圓鋸片基體輥壓適張殘余應力試驗與仿真研究

徐曉東 周琪 王玉奇 鞠軍偉 白碩瑋

摘要：

為了指導制鋸企業開展輥壓適張工藝優化，研究輥壓適張后圓鋸片基體的殘余應力分布狀態。利用有限元仿真分析圓鋸片基體輥壓適張后殘余應力分布，并應用X射線衍射法檢測殘余應力，對比輥壓適張殘余應力檢測試驗結果和有限元仿真結果，得出輥壓后圓鋸片基體殘余應力的分布特性。研究結果表明，輥壓后圓鋸片基體徑向殘余應力沿半徑方向呈“低－高－低”的分布趨勢，切向殘余應力沿半徑方向呈“外正內負”的分布規律，輥壓適張仿真模型能夠反映輥壓帶內外兩側真實的應力分布狀況。

關鍵詞：

圓鋸片；輥壓適張；應力分布；有限元分析

中圖分類號：TH164

文獻標志碼：A

作為一種高效的切割工具，圓鋸片在石材、木材、金屬切割等行業廣泛應用［1］。隨著綠色制造概念的逐漸成熟和推廣，減小鋸縫寬度，縮小圓鋸片厚度成為主要發展趨勢，這對圓鋸片的穩定性提出了更高的要求［2］。為了提高圓鋸片的穩定性，鋸片生產企業廣泛采用圓鋸片適張處理，目前圓鋸片的適張方法有捶擊法、輥壓法、熱適張法、漲孔法等［3］。輥壓法作為一種高效的、易于控制的適張處理方法，被國內外廣泛使用。通過輥壓適張工藝改善圓鋸片基體殘余應力的分布狀態，提高鋸片工作過程的穩定性［4］，是制鋸行業綠色制造研究領域的關鍵技術之一。但目前各企業制定輥壓工藝時并沒有統一的標準和原則，完全依靠相關技術人員的經驗，導致生產的圓鋸片基體質量一致性差，研究表明適張處理應在鋸片中引入與熱應力相互抵消的切向和徑向應力［5］。且針對一定規格的壓輥和圓盤，有經驗公式揭示了輥壓適張時輥壓區的膨脹、壓輥載荷和鋸片結構尺寸之間的關系，能夠計算得出鋸片內的適張應力［6］。以上研究提供了輥壓適張應力分布的理論支持。以此為基礎，應用彈性力學中接觸理論相關知識，使用計算機仿真軟件可以建立輥壓適張后應力狀態的徑向分析模型［7］。通過仿真模型可以分析輥壓適張后圓鋸片的殘余應力分布，根據較好的應力分布確定最佳輥壓參數［8］。為了更準確的實現輥壓適張應力的仿真，本文使用ABAQUS有限元仿真軟件研究了圓鋸片基體輥壓適張殘余應力仿真模型的構建方法，通過實例分析輥壓適張產生的應力分布規律；然后使用X射線衍射法對輥壓前后的圓鋸片基體進行殘余應力檢測，并將試驗結果和仿真結果進行對比，驗證了仿真模型的正確性。

1 圓鋸片基體輥壓適張殘余應力仿真分析

1.1 仿真模型的建立

圓鋸片基體包含鋸齒、水槽等，材質為65Mn，厚度2.4 mm（圖1）。圓鋸片基體在輥壓過程中產生彈性變形和塑性變形，應力與應變之間的關系呈非線性［9］。為了保證仿真模型的準確性，圓鋸片基體材料的建模過程涉及的彈性模量、泊松比、剪切模量等材料屬性均由測試試驗［10］獲取，材料試驗機為MTS（美國MTS公司，Landmark100），應力－應變曲線圖如圖2所示。

輥壓適張仿真模型由圓鋸片基體與輥壓輪組成，輥壓輪材料Gr12MoV。輥壓過程中，鋸片基體受輥壓產生的應力值達到屈服極限而發生一定塑性變形［11］；輥壓輪的硬度與剛度遠大于圓鋸片基體，發生的微量彈性變形忽略不計。因此，基于ABAQUS有限元仿真建模時，圓鋸片基體65Mn定義為材料非線性，輥壓輪定義為剛體［12］。試驗測得圓鋸片材料的彈性模量210 GPa，泊松比為0.3，屈服強度1 100 MPa，剪切模量76.9 GPa。

輥壓輪與圓鋸片設定為“面－面”接觸，單元類型設置為C3D8R［13］，采用顯式動力學［14］求解。模型定義的單元類型為八結點六面體線性減縮積分單元，此單元類型在網格扭曲變形時，對求解精度影響較小，能夠減小輥壓帶處網格變形帶來的影響。有限元模型如圖3所示，設定鋸片模型的邊界條件為中心約束，對輥壓輪創建壓向圓鋸片基體50 MPa的載荷，輥壓位置位于圓鋸片0.7R處，輥壓的時長設置為2 s。

1.2 仿真結果分析

對仿真結果進行處理，得到輥壓后圓鋸片基體的切向及徑向殘余應力分布云圖［15］（圖4）。沿半徑方向提取A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K點應力的分布曲線，F點為輥壓半徑位置，其余點分別均布于輥壓帶的內外兩側（圖5）。結合應力分布云圖和曲線可以看出，徑向殘余應力在輥壓帶內側為負值，即壓應力，且越靠近輥壓帶數值越大，在輥壓帶外側由負值變為正值，且越靠近輥壓帶數值越大，沿半徑方向呈現“低－高－低”的分布趨勢；切向和徑向殘余應力在輥壓帶位置均達到最大，切向殘余應力在輥壓帶內側為負值（壓應力），在輥壓帶外側為正值（拉應力），呈現“外正內負”的分布規律，且內外兩側切向殘余應力值的大小在±10 Mpa之內。

2 圓鋸片基體輥壓適張殘余應力檢測試驗與結果分析

2.1 檢測試驗

圓鋸片基體殘余應力檢測位置標定見圖6，F為輥壓半徑位置，A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K點檢測點位置與提取點一致。試驗采用KWH-SP1000型輥壓應力調校機對圓鋸片基體進行輥壓適張處理［16］，輥壓載荷為50 MPa，輥壓位置位于圓鋸片基體的0.7R處。

檢測輥壓前后各點殘余應力時，使用儀器為Proto iXRD Combo型X射線衍射儀，檢測方法為側傾法［17］，輥壓前后各點的切向及徑向殘余應力值見表1。

2.2 結果分析

由各檢測點殘余應力可得圓鋸片基體輥壓前后徑向及切向應力的分布趨勢。圖7（a）為輥壓前后徑向殘余應力及其凈增量沿半徑方向變化趨勢，輥壓產生的徑向應力變化量為負值，即壓應力，最大值出現在輥壓帶F點處，向輥壓帶兩側逐漸減小，沿半徑方向呈現“低－高－低”的分布趨勢，這與仿真所得的徑向殘余應力“低－高－低”的分布規律一致。對比輥壓前后徑向應力分布，輥壓前徑向方向同時存在正應力和負應力，輥壓后均為負應力。同時可以觀測到輥壓后圓鋸片沿半徑方向的應力差明顯減小，徑向應力分布均勻性有所改善。

圖7（b）所示為檢測點輥壓前后切向殘余應力及其凈增量沿半徑方向變化趨勢。輥壓產生的切向應力沿半徑方向呈現出“外正內負”的分布趨勢，這與仿真所得的切向殘余應力“外正內負”的分布規律一致。F點處輥壓產生的切向應力為負值（壓應力），并隨著鋸片半徑的增大逐漸由負值（壓應力）轉變為正值（拉應力），且越靠近鋸片邊緣，產生的拉應力越大。而輥壓帶內側產生的壓應力隨著半徑的減小呈現“先減小后增大”的現象，且越靠近圓心壓應力越大。

輥壓帶處的試驗結果與仿真結果有所差異：徑向應力的仿真值為正，而試驗值為負；切向應力試驗值遠小于仿真值。差異產生的原因是輥壓帶位置發生了塑性變形，材料晶粒伸長或破碎，晶格應變對sin2ψ呈現非線性關系。只有通過特定測試方法或數據處理，才能得到輥壓帶處真實的殘余應力值［18］。實際在分析圓鋸片適張程度時，主要考察是輥壓帶內外兩側的應力分布情況，因此輥壓帶內部殘余應力分布可不做深入分析。

在輥壓帶內外兩側，輥壓適張測試結果與仿真測試結果相一致，而在輥壓帶內部，測試結果與仿真結果存在差異；仿真模型可以反映輥壓帶內外兩側真實的應力分布狀況和輥壓帶內部的應力分布趨勢，可以為企業開展輥壓工藝優化提供借鑒。

3 結論

本文運用輥壓適張殘余應力仿真分析與試驗分析兩種方法分析了小規格圓鋸片基體輥壓適張殘余應力分布特性。輥壓適張產生的徑向殘余應力沿半徑方向呈“低－高－低”的分布趨勢，且輥壓后圓鋸片徑向殘余應力分布均勻性改善，應力差最大值減小。輥壓適張產生的切向殘余應力沿半徑方向呈“外正內負”的分布規律，且輥壓帶內外側切向殘余應力值大小在±10 Mpa之內，該應力分布特性能夠提高圓鋸片鋸切時的穩定性。在輥壓帶內外兩側，輥壓適張試驗測試結果與仿真結果相一致，表明仿真模型能夠反映輥壓帶內外兩側真實的應力分布狀況和輥壓帶內部的應力分布趨勢。本次研究只考慮單一輥壓參數下殘余應力的分布，并沒有考慮在不同輥壓適張參數下殘余應力的分布規律，后續研究應將加入輥壓位置等因素，建立更完善的仿真計算模型。

參考文獻

［1］王明智. 金剛石工具制造技術的發展與熱點問題［J］. 超硬材料工程， 2012， 24（1）： 48-53.

［2］王柯， 楊曉占， 馮序. 國內金剛石圓鋸片近期發展現狀與展望［J］. 超硬材料工程， 2014， 26（5）： 33-35.

［3］柯建軍， 張明松， 朱普先， 等. 輥壓方式對圓鋸片穩定性的影響［J］. 三峽大學學報（自然科學版）， 2014（1）： 78-82.

［4］耿德旭， 王向東， 胡波， 等. 適張度的輥壓加工及對圓鋸片的動態性能影響［J］. 東北電力大學學報， 2003， 23（2）： 53-56.

［5］李黎， 習寶田， 楊永福. 圓鋸片上熱應力及回轉應力的分析［J］. 北京林業大學學報， 2002（3）： 14-17.

［6］PAHLITYSCH G， ROWINSKI B. ber das Schwingungsverhalten von Kreissttern—Zweite Mitteilung： Bestimmung und auswirkungen der geometrischen form und des vorspannungszusandes der ssgebltter［J］. Holz Roh-Werkstoff， 1966， 24（4）： 341-346.

［7］邊柯柯， 趙東， 胡詩宇. 圓鋸片輥壓適張后應力分布的有限元分析［J］. 力學與實踐， 2005， 27（6）： 61-72.

［8］張明松， 王勇 ， 李鵬. 圓鋸片切線輥壓適張處理的殘余應力分析以及輥壓參數優化［J］. 三峽大學學報（自然科學版）， 2017， 39（1）： 93-97.

［9］李仁德， 趙磊， 胡歡. 碾壓適張工藝對圓鋸片剛度的影響分析［J］. 石材， 2014（2）： 22-24.

［10］ 單桂芳， 楊偉， 馮建民， 等. 材料泊松比測試方法的研究進展［J］. 材料導報， 2006， 20（3）： 15-20.

［11］ SZYMANI R， MOTE C D. Theoretical and experimental analysis of circular saw tensioning［J］. Wood Science & Technology， 1979， 13（3）： 211-237.

［12］ 許新培. 硬質合金圓鋸片輥壓適張的振動特性及有限元研究［D］. 廣州：廣東工業大學， 2012： 48-50.

［13］ 沈宇峰， 何幸保， 唐軍. 基于ABAQUS鋸片銑刀的模態分析及優化［J］. 工具技術， 2019， 53（9）： 74-77.

［14］ 李博， 張占寬， 李偉光， 等. 圓鋸片多點加壓適張工藝壓點分布對適張效果的影響［J］. 木材加工機械， 2015， 26（4）： 19-23.

［15］ 武松靈， 臧勇. 非均勻熱處理對圓鋸片輥壓適張殘余應力的影響研究［J］. 熱加工工藝， 2017， 46（6）： 217-220，225.

［16］ 陳曉濤， 張進生， 黃波， 等. 金剛石圓鋸片基體輥壓預應力處理工藝參數試驗研究［J］. 山東大學學報（工學版）， 2019， 49（3）： 141-145.

［17］ 張占寬， 習寶田， 安靜賢. 用X射線測定圓鋸片表面初始殘余應力［J］. 北京林業大學學報， 2003， 25（1）： 78-81.

［18］ 張定銓， 何家文. 材料中殘余應力的X射線衍射分析和作用［M］. 西安：西安交通大學出版社， 1999.

Experiment and Simulation? Research of Residual Stress

in Circular Saw Blade Matrix under Roll Tensioning

XU? Xiao-dong1， ZHOU Qi1， WANG Yu-qi1， JU Jun-wei2， BAI Shuo-wei1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

2. Hein （Shandong） Superhard Tools MFG. Co.， LTD.， Rizhao 262306， China）

Abstract：

The residual stress distribution of the body of circular sawblade after rolling tension was studied in order to guide the optimization of the process of rolling tension. The residual stress distribution of a circular sawblade was calculated by the finite element analysis （FEA） method and it was also measured by the X-ray diffraction. The characteristics of the residual stress distribution the circular sawblade were summerized by comparing the experimental results and the FEA results. The results show that the radial residual stress of the body of circular sawblade after rolling tension presents a distribution trend of “low-high-low” along the radius direction; meanwhile， the tangential residual stress presents the distribution law of “positive outside and negative inside” along the radius direction. The simulation model obtained in this paper can reflect the real stress distribution conditions on both sides of the rolled-zone.

Keywords： circular saw blade; roll tensioning; residual stress distribution; finite element

收稿日期：2023-05-25

基金項目：

國家自然科學基金青年基金（批準號：70701109）資助；山東省自然科學基金青年項目（批準號：ZR2020QE016）。

通信作者：

白碩瑋，男，博士，副教授，主要研究方向為綠色設計與制造、清潔生產理論與技術。E-mail：baishuowei1@163.com