金刚石框架锯锯切研究1锯切加工运动学分析王成勇.docx
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金刚石框架锯锯切研究1锯切加工运动学分析王成勇
金刚石框架锯锯切研究-1-锯切加工运动学分析-王成勇
国家自然科学基金、国家留学基金委员会、教育部留学回国人员启动基金资助(59675062
金刚石框架锯锯切研究(1锯切加工运动学分析
*
510090(广州广东工业大学机电工程学院王成勇樊晶明魏昕
摘要金刚石水平式框架锯锯切是在大面积大理石板材加工中占主导地位的加工工艺。
在金刚石框架锯锯切中的加工运动学锯切破碎过程、锯切力、锯切结块磨损、锯条张紧力调整、锯切可加工性评定等问题,均是实现高效率低成本地加工出高质量石材大板的关键。
本文首先阐述了金刚石框架锯锯切过程中的运动学问题,提出了单颗粒金刚石在锯切加工过程中同石材接触的运动模型,以及结块和锯条平均切削厚度的概念;分析了金刚石结块同石材侧表面的接触面积和金刚石结块顶面同石材接触面积的变化特征,为研究锯切过程中的各种现象打下了理论基础。
主题词金刚石框架锯锯切加工
中图分类号:
TH33
ABSTRACTTheframesawingmovementconsistsofhorizontalcuttingandverticalfeed.Theequationstodescribethisprocessaregiven.Themodelsofcuttingdepthandcuttingmovementtraceofsinglediamondgrit,singlesegmentandtotalbladearepresented.Thecontactareabetweensegmentandstoneisanalyzed.Somefactorsthataffectthecontactareaarealsodiscussed.
KEYWORDSdiamond,framesawblade,cutting1前言
在天然石板材加工中,技术的进步带来的变革是巨大的。
例如在大理石的加工中,广泛采用金刚石锯条在框架锯上将大理石荒料锯切成板材,加钢砂的框架锯锯切目前仅用于硬质花岗岩的大板加工中。
金刚石框架锯有两种不同的概念:
垂直框架
切石材均无关。
在切削一块石料时,与锯条反向点有关的石材在切削方向上的尺寸,以及所处位置是很重要的。
它们和锯条尺寸一起,决定了在反向运动点处,露在石材外面的结块数和露出程度(图1,2。
(2往复次数:
连杆每分钟往复次数即飞轮每分钟转数nk(rPm。
(3t(s:
自切削开始经历的时间。
(4切削速度:
Vc(mPs。
(5进给速度(落刀速度:
Vf(mmPmin;
(6进给量f:
f=Vf(进给速度P连杆速度。
(7切削方向的石材长度:
lst(mm。
(8结块长度l2(mm(图1。
(9锯条移动距离lc(零点在锯框处于左侧死点B处(图2。
(10结块间距ln-1.n(mm;自锯条左侧计算第n-1个与第n个结块中线距离;为了适应锯条振荡,保持磨削均匀,ln-1.n是变化的(图1。
(11总结块长度:
起始结块与最终结块中线间距。
因为总结块长度通常大于石材尺寸。
露出来的结块称为边缘结块。
图2金刚石框架锯锯切飞轮和连杆运动
[3]
2.2
框架锯锯切运动方程
图5金刚石框架锯锯切中单颗粒金刚石运动轨迹与切削深度
[4]
框架锯切切削运动是一个曲柄连杆运动,锯条运动加速度和速度均是主正弦波振荡变化的,即切削速度在整个冲程过程中是变化的(图3。
锯条移动距离lc、切削速度Vc和锯条加速度ac可以用下列公式描述。
图3框架锯锯切运动曲线[4]
lc(t=lh
2(1-cos2Pnkt(1vc(t=Pnklhsin2Pnkt(2ac(t=2lhP2
nk2
cos2Pnkt
(3
上式中,t(s是从起始切削点开始的切削时间。
3金刚石框架锯锯切中的切削运动
x=lc=lh
2
(cos2Pnkt
(4
y=
Vf
60
t(5公式(1至公式(4是进一步分析金刚石框架锯锯切中各种现象的运动学基础。
锯条、锯条上的金刚石结块和金刚石颗粒的实际运动轨迹应是锯切进给运动Vf和切削运动Vc的合成运动。
设进程切削方向为X轴,向下进给切削为-Y轴方向,合成运动方程可由式(4、(5表示,在lh=500,nk=90min-1
时计算出的双冲程锯条运动轨迹如图4所示。
3.1金刚石结块上单颗粒金刚石的切削运动
金刚石结块上布满了呈不同出刃高度的金刚石颗粒。
这些金刚石颗粒的运动轨迹同样可用式(4、(5来表示。
式(1~(5给出了金刚石结块上各个单颗粒金刚石在锯切加工过程中的下列基本特征:
图4整个切削冲程中锯片运动轨迹
[4]
(1单颗粒金刚石在与石材起始接触和冲程(切
削方向改变时将承受冲击载荷的作用,在图4所示例中,金刚石将在33ms内切入2~6Lm。
(2各个金刚石结块上的有效切削刃数,以及其切
削深度将取决于金刚石结块在切削开始和结束时相对于石材表面的位置。
(3单颗粒金刚石的切削深度与Vf成正比,与nk
和lh成反比,单颗粒金刚石的最大切削深度将取决于该金刚石切削始点与单冲程终点相对于石材切削方向
两端的位置。
图5给出了三种典型的金刚石颗粒切削状态。
(1在切削t秒后,结块NO.5上金刚石磨粒NO.1由石材外b1点开始切削,起点a1处以ap1ini的切削深度与石材表面接触;随后持续进给,并在达到c1点前受到一个冲击加载切削至最大切深ap1max。
金刚石磨
粒NO.2的情况与NO.1的相似,这种情况下,金刚石结块NO.5上的金刚石磨粒均以一个初始切削深度切入石材,并在石材内部达到最大切深;在回程切削时,将再次承受一个冲击切入载荷。
图5中金刚石结块NO.19中的磨粒NO.4在a4
点与石材表面接触,因为其最先与石材表面接触,所以被定义为切削起始点。
在进程切削和回程切削中,它将承受两次切入冲击载荷。
它同NO.3磨粒均在石材长度之内切削,因此一直与石材存在接触,可以认为其切削形式为压入切削的循环。
对结块NO.30上的磨粒NO.5、NO.6而言,其起始切削接触状态也是压入切削,但随后其运动到石材长度之外,并在回程切削时转变为上述第(1种切削状态。
金刚石颗粒的瞬间位置可由式(4、(5求得,单颗粒金刚石实际切削深度还与金刚石颗粒突出结块的出刃高度有关。
在Vf=10mmPmin,nk=90min-1
这一常见加工条件下,单颗粒金刚石最大理论切削深度(apmax=vfP2nk为58Lm。
3.2金刚石锯条上单个金刚石结块的切削运动3.2.1单冲程中每个结块的侧面切削面积和单位冲程长度上的结块平均切削深度
由图4、图5及公式(1~(5可以画出金刚石锯切结块侧面图如图6(a所示。
显然,因不同结块的切削运动距离与其相对于石材的位置有关,其侧面切削面积形状也是不同的,各结块的侧面切削面积Ac,i(i为结块号可通过简单编程计算求得。
单冲程单结块切削表面积是在平行于切削平面方向观察到的单个结块在单冲程中的整个切削面积,将它乘以切削(结块宽度,即为单冲程单结块的切削体积,它是加工性能的一个度量。
它可向我们提供单冲程单结块所承受的变化情况。
根据切削面积等效原理,我们可以由图6(b求得单个结块单位冲程长度上的平均切削深度af,这个参数将被用来评价单个结块的承载情况。
单个结块:
af=
Ac,i
l
(6
3.2.2单个金刚石结块与石材表面的接触面积
每个结块顶面和整个锯条结块顶面与工件的接触面积,对分析单个结块承载是十分有用的。
切削时部分结块未完全切入,其量相对较少,借助于计算机编程是可以精确计算这些值的。
平均结块顶接触面积将在分析计算金刚石分布荷载和比能时用到。
如图7所示在切削过程中,锯条和结块与石材表
面的接触面积是变化的,在lhP2处达到最大值。
结块
图6金刚石框架锯锯切结块侧面切削面积与单位冲程长度上的平均切削深度
[3]
图7
间距的分布、石材荒料的长度和冲程长度将影响其随时间的变化曲线。
图7的其他计算条件为:
锯条尺寸为l1=3950mm,l4=2990mm,l5=747.5mm,结块数30,金刚石结块间距等距分布间距BE1:
84.66mm;不等距分布间距BUE2:
120-60-115-60-115-60-110-60-110-60-95-55-75-55-95-60-110-60-110-60-115-60-115-60-120;石材长度lst=2300。
如3.1的分析结果所示,处于锯条两侧的金
刚石结块(例如图7中结块NO.28,NO.16均不能在整个切削冲程中处于切削状态。
因为这些结块的受力、磨损等对整个加工成本和加工质量、张力调整和金刚石结块间距分布优化均很重要。
这些结块将在后续研究中被当作典型结块。
3.3金刚石锯条的切削运动
3.3.2单位冲程长度上的整个锯条平均锯切切削深度观察整个锯条,可以很简化地计算整个锯条的切削侧面积和af如式(7、(8所示。
在此我们假定所有结块切削状态相同。
整个锯条结块切削侧面积Ac,tot为:
Ac,tot=
En
i=1
A
c,i
=lst#f2(7
单位冲程长度上的整个锯条平均锯切切削深度:
af=Ac,totln#nk=
lst#f2#lh#nk
(8
图8冲程长度、石材荒料尺寸和结块间距对
锯条与石材表面接触面积的影响
3.3.3金刚石锯条顶部与石材表面的接触面积
如前所述,锯条和结块与石材表面的接触面积是变化的,整个锯条的变形和切削能耗、刀具磨损是由作用在各个金刚石结块(金刚石颗粒上的切削力引起的,因此结块间距分布的优化是十分重要的。
在优化结块间距分布时,必须同时考虑到冲程长度lh和结块长度lst。
采用与图7基本相同的计算条件,得到冲程长度、石材荒料尺寸和结块间距对锯条与石材表面接触面积的影响如图8、图9所示,可见锯条与石材表面接触面积受lh和lst的影响很大。
lh通常是由机器确定的,不易改变,因此lst与结块间距的优化更为重要。
锯条与石材表面的接触面积越大,切削过程越平稳,锯条上各个结块的磨损越均匀。
图8、图9表明,采用不等距形式的结块分布,有利于提高接触面积。
锯条和结块与石材表面的接触面积曲线对于分析不同结块间
距对加工过程的影响是重要的。
图9冲程长度、石材尺寸和结块间距分布对
平均锯条与石材接触面积的影响
4结论
1框架锯切切削速度在整个冲程过程中是变化的。
金刚石结块上单颗粒金刚石在与石材起始接触和冲程(切削方向改变时将承受冲击载荷的作用。
2单颗粒金刚石的切削深度与进给速度成正比,与连杆往复次数和冲程长度成反比。
单颗粒金刚石的最大切削深度还取决于该金刚石切削始点与单冲程终点相对于石材切削方向两端的位置和出刃高度。
3由单冲程单结块切削表面积,可求得单个结块单位冲程长度上的平均切削深度,来评价单个结块的承载情况。
4在优化结块间距分布时,必须考虑到锯条和结块与石材表面的接触面积、冲程长度和结块长度。
采用不等距形式的结块分布,有利于提高接触面积。
参
考
文
献
1Loens,H.H.,GrundlagenuntersuchungenzumGattersaeenmitDiamant-Werkzugen.Dissertation,TUHannover,1970
2Gerlac
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