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从1885年法国人Jaeguin打造出世界上第一块手工镶嵌天然钻石的金刚石圆锯片开始,金刚石圆锯片以其对脆硬材料优良的切屑性能而广泛地应用在石材、建材、建筑、陶瓷、玻璃等相关行业,给人们的工作生活带来了极大的便利。与此同时金刚石圆锯片在其使用过程中也存在一些问题,产生许多麻烦和危害,例如在切割过程中产生巨大的噪音污染;金刚石颗粒由于胎体的包镶能力不够及磨损而造成脱落;使用中出现断齿和基体破裂造成工作不便和浪费等等。本文借鉴已有的研究成果,从金刚石圆锯片的基体研究出发,根据噪音产生的原理,从几个方面提出减少噪音的措施;对金刚石圆锯片在锯切过程中锯切力进行计算分析;针对金刚石圆锯片在切割过程出现的离心应力和热应力对锯片的破坏,提出对锯片进行适张处理的方法;利用ANSYS有限元分析软件,进行受力分析,根据分析结果,对锯片水槽参数优化,提出改进方案等。以上各项工作的主要内容是:
1.根据噪音产生的原理,对金刚石圆锯片在其工作过程中噪音来源进行分析。结合国内外的相关研究,弄清了其因气体流动产生噪音的原理--空气动力学噪音;在振动产生噪音方面,分别从动力源的噪音,气体与锯片共振,锯片与加工对象的冲击、摩擦产生噪音等做出了论述。然后根据分析,提出几种降噪处理措施。包括选择合理参数,对锯片基体采取切缝、钻孔的方法,和填充阻尼材料的三明治夹层锯片以及新型材料下锯片基体的开发等等。
2.阐述锯切力对金刚石圆锯片性能的影响程度,介绍影响锯切质量好坏的锯切参数、锯切系统的组成方式以及锯切工作方式。分析了锯切过程中锯片某一特定工作点的运动轨迹,在旋转速度和进给速度一定的情况下,确定了在时间t内的运动弧长。对其在工作过程的锯切力进行理论研究,得出锯切过程中锯片沿切割方向的切向力及沿半径方向的径向力的相关方程。同时得出假设锯片在某一恒定功率保持转速不变的条件下,锯片进给速率增大而锯切深度不变时,切线方向受力增加;锯切深度增大锯片进给速度不变时,径向受力增加。
3.首先我们在了解平衡微分方程、表示位移与应变关系的几何方程、表示应变与应力的物理方程的基础上,利用克希霍夫假设定理,得到在已知金刚石圆锯片旋转角速度的情况下的径向、切向应力矩阵方程。其次在经典弹性力学中的公式下计算了金刚石圆锯片的离心应力及热应力。最后根据离心应力及热应力对锯片的影响提出了削弱这种影响的措施,即在锯片工作之前对其进行适张预处理,包括对锯片基体辊压、锤击和激光轨迹处理,给予其预应力,用以提高其切削质量和使用寿命。
4.利用ANSYS有限元分析软件,对直径为350mm、齿数为24个的标准钥匙孔金刚石圆锯片进行有限元分析。然后根据其分析的应力与应变云图,提出了几种不同的水槽结构改进方案,用来改善锯切效果及锯片的使用寿命。比较得出水槽底孔半径r=4mm,槽宽B=2.5mm,圆弧终点在底孔圆3/4处,且圆弧与圆孔的过渡圆角半径为2mm式样的锯片能很好的改善锯片的变形问题,有利于改善锯片断齿或基体损坏等情况。
本文研究表明,从改善金刚石圆锯片基体结构出发,能达到合理的降噪,消除部分应力应变影响,减少锯片断齿和基体破裂情况等目的,对开发具有高质量高效率的环保新型锯片有一定的理论和实际指导意义。