CN106777773B - 一种金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的制定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的制定方法，先运用模态实验来验证模态仿真分析方法的可靠性；选择不同型号的金刚石圆锯片以其直径和厚度为自变量进行约束模态分析，得到金刚石圆锯片前6阶共振频率与直径和厚度的函数关系；由所加工材料的大小和硬度，确定金刚石圆锯片的直径、线切削速度，加工转速，及各阶共振频率与其直径和厚度的关系，并获得加工时产生的激振频率与金刚石圆锯片的转速和齿数的关系，最后以避免共振和工作转速小于临界转速为条件，制定合适的金刚石圆锯片的厚度和齿数，建立金刚石圆锯片的设计和锯切工艺参数的约束模型。本方法通用性强，适用于各种金刚石圆锯片的设计及锯切工艺参数的优化。

Description

一种金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的制定方法

技术领域

本发明属于工程技术领域，具体地说是涉及一种金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的制定方法。

背景技术

金刚石圆锯片已经广泛应用于石材、玻璃、陶瓷、晶体、宝石等材料的加工以及房屋、道路、桥梁等工程施工中。金刚石圆锯片为圆形薄板结构，其横向刚度较小，易发生弯曲变形。模态分析是研究机械结构的固有振动特性，结构的各阶模态频率对应于其各阶固有频率(即共振频率)。根据临界转速理论，圆锯片工作转速必须要远小于其临界转速才能保证其旋转状态的稳定性，而临界转速是指金刚石圆锯片的第3阶(0,2)阶模态频率所对应的转速，其中(m，n)是指节圆数为m，节径数为n的模态。并且如果外部激励频率接近或等于圆锯片的各阶固有频率，则会使圆锯片产生共振，导致锯缝偏斜、锯片磨损、表面加工质量降低、石材原料崩裂，甚至是金刚石圆锯片的损坏。目前，圆锯片的设计和锯切工艺参数的制定大都根据经验设计，相关理论研究没有转化成可实际操作的依据和指导方法。

发明内容

本发明的目的是为圆锯片结构的设计和优化提供技术依据，为锯切工艺参数的制定提供方法，而提出一种金刚石圆锯片的设计及锯切工艺参数的制定方法，该方法包括提出金刚石圆锯片的前6阶共振频率与其直径和厚度的函数关系，及金刚石圆锯片设计和锯切工艺参数的约束模型。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提出一种金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的制定方法，先运用模态实验来验证模态仿真分析方法的可靠性，采用以一片普通的金刚石圆锯片为试件进行模态实验，对其进行约束模态实验，并进一步对模态实验数据进行分析，得到试件的模态频率；运用三维建模软件对该试件进行三维实体建模，然后导入到模态分析软件中，附加对应的材料属性，设置与模态实验相同的约束条件，然后进行模态仿真分析，得到仿真结构的模态频率；对模态实验和模态仿真两种方法得到的前7阶模态频率的结果进行误差分析，若两种模态分析结果的误差在10％以内，则验证模态实验和模态仿真的结果是正确可靠的；再按如下步骤操作：

步骤一、选择不同型号金刚石圆锯片进行约束模态分析，以其直径D和厚度H为自变量，通过数据分析，得到金刚石圆锯片的前6阶共振频率与其直径和厚度的函数关系：

①、根据金刚石圆锯片的国内标准GB11270-1989和国外标准ISO-6105-1988，均匀选取N种不同规格尺寸和厚度的金刚石圆锯片，运用三维建模软件建立所选取的金刚石圆锯片的模型，分别进行约束模态仿真分析，得到所述N种型号的金刚石圆锯片的模态频率；

②、取前6阶模态频率，即前6阶共振频率，运用金刚石圆锯片直径D和厚度H为自变量的函数进行拟合，得到金刚石圆锯片的各阶共振频率与金刚石圆锯片的直径和厚度的函数关系；

步骤二、提出金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的约束模型：

i、根据所加工材料的大小和硬度，确定金刚石圆锯片的直径和线切削速度，进而得出金刚石圆锯片的加工转速；

ii、提出金刚石圆锯片工作时激振频率、转速和齿数的函数关系；得出金刚石圆锯片的临界转速频率与其厚度的关系；

iii、以避免共振为条件，联合上述得出的关系式，提出金刚石圆锯片及锯切工艺参数的约束模型；

iv、根据约束模型，制定合适的金刚石圆锯片的厚度、齿数以及加工转速。

本发明步骤一中所述的金刚石圆锯片的前6阶模态频率与其直径和厚度的函数关系如下：

金刚石圆锯片第1阶(1,0)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₁(D,H)＝－64.52+88.5×D^－0.85+4.178×10³×H

金刚石圆锯片第2阶(0,1)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₂(D,H)＝－60+84.91×D^－0.85+4×10³×H

金刚石圆锯片第3阶(0,2)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₃(D,H)＝－70.23+98.24×D^－0.85+4.732×10³×H

金刚石圆锯片第4阶(0,3)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₄(D,H)＝－98.8+139.4×D^－0.85+6.635×10³×H

金刚石圆锯片第5阶(0,4)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₅(D,H)＝－148.3+211.9×D^－0.85+9.9×10³×H

金刚石圆锯片第6阶(0,5)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₆(D,H)＝－218.1+312.7×D^－0.85+14.54×10³×H

其中：D为金刚石圆锯片的直径，H为金刚石圆锯片的厚度。

本发明步骤二中所述的金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的约束模型为：

其中：n为金刚石圆锯片的加工转速，n₀为金刚石圆锯片的临界转速，m为金刚石圆锯片的齿数，v为切削线速度，f₀为共振频率，f为激振频率，D为金刚石圆锯片的直径，H为金刚石圆锯片的厚度。

本发明的金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的制定方法，是先运用模态实验来验证模态仿真分析方法的可靠性；对不同圆锯片直径和厚度进行大量模态分析，数据分析，得到金刚石圆锯片的模态频率与其直径和厚度函数关系；其次提出金刚石圆锯片的激振频率与直径和锯齿数的关系式，然后以避免圆锯片共振和圆锯片工作转速小于临界转速为约束条件，建立金刚石圆锯片的设计和锯切工艺参数的约束模型，为圆锯片结构的设计和优化提供理论依据，为锯切工艺提供技术指导。

本发明的金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的制定方法具有如下优点：

⑴.本发明的方法阐明了金刚石圆锯片的前6阶共振频率与其直径和厚度的本质特征，可直接快速准确地计算出金刚石圆锯片的前6阶共振频率，无需对金刚石圆锯片进行现场模态实验和模态仿真分析，分析过程简单，通用性强。

⑵.运用本发明的方法能够优化金刚石圆锯片的结构尺寸和加工工艺参数，避免金刚石圆锯片发生共振，减小振动，提高锯切加工效率。

⑶.本发明的方法能够在给定加工石材和大小的条件下，为金刚石圆锯片的设计和优化提供理论依据。本发明适用于各种金刚石圆锯片的设计及锯切工艺参数的优化。

附图说明

图1为本发明中进行的模态实验原理示意图。

图2为模态仿真分析和模态实验分析的误差分析曲线图。

图3为不同直径和厚度的金刚石圆锯片第3阶(0,2)模态频率的曲面图。

上述图中：1—金刚石圆锯片；2—夹盘；3—传感器；4—电荷适调器；5—信号测试分析***。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的制定方法作进一步详细的描述，但本发明的实施不限于此。

实施例1：本发明提供一种金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的制定方法，先运用模态实验来验证模态仿真分析方法的可靠性：

⑴、以一片直径Φ400mm的普通的金刚石圆锯片1为试件，对其进行约束模态实验分析，实验原理图参见图1，采用直径Φ100mm的夹盘2进行夹持约束，金刚石圆锯片1上安放有各种测量用的传感器3，包括力传感器和多个加速度传感器，将各传感器接收的信号分别通过电荷适调器4输送到信号测试分析***5，通过对实验数据进行分析处理，实验结束后，可得到金刚石圆锯片1的各阶模态频率。

⑵、运用三维建模软件对上述金刚石圆锯片进行三维实体建模，然后导入到ANSYS软件中，附加对应的材料属性，进行网格划分，然后设定夹盘约束条件，进行约束模态仿真分析，同样得到金刚石圆锯片1的各阶模态频率。

⑶、分别由获取的模态仿真分析和模态实验分析得到的前7阶模态频率进行误差分析，得到两种分析方法的误差结果如图2所示。

由图2可以得出，误差百分比基本在5％以内，相互印证了两种模态分析方法的正确性和可靠性。

此时再按如下步骤操作：

步骤一、对不同型号的金刚石圆锯片进行约束模态分析，以其直径和厚度为自变量，得到金刚石圆锯片的前6阶共振频率与其直径和厚度的函数关系：

①、根据金刚石圆锯片的国内标准GB11270-1989和国外标准ISO-6105-1988，均匀选取N种不同规格尺寸和厚度的金刚石圆锯片，本实施例选取N＝37，即选37种不同直径和厚度的金刚石圆锯片进行分析，具体型号如表1所示，夹径比(夹盘直径与金刚石圆锯片直径的比值)都取为0.4。分别对所选取的各个型号金刚石圆锯片进行约束模态分析，得到了各个型号金刚石圆锯片的前6阶模态频率。

②、对分析数据进行整理，例如对各个型号金刚石圆锯片的第3阶(0,2)模态频率(临界转速频率)进行整理，可得到表1。

表1各个型号金刚石圆锯片的第3阶(0,2)模态频率归纳

③、结合表1的数据，运用数值分析软件，分别以金刚石圆锯片的直径D和厚度H为自变量，对应的第3阶模态频率值作为因变量，运用金刚石圆锯片直径D和厚度H为自变量的函数进行拟合，得出拟合曲线图3和函数关系式如下：

金刚石圆锯片的第3阶(0,2)模态频率与直径和厚度的函数关系为

f₃(D,H)＝－70.23+98.24×D^－0.85+4.732×10³×H (1)

同理，金刚石圆锯片的其它5阶模态频率与直径和厚度的函数关系如下：

金刚石圆锯片第1阶(1,0)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₁(D,H)＝－64.52+88.5×D^－0.85+4.178×10³×H (2)

金刚石圆锯片第2阶(0,1)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₂(D,H)＝－60+84.91×D^－0.85+4×10³×H (3)

金刚石圆锯片第4阶(0,3)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₄(D,H)＝－98.8+139.4×D^－0.85+6.635×10³×H (4)

金刚石圆锯片第5阶(0,4)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₅(D,H)＝－148.3+211.9×D^－0.85+9.9×10³×H (5)

金刚石圆锯片第6阶(0,5)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₆(D,H)＝－218.1+312.7×D^－0.85+14.54×10³×H (6)

其中：D为金刚石圆锯片的直径，单位m(米)，H为金刚石圆锯片的厚度，单位m。

因此，对于给定的任意型号的金刚石圆锯片，可以根据其直径和厚度，运用公式(1)～(6)，可直接计算出金刚石圆锯片的前6阶固有频率。

步骤二、提出金刚石圆锯片设计和锯切工艺参数的约束模型：

ⅰ、根据所加工石材的大小和硬度，确定金刚石圆锯片的直径D和线切削速度v，对于石英含量较高，难以锯切的石材，选定切削线速度应偏低；对于易切削的石材，选定切削线速度应偏高，通常以经验数据选取，表2仅供参考。进而得出金刚石圆锯片的加工转速n。

表2不同加工材料的金刚石圆锯片的线切削速度

切削线速度与转速的关系式如下：

其中：n为金刚石圆锯片的转速，D为圆锯片直径，v为圆锯片的线切削速度。

ⅱ、在金刚石圆锯片切削加工时，激振频率f主要由圆锯片的加工转速n和齿数m共同决定，激振频率的计算公式：

其中：f为激振频率，n为金刚石圆锯片的转速，m为圆锯片的锯齿数。

iii、工程上，计算共振范围的经验公式为

0.85f_i≤f_s≤1.15f_i (9)

式中：f_i为圆锯片的某阶共振频率，f_s为该阶共振频率范围。

为避免金刚石圆锯片发生共振，圆锯片的激振频率要求避开其共振频率范围。因此，圆锯片的激振频率应满足

f＜0.85f_i或f＞1.15f_i i＝1,2,3,4,5,6 (10)

i为金刚石圆锯片的阶数。

金刚石圆锯片的工作转速n要远远小于其临界转速n₀，则有

n＜＜n₀＝60×f₃(D,H) (11)

iv、综合上述分析结论，提出金刚石圆锯片尺寸和工作参数的约束模型如下：

实施例2：将本发明提供的金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的制定方法应用于实际生产，进行金刚石圆锯片选用及锯切工艺参数的制定，具体按如下步骤操作：

设实际生产中需要加工的石材为花岗岩，若预选金刚石圆锯片的线切削速度为25m/s，设切削石材深度为120mm，夹径比取0.4，考虑到夹盘的大小，圆锯片的切削深度应大于120mm，则根据圆锯片最大切削深度的计算公式：0.5×(D－0.4D)＞120；因此得到金刚石圆锯片直径应大于400mm。

根据金刚石圆锯片的规格标准可知，直径稍大于400mm的圆锯片规格有：

直径D	厚度H	齿数m
			450mm	2.8mm	26
500mm	2.8mm	30
			550mm	3.0mm	32
600mm	3.5mm	36

将上述四个金刚石圆锯片的规格型号的参数分别带入约束模型中，以上表中第一个型号为例进行说明：

将(D＝0.45m，H＝2.8×10^-3m，m＝26)带入约束模型，可得到结果如下表

根据上述计算结果，可知：该金刚石圆锯片的工作转速远小于其临界转速，满足要求，但是其激振频率恰好处于第6阶共振频率范围内，不符合要求。

此时通过调整参数，将金刚石圆锯片的线切削速度由预选的25m/s调整为20m/s，根据计算结果可知，其工作转速远小于其临界转速，其激振频率处于第5阶和第6阶共振频率范围之间，准确地避开了共振频率范围，满足要求。

若选另一种型号D为500mm的金刚石圆锯片，将(D＝0.5m，H＝2.8×10^-3m，m＝30)带入约束模型，根据计算结果可知，其工作转速远小于其临界转速，其激振频率大于第6阶共振频率范围，同样符合要求。

本发明提出了一种金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的制定方法，应用本方法可直接快速准确地计算出金刚石圆锯片的前6阶共振频率，分析过程简单，通用性强。本发明的方法适用于各种金刚石圆锯片的设计及锯切工艺参数的优化。

Claims (3)

1.一种金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的制定方法，先运用模态实验来验证模态仿真分析方法的可靠性，采用以一片普通的金刚石圆锯片为试件进行模态实验，对其进行约束模态实验，并进一步对模态实验数据进行分析，得到试件的模态频率；运用三维建模软件对该试件进行三维实体建模，然后导入到模态分析软件中，附加对应的材料属性，设置与模态实验相同的约束条件，然后进行模态仿真分析，得到仿真结构的模态频率；对模态实验和模态仿真两种方法得到的前7阶模态频率的结果进行误差分析，若两种模态分析结果的误差在10％以内，则验证模态实验和模态仿真的结果是正确可靠的；其特征在于，再按如下步骤操作：

步骤一、选择不同型号金刚石圆锯片进行约束模态分析，以其直径D和厚度H为自变量，通过数据分析，得到金刚石圆锯片的前6阶共振频率与其直径和厚度的函数关系：

①、根据金刚石圆锯片的国内标准GB11270-1989和国外标准ISO-6105-1988，均匀选取N种不同规格尺寸和厚度的金刚石圆锯片，运用三维建模软件建立所选取的金刚石圆锯片的模型，分别进行约束模态仿真分析，得到所述N种型号的金刚石圆锯片的模态频率；

②、取前6阶模态频率，即前6阶共振频率，运用金刚石圆锯片直径D和厚度H为自变量的函数进行拟合，得到金刚石圆锯片的各阶共振频率与金刚石圆锯片的直径和厚度的函数关系；

步骤二、提出金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的约束模型：

i、根据所加工材料的大小和硬度，确定金刚石圆锯片的直径和线切削速度，进而得出金刚石圆锯片的加工转速；

ii、提出金刚石圆锯片工作时激振频率、转速和齿数的函数关系；得出金刚石圆锯片的临界转速频率与其厚度的关系；

iii、以避免共振为条件，联合上述得出的关系式，提出金刚石圆锯片及锯切工艺参数的约束模型；

iv、根据约束模型，制定合适的金刚石圆锯片的厚度、齿数以及加工转速。

2.根据权利要求1所述的金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的制定方法，其特征在于：步骤一中所述的金刚石圆锯片的前6阶模态频率与其直径和厚度的函数关系如下：

金刚石圆锯片第1阶(1,0)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₁(D,H)＝－64.52+88.5×D^－0.85+4.178×10³×H

金刚石圆锯片第2阶(0,1)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₂(D,H)＝－60+84.91×D^－0.85+4×10³×H

金刚石圆锯片第3阶(0,2)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₃(D,H)＝－70.23+98.24×D^－0.85+4.732×10³×H

金刚石圆锯片第4阶(0,3)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₄(D,H)＝－98.8+139.4×D^－0.85+6.635×10³×H

金刚石圆锯片第5阶(0,4)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₅(D,H)＝－148.3+211.9×D^－0.85+9.9×10³×H

金刚石圆锯片第6阶(0,5)模态频率与其直径和厚度的函数关系表达式

f₆(D,H)＝－218.1+312.7×D^－0.85+14.54×10³×H

其中：D为金刚石圆锯片的直径，H为金刚石圆锯片的厚度。

3.根据权利要求1所述的金刚石圆锯片设计及锯切工艺参数的制定方法，其特征在于：步骤二中所述的金刚石圆锯片的设计及锯切工艺参数的约束模型为：

其中：n为金刚石圆锯片的加工转速，n₀为金刚石圆锯片的临界转速，m为金刚石圆锯片的齿数，v为切削线速度，f₀为共振频率，f为激振频率，D为金刚石圆锯片的直径，H为金刚石圆锯片的厚度。