯片基体的制造工艺复杂、精度控制困难等问题，使得锯片和设备的 制造、使用成本呈指数倍数的增加，无法体现圆盘锯加工的低成本优势。如一 片因产中1 6 0 0 m m 的圆锯片基体的价格只有1 9 0 0 元左右，且随着我国制锯水平 的提高，其性能已不亚于进口产品：而一片中2 6 0 0 m m 的进口圆锯片基体则需 要4 3 0 0 0 元，中3 0 0 0 m m 的金刚石圆锯片基体价格更高达6 5 0 0 0 元，其价格悬 殊可见斑。 上述加工方法都是在传统整体结构的会刚石圆锯片基体上进行的，局限性 很大，大幅面板材的加工成本仍然居高不下。目f | 全国各类石材企业拥有并使 用锯片直径巾1 6 0 0 2 2 0 0a m 的金刚石圆盘锯机数万台，金刚石圆盘锯机成为 了石材制品加工行业的最主要、应用最广泛的设备，每年纯消耗的圆锯片基体 达数百万张。随着石材制品应用量的增加，金刚石圆锯片的应用量越来越大。 因此，如何应用装有金刚石圆锯片的圆盘锯机切割加工大幅面石材制品成为石材 加工领域研究的一个重要方向，并形成新的研究热点。如何在普通规格的金刚石 圆盘锯上低成本、高效率的加工大幅面石材制品成为整个石材业研究与生产单 位渴望解决的难题。 随着机械创新设计理论的发展和生产工程对切割工具要求的提高，为圆锯 片的创新结构研究提供了发展空问。课题经过大量调研，充分分析研究普通金 刚石圆锯片、圆盘锯机的工作原理，突破传统圆锯片结构和安装驱动方式上的 局限，应用创新设计思想方法，将圆锯片分解为切割功能模块、驱动功能模块 和支撑功能模块，改变现有整体圆锯片的驱动、支撑方式，通过将驱动功能模 块和支撑功能模块创新、变形、重构，探讨研究一种不用增大圆锯片直径来扩 大石材、木材等加工幅面的加工方法，并研究这种新型结构的圆锯片基体的设 计、制造理论及其关键技术。 l 1 3 课题研究的内容及预期达到的目标 1 3 1 课题研究的内容 本课题是山东省自然科学基金资助项目( 项目编号：y 2 0 0 3 f 1 1 ) ，其研究 的主要内容如下： ( 1 ) 新型组合结构圆锯片基体设计关键技术以适用石材、木材等宽幅面 制品的高效、低成本锯切方法的研究为基础，应用创新设计方法，将圆锯片的 结构分解为切割功能模块、驱动功能模块和支撑功能模块，通过驱动功能模块 和支撑功能模块的创新、变形、重构，研究一种结构合理、性能优越、寿命长 的新型圆锯片基体及其设计理论、方法、技术，使圆锯片切割幅面宽度达到其 直径2 3 左右，并可直接应用于现有的普通规格的圆盘锯机上，使普通规格锯 机在切割宽幅面制品时也能体现低成本、高效率的特点。 完善组合结构圆锯片的创新设计理论，解决长期存在的圆锯片锯切幅面宽度 小于其半径、中小圆锯片不能锯切大幅面制品的瓶颈问题，拓展了中小锯机的应 用范围，丰富圆锯片的设计、应用理论，为新型圆锯片研究奠定理论基础。 ( 2 ) 新型组合结构圆锯片基体的动态特性研究针对作为环形超薄板件的 锯片切割外环所承受的切削负荷等边界条件，详细研究锯片基体的应力( 考虑 热应力) 分布状态和变形情况，探讨其与锯片基体适张处理的关系。通过模态 分析，研究锯片低阶固有频率和振型的分御情况，探讨锯片的固有频率、振型 和锯片激振力、临界转速的关系，预测其对被加工对象的尺寸和使用寿命的影 响。并借用普通会刚石锯片的研究成果，探索作为环形薄板件的锯片切割外环 的边界条件，建立新型组合结构圆锯片基体的动态特性与工作性能和使用寿命 的理论模型。 ( 3 ) 新型组合结构圆锯片基体的优化设计探寻锯片基体合理的径厚比、切 割外环与锯片内体的尺寸比例关系、锯片主运动的传递方式以及锯片的驱动、 固定方式等，实现新型组合结构圆锯片基体的优化设计，且使锯片具有较理想 的锯缝宽度。 ( 4 ) 新型组合结构圆锯片有限元分析结果的试验验证根据现有的条件设计 试验，对新型组合结构圆锯片基体的应力分布、固有频率、振幅等有限元分析结 果进行验证，进一步检查有限元分析的合理性，为理论分析提供依掘。 1 3 2 预期达到的目标 ( 1 ) 应用创新设计方法，通过对圆锯片驱动和支撑功能模块的创新、变 形、重构，研究一种结构合理、性能优越、寿命长的新型圆锯片基体及其设计 方法，使圆锯片的切割幅面达到直径的2 3 左右，且可作为锯机的功能附件直 接安装到现有的锯机上，使普通规格锯机在切割宽幅面制品时也能体现低成 本、高效率的特点。 ( 2 ) 研究新型组合结构圆锯片基体的受力变形、应力状态、振动、刚性、 固有频率等对锯片动态特性的影响，探索组合结构圆锯片各模块间的内在规 律，从理论、试验等方面研究其创新机构、驱动方式、驱动能力和延长寿命技 术，确定圆锯片基体最佳径厚比、切割外环的最佳尺寸方案建立新型组合结 构圆锯片基体的动态特性与工作性能关系的理论模型，优化结构参数，实现新 型组合结构圆锯片基体的优化设计。 ( 3 ) 建立组合结构圆锯片的设计理论，解决长期存在的圆锯片锯切幅面 宽度小于其半径、中小圆锯片不能锯切大幅面板材制品的瓶颈问题，拓展中小 锯机的应用范围，丰富圆锯片的设计、应用理论。 1 4 课题研究的意义 ( 1 ) 该课题研究成功后，提出的新型组合结构圆锯片可直接应用于现有的普 通规格圆盘锯机上，保证了对原有设备的兼容性，拓展了圆盘锯机的应用范围， 使会刚石圆盘锯在切割宽幅面石材制品的应用中也能充分体现低成本、高效率的 特点，满足应用普通规格圆盘锯加工大幅面石材制品的需要。切割大幅面石材等 制品不必选用价格昂贵的大砂锯和超大直径锯片、铞机，更可使结构庞大的双锯 片对剖的加工方式退出历史舞台，显著降低了设备投资。 ( 2 ) 探索组合结构圆锯片的切割功能模块、驱动功能模块和支撑功能模块之 间存在的内在规律，从理论、仿真和试验等方面研究其新型结构形式、驱动方式、 驱动能力和延长寿命技术，优化新型组合结构圆锯片基体的创新结构及其参数， 建立组合结构圆锯片的设计理论具有重要的科学意义和实用价值。可以解决国际 上长期存在的圆锯片锯切幅面宽度始终小于其半径、中小锯片不能锯切大幅面制 品的瓶颈问题，进一步完善圆锯片的设计理论。 ( 3 ) 本课题的有关内容在国内还是一个空白，在国外相关行业来说也处于起 步阶段，仅在俄罗斯机械研究院有一点相关的报道。通过对新型组合结构圆锯片 基体设计、制造技术及其基础理论进行的深入研究，其成果对丰富切割加工技术 和加工工具的研究开发具有指导作用，为其他工具、设备的研究丌发提供借鉴， 并在促进我国石材、木材等行业生产技术与设备的发展等方面具有重要的理论指 导意义和应用价值。 1 5 论文结构体系 本课题在综述圆锯片研究动态的基础上，从市场对切割幅面宽度在9 0 0 m m 1 2 0 0 m m 的大幅面石材制品迫切需求的实际情况出发，在创新设计思想的指导下， 通过对圆锯片不同功能模块进行剖析、创新、变形、重构，提出组合结构圆锯片 创新设计方案( 第2 章) ；应用a n s y s 对组合结构圆锯片进行有限元分析，找出圆 锯片在工作过程中存在的问题和薄弱环节( 第3 章) ；针对其存在的问题和薄弱环 节对圆锯片进行优化设计，优化结构参数，提高圆锯片的动态性能( 第4 章) ：最 后应用试验分析技术对有限元分析数据进行结果验证，提高设计的可靠性( 第5 章) 。 第2 章新型组合结构圆锯片结构创新设计 2 1 组合结构圆锯片总体创新设计 机械创新设计理论的发展和新型石材切割工具的成功开发，为圆锯片的创 新结构研究提供了理论参考和技术指导 4 0 1 。所谓机械创新设计，是指充分发挥 设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果( 包括理论、方法、技术、 原理等) ，进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械 产品的一种实践活动。它包括两个部分内容：一是改进完善生产或生活中现有 机械产品的技术性能、可靠性、经济性、适用性等；二是创造设计出新机器、 新产品，以满足新的生产或生活需要。根掘中国技术专家对机械创新设计的 研究，机械创新设计过程包括以下四个阶段：确定机械的基本原理；机构 结构类型综合及优选；机构运动尺寸综合及其运动参数优选；机构动力学 参数综合及其运动参数优选。本课题应用机械创新设计理论对组合结构圆锯片 进行开发，主要用到确定机械原理和机构结构类型综合及优选两个阶段，后面 的两个阶段则应用有限元法和优化设计进行研究开发。 经过大量调研，认为要使圆锯片的切割幅面超过其半径，只有将整体式圆 锯片拆分为组合结构圆锯片。因此，对于组合结构圆锯片的创新设计不是对原 有机械产品的完善和改进，它是一种全新的设计，属予上述机械创新设计的第 二部分。课题充分分析研究各种普通规格类型的整体式会刚石圆锯片、圆盘锯 机的工作原理，结合机械创新设计理论，突破传统设计观念，提出新型组合结 构圆锯片基体的总体设计思想： ( 1 ) 不需要增大圆锯片基体便可使其切割幅面超过其半径，而锯缝宽度 增加不大； ， ( 2 ) 对于现有的普通圆盘锯机进行简单的改装，装上新型锯片附件，即可 用于切割大幅面石材制品，不需要花大价钱购买大型锯机； ( 3 ) 校正机构可根据锯片的精度情况，实时对切割外环进行校正，控制并减 少边缘的谣边现象，降低了锯片的横向振摆，保证了加工精度。 根据圆盘锯机、圆锯片的工作原理以及工作方式，将圆锯片分解为切割功 能模块、驱动功能模块和支撑模块。针对驱动功能模块和支撑模块，借鉴其它机 械构件的驱动结构设计和支撑结构设计，设计不同的结构类型实现对圆锯片的驱 动和支撑。综合考虑机械整体性能和经济性因素，优选出分别实现驱动功能和支 撑功能的结构类型。结构的创新设计是机械设计中最富有创造性、最有活力的 8 - 阶段，又是十分复杂和困难的问题。将优选出的结构类型重新组合，从而实现 对组合结构圆锯片的创新设计，如图2 1 所示。 这样，通过对组合结构圆锯片的创新设计，改变现有的整体式圆锯片的驱动、 支撑方式，对驱动功能模块和支撑功能模块进行变形、重构，实现了组合结构圆 锯片的结构创新设计，对圆锯片新型结构的开发进行有益的尝试。 1 一驱动功能模块2 一切割功能模块3 一支撑功能模块 i ! l2 - 1 新吧组合结构圆锯片概念设计示意l 茎| 2 1 1 支撑功能模块创新研究 根据新型组合结构圆锯片总体设计思想，对于现有的锯机进行简单的改装 便可应用此组合结构圆锯片。按照此要求，圆锯片的支撑功能部件结构设计必 须考虑到与锯机的联接问题。既要做到对圆锯片基体的固定，又要使锯机与圆 锯片的联接简单方便。 ( 1 ) 基于轴承理论的滚道支撑副设计 借助滚动轴承理论，将导向支撑副想象成滚动轴承的内外圈，通过合适的 滚动体将组合圆锯片内盘和切割外环联接起来，锯片内盘固定在锯片安装座 上。根掘组合结构圆锯片的总体设计思想，给圆锯片添加校正机构，实时调整 圆锯片基体。其工作原理图如图2 2 所示。 基于滚动轴承理论的支撑功能模块实现了对圆锯片切割外环的周边固定， 具有很好的稳定性，加上锯片实时校j 下系统，可以很好的控制锯片工作过程中 的振动、裙边现象。该支撑模块设计的关键在于内盘、切割外环滚道结构的设 计及其润滑问题。 图2 2 基于滚动轴承理论的支撑功能模块示意图 ( 2 ) 悬挂式支撑功能模块设计 由于在基体切割外环内部丌槽及切缝的限制，导致无法列整个基体进行支 撑。根掘组合结构圆锯片的设计思想，源于校正机构的灵感，在基体两侧对称 设计辅助轮对基体切割外环采用夹持固定。为使切割外环和辅助轮工作过程中 保持步调一致，且增强夹持固定的效果，在不影响锯片整体刚度的情况下，在 基体切割外环上开槽，并在辅助轮上设计凸槽，采用镶嵌式结构，使辅助轮和 切割外环联系在一起并按照一定的速度比例同步旋转。这样，辅助轮既起到夹 持固定基体的作用，又可以代替校正机构，对锯片起到调整的作用。其工作原 理如图2 3 所示。 由于悬挂式支撑设计只对锯片局部固定，因此与滚道支撑副相比稳定性 差。此结构设计的关键之处在于辅助轮结构的设计和便辅助轮与基体同步转动 的角度选择。 辅助蛇 支榘切割外耳 j ! i2 - 3 息挂式支撑功能模块示意图 2 1 2 驱动功能模块创新研究 普通金刚石圆锯片在锯切石材过程中做旋转运动，动力来自于圆锯片的轴心 且对圆锯片起固定支撑作用的法兰盘。由于夹持轴心的存在使得圆锯片的切割幅 面宽度难以超过半径。根据新型组合圆锯片的总体设计思想，在不增大圆锯片基 体的前提下使圆锯片的切割幅面超过其半径，因此必须将圆锯片的驱动力提供部 件及其相应的夹持部件整体上移，将旋转轴心空出，使圆锯片在切割材料的过程 中材料的幅面宽度能够超过锯片的旋转轴心，达到增大切割幅面的目的。 根据上述要求，法兰盘驱动部件法向不和旋转轴心重合，又与圆锯片轴心 方向保持一致，因此必须将整体式圆锯片改为组合式，以便输入驱动力。另外 一种方法是电磁驱动，但是这种驱动控制系统较为复杂，成本必将提高，与歼 发目的不符。借鉴其它机构的驱动传动原理，将摩擦驱动和链条驱动引入圆锯 片驱动功能模块的设计。 ( 1 ) 摩擦驱动根据摩擦学原理及圆锯片基体结构的限制，采用摩擦系数 大的材料设计两个摩擦驱动轮分置于基体切割外环( 基体己分开) 内侧，如图弋 2 - 4 所示，对称放置电动机提供的动力经过特殊的装置平稳的传导到摩擦驱动 轮，利用摩擦驱动轮与圆锯片基体摩擦作用实现对圆锯片基体的驱动。切割外 环的结构设计如图2 5 所示。 切割外环 摩绔驱动轮 i 璺l2 4 摩擦驱动原理| 玺| 摩擦驱动轮 切割外环 图2 - 5 摩撩驱动构什结构设计 7 摩擦驱动功能模块结构简单，根据摩擦学原理，动力传递功率低，且由于其 摩擦作用很容易引起驱动摩擦轮的破损。设计的关键在于摩擦材料的选择和摩擦 驱动轮与基体接触摩擦力的控制。 ( 2 ) 链条驱动将链传动引入驱动功能模块。此项设计属创新设计，设计 一个链驱动轮和两个链从动轮，并在切割外环的内部开齿，通过合适的链条将 链从动轮、链驱动轮和囫锯片基体联系起来，达到传递动力的目的。工作原理 如图2 - 6 所示。 图2 - 6 链驱动工作原理图 链驱动功率传递效率高，且不打滑，能够提供足够的动力。但同摩擦驱动 相比，链传动设计复杂，各个传动部件尺寸设计精度较高，因此链传动生产制 造成本相对较高。链传动设计的关键在于各个传动部件啮合参数的设计和选 择。 2 2 新型组合结构圆锯片创新设计实例 根据前面对新型组合结构圆锯片设计功能模块的剖析，综合考虑各个功能 模块结构对整个圆锯片系统整体性能的影响及其经济性。将支撑功能模块结构 设计、驱动功能模块结构设计以及切割功能模块结构进行组合，最终提出了两 种设计方案。 2 2 1 自校正组合结构圆锯片创新设计 自校正组合结构圆锯片驱动功能模块采用摩擦驱动，支撑功能模块采用基 于滚动轴承理论的滚道支撑副设计。整个驱动装置都在旋转轴以上，切割幅面 可到安装座的下边缘。经计算知，自校正组合结构圆锯片的切割幅面可达到锯 片基体的2 3 。这样，中1 8 0 0 m m 的圆锯片锯切石材的幅面宽度可达到1 2 0 0 m m ， 基本能够满足市场对大幅面板材的需求。其结构如图2 7 所示4 ”。 1 一金刚石刀头2 切割外环3 一锯片内体4 一滚动体 5 - - 锯片安装座6 - - 校正机构7 一驱动机构 图2 7 自校正组合结构圆锯片( 带金刚右刀头) 示意图 2 ，2 2 悬挂式组合结构圆锯片创新设计 悬挂式组合结构圆锯片结构如图2 - 8 所示。 1 一电机2 - - 导向支撑轮3 一驱动链条副4 一支捧链轮5 一主动轮6 一切割外环 图2 - 8 新型组合结构圆锯片示意图 驱动功能模块选用链条驱动，支撑功能模块选用悬挂式支撑结构，即采用辅 助轮夹持固定。该种结构由于在基体内部加工齿槽，所以无法在锯片的下部采取 措施对锯片进行固定。同自校正组合结构圆锯片一样，悬挂式组合结构圆锯片的 整个驱动系统整体上移，大大越过了圆锯片的旋转中心，考虑固定支架的尺寸 限制，悬挂式组合结构圆锯片的切割幅面接近锯片直径的2 3 ，可以满足市场 上对幅面宽度在中9 0 0 中1 2 0 0 m m 石材制品的n - r 需求。 2 2 3 两种设计方案的特点比较 ( 1 ) 在驱动方式方面，自校正组合结构圆锯片通过摩擦驱动方式传递动力， 基体的结构设计简单，但是摩擦传递功率的效率低、摩擦轮由于摩擦作用寿命短， 更为重要的是由于摩擦易打滑的缺点，往往造成系统的动力不足而使锯片破损； 而悬挂式组合结构圆锯片采用链条传递动力。链传动是由传动链条和主从动链轮 等组成的啮合传动。它的优点是能在低速下传递较大的功率，不打滑，传递的 效率高，可达9 8 9 9 ，传动比大，且维护方便。 ( 2 ) 在支撑方式方面，自校正组合结构圆锯片的支撑功能模块将滚动轴承的 设计理论引入圆锯片基体的设计，并设计了自校正系统，降低了基体工作过程中 的振动，提高了切割精度；悬挂式组合结构圆锯片采用辅助轮对锯片基体进行央 持固定，在一定程度上降低了锯片的振动程度