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      1.4/2.0T型雙金屬帶鋸條齒形參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

      2022-10-13 12:16:40陳金濱柳艷李貴茂仲雨晴李海坤
      工具技術(shù) 2022年8期
      關(guān)鍵詞:后角雙金屬齒形

      陳金濱,柳艷,李貴茂,仲雨晴,李海坤

      1遼寧科技學(xué)院冶金工程學(xué)院;2遼寧科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

      1 引言

      雙金屬帶鋸條作為一種性能優(yōu)越的金屬切割刀具,在不銹鋼、鋁合金和軸承鋼等不同類型的金屬鋸切方面都表現(xiàn)出了其優(yōu)越性,滿足了不同用戶的需求[1]。近年來,國產(chǎn)雙金屬帶鋸條的技術(shù)水平得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,但與國外同產(chǎn)品相比仍然存在差距,各個帶鋸條企業(yè)也正著手不斷改進(jìn)帶鋸條的生產(chǎn)工藝,提高鋸切效率。

      在帶鋸條的生產(chǎn)工藝中,影響因素很多[2],經(jīng)過在本溪工具股份有限公司實際調(diào)研發(fā)現(xiàn),該企業(yè)生產(chǎn)的原1.4/2.0型雙金屬帶鋸條相比于國外一些產(chǎn)品具有使用壽命短和切面不平整現(xiàn)象[3]。本文主要從齒形設(shè)計著手,根據(jù)加工材料的特性、規(guī)格等,利用仿真模擬軟件優(yōu)化齒形參數(shù),設(shè)計出最優(yōu)的刀具前角、后角、齒槽和分齒量等重要參數(shù)組合,提高鋸切效率和切削表面質(zhì)量,延長使用壽命。

      2 鋸切過程數(shù)值模擬研究

      2.1 刀具前角對鋸切過程的影響

      根據(jù)對齒形相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和工廠設(shè)備所能保證產(chǎn)品質(zhì)量的最大角度、最小角度和加工精度,采用控制單一變量實驗法,確定5個刀具前角變量參數(shù)為8°,9°,10°,11°,12°,后角取30°。

      模擬參數(shù)設(shè)置為鋸切長度20mm,鋸切寬度1.6mm,切削速度60m/min,齒尖圓弧0.01mm,切削初始溫度為20℃,進(jìn)給量0.3mm,刀具材料M35,工件材料AISI-1020,模擬添加冷卻劑。通過軟件的遞交求解功能,得出刀具切完指定工件后的熱力場分布見圖1,整個切削過程的力學(xué)變化曲線見圖2。

      圖1 溫度場分布

      圖2 切削力分布曲線

      由圖1可知,鋸切過程中齒尖部位承受最高的溫度,當(dāng)溫度太高時,刀具前角易產(chǎn)生積屑瘤,影響已加工表面質(zhì)量,并且積屑瘤會增加前角受到的X方向切削力,造成帶鋸條的齒尖斷齒或通過齒尖將應(yīng)力傳遞到帶鋸條的背帶上,使帶鋸條在應(yīng)力集中的地方斷開,降低帶鋸條的壽命,因此應(yīng)該選取切削溫度低的齒形參數(shù)。

      由圖2可知,切削力曲線由0開始,隨著刀具與工件相對運動,工件開始發(fā)生彈性形變,當(dāng)?shù)毒呖朔ぜ那?qiáng)度后,工件發(fā)生塑性變形,此時應(yīng)力達(dá)到最大值,隨后便下降并趨于穩(wěn)定直至斷裂。為了減小切削阻力,應(yīng)該選擇受力較低的齒形參數(shù)。

      圖3為不同前角下的切削力和溫度曲線??芍?dāng)?shù)毒咔敖菫?2°時,齒尖X方向阻力最小,附加切削力相差不大;齒尖在Y方向的進(jìn)給阻力最小,附加進(jìn)給力差別不大,齒尖平均溫度最低。因此,通過模擬分析發(fā)現(xiàn),齒前角12°為優(yōu)化參數(shù)。

      圖3 前角變化對切削力和鋸切溫度的影響

      2.2 后角對鋸切過程的影響

      前角取12°,對后角進(jìn)行模擬分析,設(shè)后角分別為33°,33.5°,34°,34.5°,35°。其他試驗參數(shù)不變,圖4為模擬計算后的不同后角齒尖切削力和溫度的變化曲線??芍?,當(dāng)后角達(dá)到34°時,X方向和Y方向切削阻力最小,鋸切平均溫度為487.96℃,是五組內(nèi)的最低鋸切溫度。因此可以得出,在齒形的前角為12°、后角為34°時,齒尖的切削力最小,溫度相對較低,為最優(yōu)參數(shù)組合。

      圖4 后角變化對切削力和鋸切溫度的影響

      2.3 分齒高度對鋸切過程的影響

      前角取12°,后角取34°,設(shè)置分齒高度分別為3.2mm,3.4mm,3.6mm,3.8mm,4.0mm進(jìn)行三維模擬實驗,其中,分齒高度為3.4mm時,在X,Y,Z方向上的切削力較小(見圖5),因此,分齒高度3.4mm為優(yōu)化參數(shù)。

      圖5 分齒高度3.4mm對切削力的影響

      2.4 分齒量對鋸切過程的影響

      固定刀具前角12°、后角34°、分齒高度3.4mm。設(shè)置分齒量分別為0.52mm,0.54mm,0.56mm,0.58mm,0.60mm。其他參數(shù)設(shè)置相同,計算機(jī)模擬結(jié)果見圖6。在鋸切過程中,切削力和回彈力的加大,極易造成帶鋸條鋸切斷面質(zhì)量差、鋸路尺寸不精準(zhǔn)等加工誤差。從經(jīng)濟(jì)角度分析,分齒量越大,鋸路會越寬,鋸切產(chǎn)生的切屑和工件的浪費也就越多,所以一般在力學(xué)上表現(xiàn)好的齒尖設(shè)計,應(yīng)盡量選擇分齒量小的分齒,既能保證切削精度,也能延長帶鋸條壽命。

      圖6中,分齒量為0.52mm時,X,Y,Z方向的切削力均最低,并且鋸切溫度也相對較低,因此分齒量0.52mm為優(yōu)化參數(shù)。

      圖6 分齒量變化對切削力和鋸切溫度的影響

      2.5 不同分齒組合對鋸切過程的影響

      日常生產(chǎn)中有兩種分齒組合形式,一種是五變齒循環(huán)組合:中齒、左分齒、右分齒、左分齒、右分齒,第二種是七變齒循環(huán)組合:中齒、左分齒、右分齒、左分齒、右分齒、左分齒、右分齒[4]。五變齒的優(yōu)點是鋸切過程中鋸路精準(zhǔn),缺點是比七變齒鋸切效率略低;七變齒優(yōu)點在于鋸切效率高,鋸路更寬不容易發(fā)生夾鋸等問題,缺點在于有時鋸路不夠精準(zhǔn),鋸路過寬影響工件尺寸和浪費工件材料。為探究哪種變分齒組合更適合新齒形,設(shè)定刀具前角為12°,后角為34°,分齒高度為3.4mm,分齒量為0.52mm,變量為五變齒組成的三十五齒和七變齒組成的三十五齒兩組試驗。試驗結(jié)果見圖7和圖8。

      圖7 五變齒對切削力的影響

      圖8 七變齒對切削力的影響

      由圖可見,在仿真鋸切過程中五變齒在X方向的切削力較七變齒大了將近600N,這是因為中齒比分齒承受了更多切削阻力,中齒越多,切削力越大,而Y方向切削力差距不大。在Z方向上兩組試驗的切削力約差200N,這是因為每七組齒比五組齒多了兩個分齒,分齒越多承受的回彈力越大,但是分齒越多鋸切過程的排屑也更流暢,而排屑是鋸切過程中降低鋸切熱的主要方式,所以七變齒組比五變齒組的平均鋸切溫度更低。所以在新齒形中,七變齒雙金屬帶鋸條具有更好的鋸切性能。

      3 鋸切過程試驗研究

      按照優(yōu)化的齒形參數(shù),利用激光切割設(shè)備生產(chǎn)加工帶鋸條并進(jìn)行實際鋸切實驗,主要與原1.4/2.0型雙金屬帶鋸條相比較,以檢驗新型帶鋸條的使用壽命、切面質(zhì)量及切削形貌。

      3.1 切削效率研究

      帶鋸條的主要作用是鋸切工件或者坯料。所以,同樣材質(zhì)的帶鋸條鋸切次數(shù)越多或者使用時間越長,切削壽命越長[5]。試驗分4組進(jìn)行,采用新齒形帶鋸條和原帶鋸條分別對軟材和硬材進(jìn)行切割,結(jié)果見表1。

      表1 不同齒形的帶鋸條鋸切結(jié)果

      如表1所示,同樣規(guī)格和材料的不同齒形雙金屬帶鋸條在鋸切硬測試棒料時,新齒形帶鋸條鋸切了30鋸,比原齒形帶鋸條多鋸了10鋸,鋸切數(shù)量提升了50%,鋸切效率提升了10.8鋸/h。新齒形鋸切軟棒料的能力更是比原齒形多30鋸,鋸切數(shù)量提升了60%,平均鋸切效率大約提升了19.2鋸/h。從試驗數(shù)據(jù)可以得出,新齒形較原齒形在鋸切效率方面有較大的提升。

      3.2 切面質(zhì)量研究

      雙金屬帶鋸條主要用于棒料或型材的切斷工作,對于切面的質(zhì)量要求較高,切面要求無偏鋸現(xiàn)象發(fā)生,而偏鋸現(xiàn)象的發(fā)生主要由分齒量和分齒高度的共同作用[6]。為對比新型齒形帶鋸條的分齒量和分齒高度等參數(shù)的合理性,各取一條帶鋸條進(jìn)行實體對比試驗。試驗中的各項設(shè)置參數(shù)、機(jī)械設(shè)備和測試棒料材料均相同,試驗結(jié)果見圖9。

      (a)原齒形帶鋸條鋸切第一刀

      (b)原齒形帶鋸條鋸切最后一刀

      (c)新齒形帶鋸條鋸切第一刀

      (d)新齒形帶鋸條鋸切最后一刀

      如圖所示,兩種帶鋸條鋸切第一刀后的試樣切面均很平整規(guī)則、鋸路均勻且清晰,差異不大,但新齒形和原齒形帶鋸條在失效前鋸切最后一刀的切面差異很大。圖9b是原齒形帶鋸條最后一刀的切面,在切面的1/4處和2/5處都出現(xiàn)了較大距離的鋸路且在2/5處開始切面分層,切面質(zhì)量很差,會對工件的進(jìn)一步加工造成困難。圖9d中新齒形帶鋸條最后一刀的切面平整光滑,未出現(xiàn)原齒形帶鋸條鋸切最后切面的分層問題,保證了加工精度,便于其他工位的再加工。

      3.3 切屑形貌研究

      切屑的排出取決于不同分齒量所形成切屑的形狀和長短,所以為了檢驗新齒形帶鋸條的排屑能力,將新齒形帶鋸條與原齒形帶鋸條切屑進(jìn)行對比。實驗中,除帶鋸條齒形不同外,其他條件均相同。

      圖10a為原齒形帶鋸條在開始鋸切時產(chǎn)生的切屑,形狀呈螺旋狀,長度適中,顏色明亮,在鋸切過程中散熱較好。圖10b為原齒形帶鋸條在失效前鋸切時產(chǎn)生的切屑,形狀呈極不規(guī)則的崩碎狀,顏色發(fā)黑,鋸切過程溫度較高,排屑效果差,且呈崩碎狀,切屑體積小,極易脫離齒槽進(jìn)入帶鋸條與工件切面的空隙中,對切面造成劃傷,降低切面的質(zhì)量。圖10c是新齒形帶鋸條在開始鋸切時產(chǎn)生的切屑,切屑形狀規(guī)則,呈螺旋帶狀,顏色亮白,有利于鋸切散熱。圖10d是新齒形帶鋸條在失效前產(chǎn)生的切屑,形狀呈現(xiàn)卷狀,顏色發(fā)暗。長度較第一鋸時減小,但仍呈卷狀隨帶鋸條的齒槽排出,能夠起到很好的散熱作用,切屑順利排出也降低了切屑劃傷切面的概率,提高了切面質(zhì)量。

      (a)原齒形第一鋸切屑

      (b)原齒形最后一鋸切屑

      (c)新齒形第一鋸切屑

      (d)新齒形最后一鋸切屑

      4 結(jié)語

      通過使用有限元仿真模擬軟件對雙金屬帶鋸條的齒形參數(shù)進(jìn)行模擬研究和實際鋸切對比試驗相結(jié)合的方法,探究一種新的用于鋸切模具鋼的新齒形雙金屬帶鋸條,本文研究主要內(nèi)容總結(jié)如下:

      (1)通過鋸切模擬對切削力和溫度的影響分析,得出當(dāng)?shù)毒咔敖菫?2°、后角為34°時,分齒高度為3.4mm,分齒量為0.52mm,雙金屬帶鋸條在鋸切時齒尖各個方向的切削力明顯低于其他齒形,從而有利于提高鋸齒的鋸切效率和切削性能。

      (2)通過在鋸切模擬實驗中分齒數(shù)組合對鋸齒切削力和溫度的影響分析,得出當(dāng)分齒組合為7時,新齒形雙金屬帶鋸條在鋸切時切削力增大,出現(xiàn)附加進(jìn)給力,導(dǎo)致鋸切效率提高,切削性能較好。

      (3)新齒形比原齒形帶鋸條鋸切數(shù)量提升了50%,鋸切速度提升了10.8鋸/h,切面質(zhì)量也大幅提高。用于鋸切模具鋼的新型雙金屬帶鋸條最優(yōu)齒形參數(shù)組合是刀具前角為12°、后角為34°、分齒高度為3.4mm、分齒量為0.52mm、分齒排列組合為七變齒,此時鋸條磨損最低,使用壽命較長,鋸切速率提高,鋸切性能較好。

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