金属锯机锯片齿形参数的设计分析

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2002.01.049 第24卷第1期 北京。科技大学学报 Vol.24 No.1 2002年2月 Journal of University of Science and Techaology Beijing Feb.2002 金属锯机锯片齿形参数的设计分析 李同进”减勇”陶登奎)冯伟”章博” 1)北京科技大学机械「程学院，北京1000832)莱芜钢铁股份有限公司中型型钢，莱芜271104 捕要针对金属；机锯片磨损速度过快，使用寿命较短等主要失效形式，研究分析了齿形 参数对锯切力和锯齿应力及其分布的影响规律.在此基础上，以较小的锯切力和锯齿应力水 平、合理的锯齿应力分布为目标，给出了合理的齿形参数 关输词锯片；齿形设计：锯切力：应力 分类号TG333.22:TG501.3 锯机作一般是在线生产，锯片的工作状 度等一定，轧件与锯齿的相迎角、锯切总厚度等 态直接影响了整个生产线的生产率和产品质 变化不大的情况下，影响轧件变形功的主要是 量.由于轧机生产能力的不断提高和对轧件质 锯齿前角. 量要求日趋严格，因此对锯机无论是生产能力， 锯切齿数在实用范围内对锯切变形功率没 还是锯切质量上都提出了更高的要求，本文针 有太大影响，从而对总锯切力的影响也不大.当 对热锯机锯片磨损较快，使用寿命过短等主要 然，在实际锯切时由于存在圆角效应，齿数影响 失效形式，分析研究了齿形参数对锯切力和锯 要比理论上更大一些，但也不会发生本质上的 齿应力及其分布的影响规律，最后优化出了比 变化. 较理想的齿形参数 在相迎角为确定值时，单齿锯切力是随着 锯片齿数的增加而减小的，而随齿前角的增大 1 齿形参数对锯切力的彩响 迅速诚小.同样齿前角对单齿锯切力的影响程 锯齿齿形参数包括齿前角、齿顶角、齿数（或 度比齿数的影响更显著， 齿距)等，齿形参数，尤其是锯齿前后角，由于会 2齿形参数对齿尖应力的影响 直接影响切屑的流动过程，对锯切力及齿尖应 力有较大影响.较大的锯切力及不合理的应力 为了研究锯切轧件时齿形参数对齿尖应力 分们将会影响锯片使用寿命和轧件切口质量. 的影响，分析计算出不同齿形参数时的锯切力， 有关文献报道，总锯切力为同时锯切齿数 并通过有限元方法分析齿尖应力变化情况.在 与单齿锯切力的乘积叫计算和试验结果表明： 有限元计算中，锯切力加载的方法是：将单齿锯 (1)在齿数相同的情况下，总锯切力随着锯 切力按等效原则，以集中力的方式加载到5倍 齿前角的增大而迅速下降 锯屑厚度长的齿尖上.这样加载的方式考虑到 (2)锯齿前角相同时，总锯切力随着齿数的 了切屑排出过程中对齿尖的作用力，计算模型 增大略微增大，但变化不大. 如图1，具体计算以某厂用的热锯机为例取如 从理论.上讲决定锯切力的大小主要是锯屑 下参数：锯片直径为1800mm,据切温度900℃， 变形功，包括剪切变形功，摩擦功、动能变化和 表面生成能等4个主要囚素，而表面生成能的 大小可以忽略. 在锯片直径、轧件高度、进锯速度和锯切速 收稿H期20010403李同进月.30岁，硕士 图1锯齿的有限元分析模型 Fig.1 The FEM model of the tooth

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 钧 助 ’ 一 盯 金属锯机锯片齿形参数的设计分析 李同进 ” 减 勇 ” 陶登奎 ” 冯 伟 ” 章 博 ‘， 北京科技大学机械 「程学院 ， 北京 莱芜钢铁股份有限公 司中型型钢厂 莱芜 摘 针对金 属锯机锯 片磨损速度过快 ， 使用寿命较短等主要失效形式 ， 研究分析 了齿形 参数对锯切力 和 锯齿应力及其分布的影 响规律 在此基础上 ， 以 较小 的锯切力和锯齿应力水 平 、 合理 的锯 齿应力 分布为 目标 给出 了合理 的齿形 参数 关份词 锯片 齿形 设计 锯切力 应力 分 类号 锯机 几作一 般是 在线 生 产 ， 锯片的 一 二作状 态 直接 影 响 了整个 生 产 线 的 生 产 率和 产 品质 量 由于 轧机生 产 能 力 的不 断提 高和对轧件质 量 要求 日趋严格 ， 因此对锯机无论是生 产能力 ， 还 是 锯 切质量上 都提 出了 更高的要求 本文 针 对热锯机锯片磨损较快 ， 使用 寿命过短 等主要 失 效形 式 ， 分析研 究 了 齿形 参数对锯切 力 和锯 齿应 力 及其分布的影 响 规律 ， 最 后优化 出 了 比 较 理想 的齿形参数 齿形参数对锯切力的影响 锯齿齿形参数包括齿前 角 、 齿顶角 、 齿数 或 齿距 等 齿形参数 ， 尤其是锯 齿前后角 ， 由于会 直接 影 响切 屑的流动过 程 ， 对锯切 力及 齿尖应 力有较大影响 较大的锯切 力 及 不 合理 的应 力 分布将会影 响锯片使用 寿命和 轧件切 口 质量 有关 文 献报道 ， 总锯切 力 为同时锯切齿数 与单 齿锯 切 力 的乘积 ‘” 计算 和试验结果表明 在齿数相 同的情 况 卜 ， 总锯 切 力随着锯 齿 前角 的增 大 而迅 速 下 降 锯齿前角相 同时 ， 总 锯切 力 随着齿数 的 增 大 略微增 大 ， 但 变 化 不 大 从理论 卜讲决定 锯切 力 的大 小 主要是锯屑 变 形 功 ， 包括剪切 变形 功 、 摩 擦功 、 动能变化和 表面生 成能等 个主 要 因素 ， 而表面生 成 能的 大小 可以 忽略 在锯 片直径 、 轧件高度 、 进锯速度和锯切速 度等一定 ， 轧件与锯齿的相迎 角 、 锯切总厚度等 变化不 大的情况 下 ， 影 响轧件变形 功 的 主要 是 锯齿前角 锯切齿数在实用 范围内对锯切变形功率没 有太 大影 响 ， 从而对总锯切 力的影 响也 不 大 当 然 ， 在实际锯切时由于存在圆角效应 ， 齿数影 响 要 比理论上 更 大 一 些 ， 但 也 不 会发 生 本质上 的 变 化 在相 迎 角为确定 值时 ， 单齿锯切 力是 随着 锯片齿数 的增加 而减小 的 ， 而 随齿前角的增 大 迅 速 减小 同样齿前角对单齿锯切 力的影 响程 度 比齿数 的影 响更显 著 齿形参数对齿尖应 力的影响 为了研究锯切 轧件时齿形 参数对齿尖应 力 的影 响 ， 分析计算出不 同齿形参数时 的锯切 力 ， 并通 过有限元 方法分析齿尖应 力变化情况 在 有限元计算中 ， 锯切力加载的方法是 将单齿锯 切 力按等效原则 ， 以集 中力的方式加 载到 倍 锯屑厚度长 的齿尖上 这 样加 载 的 方式考虑 到 了切 屑排 出过程 中对 齿尖 的作用 力 计算模 型 如 图 具体计算 以 某厂 用 的热锯机 为例取 如 下 参数 锯 片直径 为 ， 锯切 温度 ℃ ， 收 搞 日期 刁 刁 李 同进 男 、 岁 ， 硕 士 圈 据齿的有 限 元 分析椒型 加 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．01．049

·70 北京科按大学学报 2002年第1期 进锯速度120mm/s,锯片线速度100m/s,轧件 值时，齿尖的应力水平随前角增大而增大，但在 材料为Q235. 一5°附近存在一个相对较低的区域，也就是说 2.1齿数对齿尖应力的影响 负前角愈大，齿尖的承载能力愈高.而当前角为 齿形参数为齿前角0°，齿顶角50°时，变化 正时，总的趋势正好相反.这些规律和楔形体的 齿数计算出单齿锯切力，再用有限元分析计算 受力特性是相符的.第一主应力变化较为复杂， 了齿尖应力的变化情况.从计算结果可以看出： 以较大前角和一5°时第一主应力水平较低或最 齿数不同，锯齿的受力大小也不同，但锯齿 小.值得注意的是使最大主应力较低的-°前 应力分布情况基本相同.锯齿的受力面附近主 角值和使等效应力较低时的前角值是相同的. 要为压应力，而在受力面的近下方则为拉应力， (2)齿尖受力变化的情况.由前面的计算分 其水平为全局最高.在齿的背面则存在较高水 析知道，随着齿前角的增大，单齿锯切力迅速减 平的压应力.从等效应力上看，在齿尖前后面受 小.因此在综合考虑了锯齿前角对锯切力的影 力区的尺度上均存在较高水平的等效应力.所 响之后，可得和图3不同的齿尖应力变化规律， 以可以断定齿尖部受力区的稍下方为幅齿最容 190F 易断裂的部位 170 图2为锯齿的最大Von Misses应力和第一 主应力随齿数变化的情况.由图可以看出，在其 150 他参数不变的情况下，最大Von Misses应力a,和 120 140 (@)等效应力 (b)第·主应力 (a)等效应力 110L w -15 -10 -5 10 锯齿前角/() 50L 130 60 00 400500 600 300400500 600 b)第一主应力 锯齿齿数 细齿齿数 120 图工最大应力随齿数变化趋势 110 Flg.2 The trend of the maximum stresses varied with 100 tooth number 第一主应力σ是随齿数的增加而减少的.这是 90 因为在进锯速度不变时，随着齿数的增多，每个 80 锯齿的切削量减小，使得锯切力减小和锯齿尖 -15-10 -5 0 510 锯齿前角() 部的应力水平下降.下降速度在齿数较少时要 图3帽切力建值时最大应力随幅齿前角的变化趋势 小一些，在齿数较多时变化快些.所以单从齿尖 Flg.3 The trend of the maximum stresses varied with rake 强度上看，增大齿数是有利的，但是齿数的增 angle under constant sawing force 多，将使齿高变小，耐磨性能下降，单次使用寿 命降低，修磨工作量加大.所以齿数不能简单地 具体如图4（齿顶角为50°和齿数为450齿）.可 增多，而应从多方面考虑.一般标准是在要求的 以看出，当考虑了前角对单齿锯切力的影响后， 使用寿命内，锯齿的摩损高度小于齿高的13， 前角较大时锯齿的强度优势较为明显，这对像 并仍能立作. 锯齿这样的楔形体是容易理解的.另外在一5° 2,2锯齿前角的影响 附近有一个应力水平较低的局部最优点. (1)齿尖受力不变的情况.当齿顶角为50°， 因此单从齿尖应力上讲，锯齿的前角值应 齿数为450齿时，由给定的锯切力分析锯齿应力 尽量取得大一些，特别是应避免较大的负前角 随锯齿前角变化的情况，可得图3所示最大应 不过在实际应用时，还应考虑到锯齿的容屑体 力值随锯齿前角的变化规律.由图可知，在不者 积、吐屑性能、后角大小等工艺要求以及齿根处 虑锯切力变化时，齿尖应力与锯齿前角的变化 的应力情况.对容屑体积、吐屑性能、后角大小 关系比较复杂.随着锯齿前角的增大，锯齿应力 等工艺参数来讲，一定的负前角更为有利；而对 出现了波浪式变化，而且2种应力变化情况也 齿根处的应力来讲，以一5°到0°为最佳.因此， 不一致.从等效应力总体趋势来看，当前角为负 综合各方面的要求和前面的分析结果，锯齿前

， 北 京 科 技 进锯速度 。 ， 锯片线速度 而 ， 轧件 材料为 齿数对齿尖应力的影响 齿形参数为齿前角 ， 齿顶角 时 ， 变化 齿数计算 出单齿锯切力 ， 再用有限元分析计算 了齿尖应力的变化情况 从计算结果可 以看出 齿数不 同 ， 锯齿的受力大小也不 同 ， 但据齿 应力分布情况基本相 同 锯齿 的受力面附近主 要 为压应力 ， 而在受力面的近下方则为拉应力 ， 其水平为全局 最 高 在齿 的背面则存在较高水 平的压应力 从等效应力上看 在齿尖前后面受 力 区 的尺度上均存在较高水平 的等效应力 所 以可 以断定齿尖部受力 区的稍下方为据齿最容 易断裂的部位 图 为锯齿的最大 为 应力和第一 主应力随齿数变化的悄况 由图可 以看出 ， 在其 他参数不 变 的情况下 ， 最大 应力氏和 大 学 学 报 年 策 期 值时 ， 齿尖的应力水平随前角增大而增大 ， 但在 一 附近存在一个相对较低 的 区域 ， 也就是说 负前角愈大 ， 齿尖的承载能力愈高 而 当前角为 正时 ， 总的趋势正好相反 这些 规律和楔形体的 受力特性是相符的 第一 主应力变化较为复杂 ， 以较大前角和 一 时第一 主应力水平较低或最 小 值得注 惫的是使最大 主应力较低的一 。 前 角值和使等效应力较低时的前角值是相同的 齿尖受力变化 的情况 由前面 的计算分 析知道 ， 随着齿前角的增大 ， 单齿锯切力迅速减 小 因此在综合考虑 了锯齿前角对锯切力 的影 响之后 ， 可得和图 不 同的齿尖应力变化规律 ， 等效应力 重 右 裂岑 一 厂一 一分 锯齿前角 弓﹄公 一 一气︸ 占一 一 飞甘 了 锯齿齿数 锯齿齿数 圈 大应 力随齿数变化趁势 址 扮 血 幼 卜姗 一 阅 初 恤 加 第一 主应力。 ，是随齿数的增加而减少 的 这是 因为在进锯速度不 变时 ， 随着齿数的增多 ， 每个 锯齿的切削 减小 ， 使得锯切力减小和锯齿尖 部的应力水平 下 降 下 降速度 在齿数较少时要 小一些 ， 在齿数较多时变化快些 所 以单从齿尖 强度上 看 ， 增大齿数是有利的 但是齿数的增 多 ， 将使齿 高变小 ， 耐磨性能下降 ， 单次使用 寿 命降低 ， 修磨工作量加大 所 以齿数不能简单地 增多 ， 而应从多方面考虑一般标准是在要求的 使用 寿命内 ， 锯齿 的摩损高度小于齿高的 ， 并仍能土作 据齿前角的影响 齿尖受力不变的情况 当齿顶 角为 、 齿数为 齿时 ， 由给定的锯切力分析锯齿应力 随锯齿前角变化的情况 ， 可 得图 所示最大应 力值随锯齿前角的变化规律 由图可 知 ， 在不考 虑锯 切 力变化时 ， 齿尖应力与锯齿前角 的变化 关系比较复杂 随着锯齿前角的增大 ， 锯齿应力 出现 了波浪式变化 ， 而且 种应力变化情况也 不一致 从等效应力总体趋势来看 ， 当前角为负 目 里 一护一成一 据齿前角 ， 圈 翻切 力定位时 大应 力 随 齿前角 的变化位势 叭 恤 劝 一 侧翻 目 初它 ， 砂 如山 一 加 具体如图 齿顶角为 和齿数 为 齿 可 以看 出 ， 当考虑 了前角对单齿锯切力 的影响后 ， 前角较大时锯齿的强度优势较为明显 ， 这对像 锯齿这样的楔 形体是容易理解 的 另外在 一 附近有一 个应力水平较低的局部最优点 因此单从齿尖应力上讲 ， 锯齿的前角值应 尽 取得大一些 ， 特别是应避免较大的负前角 不过在实际应用时 ， 还 应考虑到锯齿的容屑体 积 、 吐 屑性能 、 后 角大小等工艺要求 以及齿根处 的应力情况 对容屑体积 、 吐 屑性能 、 后角大小 等工艺参数来讲 ， 一定 的负前角更 为有利 而对 齿根处 的应力来讲 ， 以 一 到 为最佳 因此 ， 综合各方面 的要求和前面 的分析结果 ， 锯齿前

VoL24 No.1 李同进等：金属锯机锯片齿形参数的设计分析 71 150 140 (a)等效应力 (a)等效应力 200 130 120 160 110 100 120 0 80 -10 -50 80 -15 10 15 40 45 5055 60 65 锯齿前角) 110 齿顶角() (b)第一主应力 200 100 b)第-主应力 160F 80 120 6 60 80 40 -15-10 40L -501015 40 45 50 55 60 65 锯齿前角() 齿顶角) 图4最大应力随锯齿前角变化趋势 田5最大应力随齿顶角的变化趋势 Fig.4 The trend of the maximum stresses varied with Fig.5 The trend of the maximum stresses varied with rake angle(considering the change of sawing force) the apex angle of tooth 角应取为-5°较为适宜. 23齿顶角的影响 3结束语 图5为最大应力值随锯齿顶角变化情况（齿 (1)运用理论分析和有限元方法相结合的方 前角-5°、齿数450).由图可看出，最大等效应力 法研究齿形参数对锯切力和锯齿应力的影响是 和第一主应力随齿顶角变化趋势基本相同，随 一种有效的方法. 齿顶角增大应力水平下降.当齿顶角大于50°之 (2)综合考虑锯齿的强度和工艺性能，齿形 后，应力的下降趋势变缓.这是因为当齿顶角较 参数取前角为-5°左右，齿顶角为50°左右比较 大时，齿尖的应力偏载严重，齿后半部承载较 适当. 少，作用不大.因此，为保证齿尖的锋利性及容 参考文献 屑体积，齿顶角应以不大于50°为宜，对顶角较 1减勇，邹家样.锯切过程力能参数的研究U.北京钢 小的瘦高齿，为提高锯齿的抗冲击性能，可采用 铁学院学报，1988(1)：55 削尖的狼齿牙形和后面加大的弧背齿形 2 邹家祥，减勇.金偏热锯机锯齿应力分析)重型机 械，1988(10)：46 3 邹家样，减勇.金属热切圆，片实验研究U重型机 械，1990(2)：18 Analysis on the Tooth Shape of the Saw Blade LI Tongjin",ZANG Yong",TAO Dengkui,FENG Wei,ZHANG Bo" 1)Mechanical Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Laiwu Iron and Steel Ltd,Laiwu 271104,China ABSTRACT In order to resolve the main failure of the saw blade for metal cutting and extend its life-span, the influence of tooth shape parameters on the sawing force and the stress in blade tooth has been analyzed. Based on this work,the optimal tooth shape parameters have been given,which will make the sawing force and the stress in blade tooth lower. KEY WORDS saw blade;tooth shape;sawing force;stress

一 李同进等 金属锯机锯片齿形，数 的设计 分析 ， ， 声︸，二 介 启﹄口君 群 等效应力 一 一 一 锯齿前角 气一 齿顶角 重 一 一 一 锯齿前角 圈 大应 力随据齿前 角变化趁势 址 血 件 时 ，州 卜 。 少 一 七 ” ，加 代 角应取 为一 较 为适 宜 齿顶角的影响 图 为最大应力值随锯齿顶角变化情况 齿 前角一 、 齿数 由图可看 出 ， 最大等效应力 和第一 主应力随齿顶 角变化趋势基本相 同 ， 随 齿顶 角增大应力水平下 降 当齿顶角大于 之 后 ， 应 力的下 降趋势变缓 这 是 因为当齿顶角较 大时 ， 齿尖 的应 力偏 载严重 ， 齿后半部承载较 少 ， 作用 不 大 因此 ， 为保证 齿尖 的锋利性 及 容 屑体积 ， 齿顶 角应 以 不 大 于 为宜 对顶 角较 小 的瘦 高齿 ， 为提高锯齿的抗 冲击性能 ， 可采用 削尖 的狼齿牙形 和 后 面 加 大 的 弧 背齿形 丫 圈 大应 力 齿 随 顶 齿 角 顶 二 角的变化趁势 嗯 作一绷 卜 卜 琳 砂 结束语 运用 理论分析和有限元方法相结合的方 法研究齿形参数对锯切力和锯齿应力 的影响是 一 种有效 的方法 综合考虑 锯齿 的强度 和工 艺性 能 ， 齿形 参数取前角为一 “ 左 右 ， 齿顶 角为 左右 比较 适 当 ， 考 文 献 减勇 ， 邹家祥 锯切 过程力 能参数的研究 北 京钢 铁学院学报 ， 邹家祥 ， 减勇 金属热锯机锯 齿应 力分析 重 型 机 械 ， 邹家祥 ， 减勇 金属热 切 圆锯 片实验研究 重 型机 械 ， 叨 ” ， 刁 心 ， 口 ‘ 昭加尸 ， 尸 肠 ， 例刃 ， 如 ， ， 一 ， ，