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金属切削带锯床设计的关键问题

时间:2020-07-30 13:05 点击次数:
国内外带锯床性能指标对比
性能指标 德国贝灵格 德国卡斯特 日本天田 西班牙达诺巴特 中国台湾 国内企业
最大锯切范围/m ●2.1 ●1.32 ●1.3 ●2 ●1.6 ●3
■2.1X2.1 ■1.32X1.72 ■1.3X1.3 ■2.0X2.0 ■2.1X1.6 ■3.0X3.0
最大锯切速度(m/min) 135 90 120 90 75 70
锯切效率(c㎡/min) 500   300 250 120 70-80
在高速锯切情况下的加工精度 ±0.1mm/100mm        
注:●代表圆料;■代表方料

上表是国内外带锯床性能指标的对比,可以看出:

(1)在可锯切尺度范围上,国内金属带锯床已达国际领先水平,如国内在2009年已开发出可锯切直径为3m圆材的大型龙门式带锯床。

(2)在锯切速度上,德国贝灵格锯床采用了跟踪式冷却液喷嘴,使加工材料快速冷却,从而大幅度提高了锯切速度。

(3)在锯切效率.上,以德国贝灵格为首的国外带锯床已具备锯切高强度、高硬度材料的能力,如针对高密度、高强度和高硬度金属材料,2010年贝灵格公司推出了HBP313A新型高速数控带锯床,2011年推出了拥有“高速切削”技术的HBM440A-SC和HBM540A-SC双立柱式带锯床,使几乎所有的金属,包括工具钢、不锈钢和其他传统上慢速切割的材料实现超高速切割;其生产力实验测试表明,在切割硬实铬锰材料时,切割率高达500cm2/min,约是传统77cm2/min锯切效率的6.5倍。2011年日本的Amada公司开发了用于高速切割的脉冲切割技术,德国卡斯特公司也提出了高效锯切技术。

(4)在锯切精度上,为了保证高的加工精度,国外锯床不仅配备了先进的变频大马力电动机驱动、精密的滚珠丝杠传动和激光定位方式,并配以伺服控制的液压系统,由计算机自动在线监控金属带锯床锯切全过程,锯条速度、进给速度、卡紧力均可做到任意设置、最优化组合,而且从细节入手加以设计优化。如德国贝灵格HBM锯床配备了动态锯架,使其在高速切割时振动最小;利用同伺服控制相连的压力传感器实时监控锯条进刀压力,平衡了动力与阻力。

目前国内不少企业的带锯床设计仍然处于模仿阶段,产品设计过程中没有考虑质量的可靠性。为了达到性能要求,普遍存在设计过于冗余,产品结构没有得到优化,从而造成了材料的浪费,产品成本偏高。由于设计过程中缺少对结构的动态性能和强度进行分析,产品的工作性能和参数无法预测,导致使用过程中发生故障的概率较大。国内带锯床产品与国外同类产品存在较大差距,其主要原因是国内带锯床产业缺乏系统、先进的带锯床设计理论与方法,影响带锯床设计质量的若干关键问题有待解决。

1.锯切机理和锯切力计算模型的研究

为完成各种金属的锯切,尤其是难加工材料的高速锯切,研究金属切削带锯条的锯切机理是至关重要的。

通常,锯切材料可以分为高强度低速锯切材料(如合金钢、钛合金等)、硬脆高速锯切材料(如硅晶体等)和高强度高速锯切材料(如铝合金材料等)。针对不同的锯料,通常选用不同的锯条和不同的锯切工艺,比如高强度低速锯切材料其锯切速度在30-90m/min,而高强,度高速锯切材料其锯切速度则可高达2000-3000m/min。因此,金属材料的锯切机理存在明显的不同。

对于高强度低速锯切材料,如高合金钢和钛合金的强度都很高(其抗拉强度σb可达1000MPa以上)。如此高强度的材料锯切力很大,比锯切45钢(正火)高出30%以上。像高锰钢和不锈钢等材料,因其高塑性、高韧性则可导致出现严重的加工硬化现象。以奥氏体不锈钢为例,随着硬化后抗拉强度σb的提高,屈服极限σs也升高。退火状态的奥氏体不锈钢σs,不超过抗拉强度σb的30%-45%,而加工硬化后达85%-95%。因此锯切过程中,塑性变形大,使锯切力大大增大;同时因严重的加工硬化现象,使热强度提高,进一步增大了锯切抗力。另外,钛合金、不锈钢和高温合金的导热系数小,导热性差,仅为45钢的1/4,造成切削热不易散发。在加工过程中会产生较大的热应力,还会引发加工粘结现象。因此,研究快速带走加工过程形成的切削热,使加工材料快速冷却,对于大幅度提高锯切速度是技术难点之一。

相比之下,高强度高速锯切材料,如铝合金材料,其具有导热系数高,易于高速锯切等优点。其锯切机理与高强度低速锯切完全不同。对于硬脆材料,如硅片材料,由于材料在切割过程中极易破损,切割时要求进行小进给量的高速锯切,通常线速度可高达30m/s。切割过程中,使用碳化硅微粉作为研磨浆料,悬浮于磨削液中的磨粒在高速运动的金属切割线的带动下进人加工区域,在切割线和工件加工表面间的液体薄膜中滚动,在切割线的压力作用下压人工件使工件表面产生破碎和裂纹,继而结合磨粒的滚动将碎片剥离工件,实现材料的去除。

到目前为止,针对不同锯料的锯切机理的研究有待深化。为开发高端数控带锯床与双金属带锯条新产品,需要比较准确地计算出锯切力,而目前国内带锯床行业尚未详细研究带锯条在锯切过程中的锯切机理,也未建立合理的锯切数学模型,缺乏锯料锯切力的测试数据。金属切削带锯床的核心功能是锯切工件,因此锯切功能模块的设计是带锯床设计的核心内容。科学揭示锯切机理并获取锯切力数据是带锯床合理设计的第一步。

2.锯架系统的受力分析及带锯张紧力的研究

目前国内带锯床行业存在凭经验设计的问题,尚未建立带锯床系统的力学模型,如锯架系统的力学分析、带锯床系统动态特性分析模型、带锯条的强度和疲劳设计理论。

为了保证锯切过程不打滑,通常金属带锯床需要施加初始预紧力,使得锯条具有一定的张紧力。以保证工作时锯轮与带锯条之间的摩擦力需大于锯条切人最大断面时同时参与锯削的当量锯齿数的合力。由于带锯床的工作特点,工作时带锯条交替受到拉应力和扭转产生的切应力,张紧力过大极易导致带锯疲劳寿命的降低,甚至由于强度不足断裂失效;张紧力过小,则易导致锯轮与带锯条打滑,影响正常锯切。

锯架结构的受力分析是锯架结构合理设计的前提,也是带锯床可靠性设计的基础。

3.高效率锯切(实时恒定锯切功率)技术和数控技术

带锯床的发展趋势是提高锯切效率,尤其是提高厚材及硬金属的锯切效率。避免锯切成为整条生产线的瓶颈,-直是锯切及锯床技术领域多年关注的焦点。

金属切削带锯床在锯切过程中经常遇到不规则截面的锯料和型腔。若以恒定的锯切速度和进给速度进行锯切,遇到大截面时,锯切宽度大,同时进行锯切的齿数多,工件受到的锯切力就大;遇到小截面时,锯切宽度小,同时进行锯切的齿数少,工件受到的锯切力就小。而锯切过程中锯切力的大小直接反映了金属带锯床的锯切效率。因此,带锯床的效率最大化问题实质上是带锯床在锯切过程中如何保持最大的锯切力直至锯切完成。

金属切削带锯床锯切力的控制是提高锯切效率的关键。锯切抗力是锯切模块设计的关键参数,不论卧式还是立式带锯床,其锯切功能的结构都是相似的,带锯床的锯切抗力及锯切系统中的其他载荷,如张紧力的数学关系等是设计锯轮、锯架等关键零部件的基础。日本的Amada公司采用双脉冲控制技术,减小锯切过程中的振动,形成位置恒定的锯切力,使锯切效率得到显著的提高。

目前,数控带锯床一般可以实现自动定长、自动夹紧、自动送料等功能,但是并没有实现真正意义上的自动锯切,当面对不规则截面的材料和材料的硬质点时,锯切力会急剧增大,而进给速度却不能相应地自动改变,只能通过手动操作液压阀门来改变进给速度,因此锯切过程中锯切力分布不均,必然导致功率浪费和锯切效率低的问题。

先进的带锯床产品最终要体现在高效锯切的数控技术上,因为高效锯切的数控技术不仅包含锯切过程中的锯切机理、锯切数学模型,还包含如何突破带锯床系统的动态特性和带锯条疲劳寿命等对锯切效率的约束瓶颈。比如依据不同材料、材质、大小、带锯条受力、带锯条磨损情况,自动确定锯条张紧力,延长锯条的使用寿命;再比如依据锯切材料工艺数据库,实时根据材料材质、大小、截面形状等参数,自动匹配带锯条锯切的线速度和进给速度。

而目前国内带锯床行业所谓的数控仅仅包含“计数”和顺序控制等简单功能。本书涉及的数控技术是指在顺序控制的基础上,解决上述问题,提高金属切削带锯床的锯切效率。因此,数控技术真正的核心是锯切力反馈及其合理控制。

4.带锯床结构的振动控制

带锯床振动是影响带锯床的锯切质量和效率的关键问题。振动较大将会影响带锯条的寿命和带锯床运行的稳定性,对锯切质量也有较大的影响,如锯切面的平面度和锯切精度等。因此,在金属切削带锯床的设计阶段对其动态性能的分析,并进行振动控制是非常重要的。带锯床结构的动态特性分析是评价设计结果动态特性的重要手段,应用有限元分析软件可以对设计结果的动态特性进行分析。

另一方面,振动(如进给过程的颤振)带来导致带锯床控制的难度,影响数控的稳健性。带锯床数控系统的控制变量主要是锯切力,振动将导致锯切力大幅度波动,增加滤波的难度,对数控系统的稳健性产生严重的影响。

5.带锯床产品的可靠性设计

高性能的产品需要以先进的设计方法作为基础,目前国内带锯床产品的设计仍以依赖经验和模仿为主,尚未形成系统化、理论化的设计方法和体系。设计过程中未能考虑产品的可靠性与稳健性,导致设计质量不理想,设计比较盲目。目前,主流的设计理念是在设计阶段就综合考虑产品可靠性的设计方法,以及在设计阶段即考虑产品的稳健性并进行优化的稳健优化设计方法。目前,德国的Behinger和日本的Amada公司生产的带锯床的工作可靠性明显优于我国生产的带锯床。

 


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