帶鋸床切割技術(shù)發(fā)展和研究現(xiàn)狀

1、帶鋸床切割技術(shù)發(fā)展和研究現(xiàn)狀帶鋸切割技術(shù)在眾多切割技術(shù)中多才多藝，如木材切割，鋁板切割，鑄鐵切割，管 材切割，陶瓷和復(fù)合材料切割等，因此成了眾多企業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。帶鋸切割已從簡單的 立式兩輪機(jī)床發(fā)展到具有復(fù)雜刀具系統(tǒng)的眾多類型。現(xiàn)在可應(yīng)用的有，兩輪、三輪和四 輪的機(jī)床，還出現(xiàn)了形切、立式、臥式、傾斜式、角度、切斷、摩擦等多種命名形式。 一些制造商根據(jù)材料從輕載-中載-重載切割提供了立式/臥式結(jié)合的帶鋸機(jī)床。由于鋸切 速度快，鋸口消耗少，加工精度高，鋸切直徑大，立即風(fēng)靡全球。1.帶鋸床產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀中國帶鋸床產(chǎn)業(yè)起步較晚，改革開放以后才逐步有企業(yè)（如湖南機(jī)床廠）進(jìn)入帶鋸床行業(yè)。20世紀(jì)80年代開始，

2、當(dāng)時正處于較先進(jìn)的帶鋸床替代相對落后的弓鋸技術(shù)變革 期，出現(xiàn)帶鋸床供不應(yīng)求的局面，許多中小企業(yè)敏銳的抓住這個機(jī)遇，紛紛進(jìn)入帶鋸床 行業(yè)。依托于中國良好的經(jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境，我國鋸切工業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)量從1985年的81臺增加到1990年的2000臺。根據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)年鑒（2009）對國內(nèi)24家鋸床生 產(chǎn)企業(yè)的統(tǒng)計(jì)，2008年我國帶鋸床產(chǎn)量為32600臺，年復(fù)合增長率為16.8%，考慮到規(guī) 模以下的許多企業(yè)未統(tǒng)計(jì)，實(shí)際年復(fù)合增長率更大。全球帶鋸床制造商，根據(jù)整體水平分為三個集團(tuán)：排在第一集團(tuán)的是世界一流的帶 鋸床制造商， 主要有德國、 日本、 意大利等傳統(tǒng)制造業(yè)強(qiáng)國的制造商。 如德國摩森納公 司 （

3、August MoessnerGmbH + Co. KG）創(chuàng)建于1898年，坐落在斯圖加特以東30公里的 小鎮(zhèn)埃沙赫（Eschache ,是德國著名的精密鋸床制造廠。德國貝靈格公司由奧古斯特?貝靈格創(chuàng)建于1919年，最初只是個機(jī)械修理廠。二戰(zhàn)后建起了鑄造車間，并開始生 產(chǎn)鋸床。時至今日，公司生產(chǎn)仍涵蓋從原料到整機(jī)的全部過程。品質(zhì)超群帶鋸機(jī)床是公 司的主導(dǎo)產(chǎn)品，采用最新技術(shù)設(shè)計(jì)、制造。 第二集團(tuán)為西班牙、中國臺灣等地區(qū)的制造商，如臺灣合濟(jì)工業(yè)股份有限公司。中國大陸的制造商則被劃分到第三集團(tuán)。這些差距主要體現(xiàn)在產(chǎn)品水平、技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益、國際化程度和服務(wù)水平等方 面。對比中外帶鋸床制造

4、商總體水平，德國的帶鋸床處于整個產(chǎn)業(yè)的頂端，以制造高端產(chǎn)品為主，其產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、制造工藝精良、機(jī)床故障率低、精度保持性和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，引領(lǐng)世界帶鋸床的發(fā)展。國內(nèi)廠家總體以中低檔產(chǎn)品居多，存在設(shè)備返修率高、加工精度和鋸切效率低等問題。整體發(fā)展現(xiàn)狀呈現(xiàn)金字塔形，如圖1所示圖1帶鋸床國際市場地位帶鋸床在我國機(jī)床工具行業(yè)中屬于小的分支，有生產(chǎn)企業(yè)30家以上。近2-3年高速帶鋸床受到市場需求的影響，有些廠家開始仿制進(jìn)口鋸床，處于起步階段。但由于受 高速的影響，機(jī)床結(jié)構(gòu)、部件和安全因素都要突破原有技術(shù)的約束，而且高速帶鋸越來 越多的被應(yīng)用在大批量高效率加工上，因此設(shè)備的穩(wěn)定性、精度、操作方式和

5、自動化控 制的要求比傳統(tǒng)帶鋸床更高，對一些以價格拼市場的企業(yè)很難適應(yīng)這些要求。主要具有 以下特征：(1)技術(shù)研發(fā)能力薄弱。我國帶鋸床與其他門類機(jī)床相比，發(fā)展歷史較短，技術(shù)研 發(fā)能力普遍薄弱，技術(shù)水平低下，主要表現(xiàn)在鋸床精度保持性、故障率和使用壽命等性 能指標(biāo)。(2)加工制造裝備落后。國外普遍使用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床加工零件，采用先進(jìn)的儀器 設(shè)備進(jìn)行帶鋸床的試驗(yàn)和檢測。我國鋸床生產(chǎn)規(guī)模大、但加工水平低。(3)社會化服務(wù)體系缺失。大而全、小而全的企業(yè)內(nèi)部非核心生產(chǎn)部分尚未剝離進(jìn) 入社會服務(wù)體系，造成專業(yè)化生產(chǎn)水平低。社會化的生產(chǎn)性服務(wù)體系滯后，影響了產(chǎn)業(yè)集群和工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 發(fā)達(dá)國家和中國臺灣地區(qū)專業(yè)

6、化分工配套體系和社會化服務(wù)體 系非常發(fā)達(dá)，成為機(jī)床產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的有力支撐。近幾年來，隨著社會和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國的切割技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)取得了顯著成就, 已經(jīng)具備產(chǎn)品水平、平均單價機(jī)床產(chǎn)量、企業(yè)數(shù)量了一定的技術(shù)水平和較大的生產(chǎn)規(guī)模。值得注意的是，高速帶鋸床應(yīng)用將帶鋸 切割加工技術(shù)帶到了發(fā)展到前所未有的水平，并從傳統(tǒng)的金屬材料切割擴(kuò)大到高分子材 料、復(fù)合材料和晶體材料等多種材料加工。數(shù)控技術(shù)、CAD/CAM轉(zhuǎn)化、光電技術(shù)、激光測量技術(shù)、機(jī)器人和最新的通訊技術(shù)的綜合應(yīng)用將帶鋸床的切割加工具備現(xiàn)代機(jī)床的 所有特征，5軸聯(lián)動鋁合金厚板輪廓切割中心成為大型飛機(jī)制造不可缺少的裝備。 高速 帶鋸切割技術(shù)以其高效

7、、高速、低成本、環(huán)保、節(jié)能和高精等特點(diǎn)在快速切割技術(shù)領(lǐng)域 中保持了迅猛的發(fā)展勢頭。2.帶鋸床發(fā)展趨勢隨著鋸切加工由下料為主逐步向精細(xì)加工轉(zhuǎn)變，對帶鋸床的設(shè)計(jì)技術(shù)與制造水平提出了更高的要求，帶鋸床逐漸向高端產(chǎn)品發(fā)展。國際高端帶鋸床的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在 以下幾個方面：(1)鋸切精度進(jìn)一步提高。采用先進(jìn)的變頻電機(jī)驅(qū)動，精密滾珠絲杠傳動和激光定 位方式，配以伺服控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)自動再建監(jiān)控帶鋸床鋸切全過程，鋸條速度、進(jìn) 給速度、夾緊力均可做到任意設(shè)置和優(yōu)化組合，從而保證帶鋸床的加工精度。目前，100mm切割高度的誤差為0.1mm,預(yù)計(jì)可以進(jìn)一步提高。(2)鋸切加工高效化。提高鋸切效率，尤其是提高厚材

8、及硬金屬的鋸切效率，避免鋸切成為整個生產(chǎn)線的瓶頸，一直是鋸切技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)。德國MOESSNER切割鑄鋁件，鋸切速度可達(dá)3000m/min，鋸切效率可達(dá)4000cm2/min，從而大大提高生產(chǎn)效 率，改善了鋸切鋸切加工的經(jīng)濟(jì)性。(3)鋸切能力的擴(kuò)大化。目前德國MOESSNER的大型立式和臥式帶鋸床可鋸切 2.7m*0.8m*11m 的實(shí)心方材。(4)數(shù)控化。大型工件切割過程往往需要數(shù)小時，為保證一人多機(jī)的生產(chǎn)條件，提高鋸切加工精度和加工效率，鋸切過程數(shù)控化勢在必行。(5)遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)。遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)是全球經(jīng)濟(jì)化的結(jié)果，帶鋸床可以提供跨國 跨地區(qū)迅捷的設(shè)備維護(hù)。德國MOESSNER鋸切生產(chǎn)

9、線加工時可與其技術(shù)中心聯(lián)機(jī)，由 技術(shù)專家對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)。3.帶鋸床鋸切技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀3.1帶鋸床鋸切技術(shù)關(guān)鍵問題及發(fā)展現(xiàn)狀對比國內(nèi)外帶鋸床指標(biāo)的對比，可以發(fā)現(xiàn)：(1)在鋸切尺度范圍上，國內(nèi)帶鋸床基本上和國際水平接近，可生產(chǎn)出鋸切直徑為3m的大型帶鋸床。在鋸切速度上，德國MOESSNER帶鋸床采用了噴霧潤滑的方式，使加工材料快速 冷卻，從而大幅度提高了鋸切速度，最高切削速度可達(dá)3000m/min以上。在鋸切效率上，以德國MOESSNER為首的國外帶鋸床已具備鋸切高強(qiáng)度、高硬度 材料的能力，針對高密度、高強(qiáng)度和高硬度材料，在20世紀(jì)90年代MOESSNER便推出高速精密立式帶鋸床，控制系統(tǒng)

10、可采用數(shù)字控制或PLC控制，使幾乎所有材料從傳統(tǒng)上的慢速切割實(shí)現(xiàn)高速或超高速切割。其加工試驗(yàn)表明，在切割鋁合金材料時，切割 效率可達(dá)4000cm2/min， 約是傳統(tǒng)1200cm2/min的3.3倍； 在切割硬實(shí)鉻錳材料時， 切割 率高達(dá)500cm2/min，約是傳統(tǒng)77cm2/min的鋸切效率的6.5倍。2011年日本的Amada公司開發(fā)了用于高速切割的脈沖切割技術(shù)，德國的KASTO公司也提出了高效鋸切技術(shù)。(4)在鋸切精度上，為了保證高的加工精度，國外鋸床不僅配備了先進(jìn)的變頻大馬力電 動機(jī)驅(qū)動、精密滾珠絲杠傳動和激光定位方式，并配以伺服控制系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)自動 在線監(jiān)控帶鋸床鋸切全過程，鋸

11、帶速度、進(jìn)給速度、夾緊力均可做到任意設(shè)置、最優(yōu)組 合，從而從細(xì)節(jié)入手加以優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)不少企業(yè)帶鋸床設(shè)計(jì)仍然處于模仿階段， 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中沒有考慮質(zhì)量的 可靠性。為了達(dá)到性能要求，普遍存在設(shè)計(jì)過于冗余，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)沒有得到優(yōu)化，從而造 成了材料的浪費(fèi)，產(chǎn)品成本偏高。由于設(shè)計(jì)過程中缺少對結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能和強(qiáng)度進(jìn)行分 析，產(chǎn)品的工作性能和參數(shù)無法預(yù)測，導(dǎo)致使用過程中發(fā)生故障概率較大。國內(nèi)帶鋸床 產(chǎn)品與國外同類產(chǎn)品存在較大差距，其主要原因是國內(nèi)帶鋸床產(chǎn)業(yè)缺乏系統(tǒng)、先進(jìn)的帶 鋸床設(shè)計(jì)理論與方法，影響帶鋸床設(shè)計(jì)質(zhì)量的如干問題有待解決。3.1.1鋸切機(jī)理和鋸切力計(jì)算模型的研究為完成各種材料的鋸切，尤其是難加

12、工材料的高速鋸切，研究材料切削鋸帶的鋸切 機(jī)理是至關(guān)重要的。通常鋸切材料可以分為高強(qiáng)度低速鋸切材料（如合金鋼、鈦合金等）、 硬脆高速鋸切材料（如硅晶體、藍(lán)寶石等）、復(fù)合材料和高強(qiáng)度高速鋸切材料（如鋁合金等 材料）。針對不同的鋸料，通常選用不同的鋸帶和不同鋸切工藝，如高強(qiáng)度低速鋸切材 料其鋸切速度在30-90m/min,而高強(qiáng)度高速鋸切材料其切割速度則可高達(dá)3000m/min。因此，材料的鋸切機(jī)理存在明顯不同。對于高強(qiáng)度低速鋸切材料， 如高合金鋼和鈦合金的強(qiáng)度都很高（其抗拉強(qiáng)度Ob可達(dá)1000MPa以上）。如此高強(qiáng)度的材料鋸切力很大，比鋸切45鋼（正火）高出30%以上。鋸 切過程中，塑性變形大，

13、使鋸切力大大增加；同時出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，是熱強(qiáng)度提高， 進(jìn)一步增大了鋸切抗力。另外，鈦合金、不銹鋼和高溫合金的導(dǎo)熱系數(shù)小，導(dǎo)熱性差， 僅為45鋼的四分之一，造成切削熱不易散發(fā)。在加工過程中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，還會 引發(fā)加工粘結(jié)現(xiàn)象。因此研究快速帶走加工過程行程的切削熱，使加工材料快速冷卻， 對于大幅度提高鋸切速度是技術(shù)難點(diǎn)之一。相比之下，高強(qiáng)度高速鋸切材料，如鋁合金材料，其具有導(dǎo)熱系數(shù)高，易于高速鋸 切等優(yōu)點(diǎn)。其鋸切機(jī)理與高強(qiáng)度低速鋸切完全不同。對于硬脆材料，如硅片材料，由于 材料在切割過程中極易破損，切割時要求進(jìn)行小進(jìn)給量的高速鋸切，通常線速度可高達(dá)30m/s。鋸切過程中，使用金剛石磨料鋸鋸帶

14、進(jìn)行切割，切割刀具為金剛石顆粒的多刃 微切削，同時專用冷卻液帶走切削熱，實(shí)現(xiàn)精密高速切削，達(dá)到較好的表面光潔度。帶鋸生產(chǎn)影響最主要的因素是帶鋸振動， 而鋸帶本身所受的應(yīng)力狀態(tài)對于其振動和 穩(wěn)定性最為重要。鋸帶的應(yīng)力主要由下列部分組成：彎曲應(yīng)力（B，離心力成，張緊力 兀 切割力和熱應(yīng)力。這里我們看到，彎曲應(yīng)力是周期性的，且幅值很大，他們是引起帶鋸疲勞失效的主 要原因。最大彎曲應(yīng)力近似和帶厚與帶徑之比（h/D）成正比，因此使用大直徑帶輪和 薄鋸帶會減小鋸帶的彎曲應(yīng)力。圖2帶鋸示意圖為了獲得最大切削性能且不引起鋸帶的疲勞和斷裂問題，弓I入適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力或張緊 力是十分重要的。精確的張緊力測試是十分困難

15、的，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，這一技術(shù) 也有了新的進(jìn)展。張緊導(dǎo)致了鋸帶產(chǎn)生了一個橫向變形，這個變形和殘余應(yīng)力分布密切 相關(guān)。Aoyama等人總結(jié)變形主要依賴于鋸帶的幾何形狀、輥?zhàn)拥臄?shù)目和位置、輥?zhàn)拥?幾何形狀和壓力。即使兩側(cè)鋸帶的橫向變形相似，但是它們對應(yīng)的應(yīng)力分布卻可能是不 同的。因此light gap技術(shù)不能給出一個精確的殘余應(yīng)力評價。另外，張緊力可以抵消一 部分熱效應(yīng)，并且防止鋸帶脫離帶輪。鋸帶和工件在振動過程中相互作用以摩擦的形式加熱了鋸帶，在將近250 E時，藍(lán)點(diǎn)和藍(lán)斑會出現(xiàn)。帶輪傾斜被常用來解決硬木鋸切時遇到的這個問題。鋸帶應(yīng)力對于研究帶鋸壽命十分重要，也能解釋鋸帶在仿真中不同參數(shù)下動

16、態(tài)行為。 引起帶鋸疲勞壽命降低主要有三個原因：帶的張緊力，帶輪周邊的彎曲和帶輪和切削帶 之間的扭轉(zhuǎn)。這里可以給出一個簡單的公式來計(jì)算在帶輪上由張力和彎曲引起的應(yīng)力，這個公式是基于梁模型計(jì)算所得的:當(dāng)然，對于彎曲應(yīng)力OF的值是最大應(yīng)力，在鋸帶上表面是正的(拉應(yīng)力)，和帶輪接 觸的表面是負(fù)值(壓應(yīng)力)。如果是板模型，彎曲應(yīng)力也可以給出：? =?F(2?+?)( 1-?2)鋸帶的扭轉(zhuǎn)仍然沒有深入的研究，它可能和大變形殼的扭轉(zhuǎn)相關(guān)。由此產(chǎn)生的應(yīng)力 可能是縱向的，也可能是橫向的或剪切應(yīng)力。離心效應(yīng)產(chǎn)生了一個附加的縱向應(yīng)力，它不均勻的進(jìn)入了鋸帶的橫截面，可由下式 計(jì)算：? = ?注意這個應(yīng)力值通常比張緊力

17、小。其他原因的應(yīng)力也存在，但是他們的效果通常被 假設(shè)是比較小的，沒有被徹底地研究：帶輪傾斜，帶輪表面形狀，帶材料熱效應(yīng)，切削 力。到目前為止，針對不同鋸料的鋸切機(jī)理研究有待深化。為開發(fā)高端帶鋸床，需要比 較準(zhǔn)確地計(jì)算出鋸切力，而目前國內(nèi)帶鋸床行業(yè)尚未詳細(xì)研究鋸帶在鋸切過程中的鋸切 機(jī)理，也未建立合理的鋸切數(shù)學(xué)模型，缺乏鋸料鋸切力的測試數(shù)據(jù)。帶鋸床的核心功能是鋸切工件，因此鋸切功能模塊的設(shè)計(jì)是帶鋸床設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容?？茖W(xué)揭示鋸切機(jī)理并 獲取鋸切力數(shù)據(jù)是帶鋸床合理設(shè)計(jì)的第一步3.1.2鋸架系統(tǒng)的受力分析及帶鋸張緊力的研究目前國內(nèi)帶鋸床存在憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的問題，尚未建立帶鋸床系統(tǒng)的力學(xué)模型，如鋸架 系統(tǒng)的

18、力學(xué)分析、帶鋸床系統(tǒng)動態(tài)特性分析模型、鋸帶強(qiáng)度和疲勞設(shè)計(jì)理論。為了保證鋸切過程不打滑，通常帶鋸床需要施加初始預(yù)緊力，使得鋸帶具有一定的 張緊力，以保證工作時鋸輪與鋸帶之間的摩擦力需大于鋸帶切入最大斷面時同時參與鋸 切的當(dāng)量鋸齒數(shù)的合力。由于帶鋸床的工作特點(diǎn)，工作時鋸帶交替受到拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng) 力產(chǎn)生的切應(yīng)力，張緊力過大極?=忌？=? ?-2?2+?2?彳？(1)易導(dǎo)致鋸帶疲勞壽命的降低，甚至由于強(qiáng)度不足斷裂失 效；張緊力過小，則容易導(dǎo)致鋸輪與鋸帶打滑，影響正常切削。鋸架結(jié)構(gòu)的受力分析是鋸架結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)的前提，也是帶鋸床可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。3.1.3高效鋸切技術(shù)和數(shù)控技術(shù)帶鋸床的發(fā)展趨勢是高鋸切效率

19、，尤其是提高厚材及硬金屬的鋸切效率。避免鋸切 成為整條生產(chǎn)線的瓶頸，一直是鋸切及鋸床技術(shù)領(lǐng)域多年關(guān)注的焦點(diǎn)。帶鋸床在鋸切過程中經(jīng)常遇到不規(guī)則截面的鋸料和型腔。鋸切材料為大截面時，鋸 切寬度大，同時進(jìn)行鋸切的齒數(shù)增加，工件受到的鋸切力就大；鋸切材料為小截面時， 鋸切寬度小，同時進(jìn)行鋸切的齒數(shù)少，工件受到的鋸切力就小。鋸切過程中鋸切力的大 小直接反映了帶鋸床的鋸切效率。因此，帶鋸床的效率最大化問題實(shí)質(zhì)上是帶鋸床在鋸 切過程中如何保持最大的鋸切力直至鋸切完成。帶鋸床鋸切力的控制是提高鋸切效率的關(guān)鍵。鋸切抗力是鋸切模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，不論臥式還是立式帶鋸床，其鋸切功能的結(jié)構(gòu)都是相似的，帶鋸床的鋸切抗力

20、及鋸切系 統(tǒng)中的其他載荷，如張緊力的數(shù)學(xué)關(guān)系等是設(shè)計(jì)鋸輪、鋸架等關(guān)鍵零部件的基礎(chǔ)。目前，數(shù)控帶鋸床一般可實(shí)現(xiàn)自動定長、自動夾緊、自動送料等功能，但是并沒有 實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動鋸切。當(dāng)面對不規(guī)則截面的材料和材料的硬質(zhì)點(diǎn)時，鋸切力會急 劇增加，而進(jìn)給速度卻不能相應(yīng)的自動改變，只能通過手動改變進(jìn)給速度，因此鋸切過 程中鋸切力分布不均勻，必然導(dǎo)致功率浪費(fèi)和鋸切效率低的問題。先進(jìn)的帶鋸床產(chǎn)品最終要體現(xiàn)在高效鋸切的數(shù)控技術(shù)上，因?yàn)楦咝т徢械臄?shù)控技術(shù) 不僅包含鋸切過程中的鋸切機(jī)理、鋸切數(shù)學(xué)模型，還包含如何突破帶鋸床系統(tǒng)的動態(tài)特 性和鋸帶疲勞壽命等對鋸切效率的約束瓶頸。如依據(jù)不同材料、材質(zhì)、大小、鋸帶受力、

21、鋸帶磨損情況，自動確定張緊力，延長鋸帶使用壽命；再如依據(jù)鋸切材料工藝數(shù)據(jù)庫， 實(shí)時根據(jù)材料材質(zhì)、大小、截面形狀等參數(shù)，自動匹配鋸帶鋸切的線速度和進(jìn)給速度。而目前國內(nèi)帶鋸床行業(yè)所謂的數(shù)控僅僅包含 計(jì)數(shù)”和順序控制等簡單功能。以數(shù)控 技術(shù)為基礎(chǔ)，解決上述問題，提高帶鋸床的鋸切效率。因此，數(shù)控技術(shù)真正的核心是鋸 切力反饋及其合理控制。3.1.4帶鋸床結(jié)構(gòu)的振動控制帶鋸床振動是影響帶鋸床鋸切質(zhì)量和效率的關(guān)鍵問題。振動較大將影響鋸帶的壽命 和帶鋸床運(yùn)行的穩(wěn)定性，對鋸切質(zhì)量也有較大影響，如據(jù)切面的平面度和鋸切精度等。 因此在帶鋸床設(shè)計(jì)階段對其動態(tài)性能分析，并進(jìn)行振動控制是非常重要的。帶鋸床結(jié)構(gòu) 的動態(tài)特性

22、分析是評價設(shè)計(jì)結(jié)果動態(tài)特性的重要手段。鋸帶振動是由生產(chǎn)環(huán)境中法向擾動引起的， 且總是存在。帶鋸的激勵來源于切割力， 鋸帶側(cè)面和工件之間的作用力，帶輪偏心或形狀不規(guī)則，帶鋸剛度變化，導(dǎo)向引起的擾 動。那么這些激勵可以分成兩類：直接激勵和參數(shù)激勵。在切削過程中，有直接的周期 力，如按照鋸齒進(jìn)給頻率產(chǎn)生的切削力；也存在直接的隨機(jī)力，如鋸帶表面和工件之間 的作用力。直接力使得鋸帶產(chǎn)生橫向扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)有足夠的直接激勵能產(chǎn)生振動時，且 頻率和鋸帶基頻相同或接近時，就鋸帶會產(chǎn)生極大的振動。另一方面，振動帶來導(dǎo)致帶鋸床控制的難度，影響數(shù)控的穩(wěn)健性。帶鋸床系統(tǒng)的控 制變量主要是鋸切力，振動將導(dǎo)致鋸切力大幅度波動

23、，增加濾波的難度，對控制系統(tǒng)的 穩(wěn)健性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。盡管眾多學(xué)者研究了帶鋸扭轉(zhuǎn)-彎曲振動和邊部屈曲問題，但是研究深度尚顯不足， 也沒有進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。鋸帶表面和工件之間的作用力也是非常重要的一個研究方向，但 是這也是一個有難度的課題。當(dāng)張緊力變化頻率是鋸帶任何自然頻率的2倍時,尤其是基頻的2倍時，帶鋸張緊力 周期性變化可能引起橫向的不穩(wěn)定性。這被命名為參數(shù)振動，由于鋸帶振動是由一個振 蕩剛度引起的，而不是外載荷直接作用在鋸帶上激發(fā)的。許多學(xué)者研究表明參數(shù)振動引 起的振動幅值可能超過直接激勵引起的振動幅值。張緊力周期性變化來源于帶輪偏心或 形狀不規(guī)則，或鋸帶不規(guī)則。鋸帶的軸向拉力可由下式給出：?)

24、?= ?(?+ ? ?(?+ (1 - ?)?Ro(t)是由帶輪位置和形狀決定的張力；n是描述帶鋸張力的一個常數(shù)，薩1-n初始為靜態(tài)拉伸，c=0,對于旋轉(zhuǎn)偏心或非圓帶輪它是一個時間的周期函數(shù)。公式1中的第二項(xiàng)，涉及到n或?這項(xiàng)主要來源于帶輪上鋸帶的法向加速度。鋸帶張緊的一部分，指動力 學(xué)部分，需要用來加速帶輪周邊上的帶鋸。動態(tài)張緊分量并不引起帶和接觸帶輪之間相 互作用。靜態(tài)拉伸分量是由帶和帶輪相互作用引起的。那么動態(tài)張緊就不在輪軸方向上 產(chǎn)生作用。使用杠桿系統(tǒng)加載的帶輪，從機(jī)械上來說相當(dāng)于使用彈簧來施加張力，這樣 動態(tài)張緊就和初始靜態(tài)張緊疊加在一起。張緊力隨速度增加，并在K=O或n=i時最大。

25、一般來講，對于通過彈簧施加的拉力，靜態(tài)張緊力分量可以參考圖3中在0K范圍內(nèi)所描述的，這里0對應(yīng)的是無線軟的彈簧和1對應(yīng)的是剛性彈簧。杠桿張緊系統(tǒng)在實(shí)踐 中能夠成功是因?yàn)樗墚a(chǎn)生最大張緊力，并有依據(jù)的最大化帶鋸自然頻率。圖3帶鋸張力和速度關(guān)系圖Mote依據(jù)梁模型總結(jié)存在兩個激勵頻率，fexcitl和fexcit2，但是在典型靜態(tài)情況下只 有一個(Vc=0)，且比鋸帶任一自然頻率的2倍值要大。而對于Vc工0和靜態(tài)激勵頻率 相比較，有一個高頻和一個低頻，如圖4所示。圖4縱向激勵頻率切削力的對動態(tài)不穩(wěn)定性的影響也被密切關(guān)注和研究。法向力表明當(dāng)它達(dá)到一個邊部屈曲臨界值時，發(fā)生靜態(tài)不穩(wěn)定。切向力被認(rèn)為是動

26、態(tài)不穩(wěn)定性的一個可能因素，女口 果它被看做是一個在切削刃上的附著力，因此是非保守力。但是這個假設(shè)明顯可以被證 明，切向力總是和切削刃相切。當(dāng)鋸帶發(fā)生振動時，切削刃便不再垂直，切削力存在一 個側(cè)向分量，這可能激發(fā)鋸帶振動。側(cè)向力在一定條件下會引發(fā)一種現(xiàn)象，稱之為 洗 衣板”現(xiàn)象，它可以引起鋸切工件表面質(zhì)量的下降。Okai等人的結(jié)果表明當(dāng)鋸齒進(jìn)給頻率略高于鋸帶的自然頻率那么這種現(xiàn)象就會發(fā)生。他們總結(jié)因?yàn)樵邶X尖上的側(cè)向切削力和這些齒尖瞬間運(yùn)動方向具有相同的方向， 鋸帶發(fā)生振動， 也同時給了鋸帶的激勵能。 但是Le-Ngoc和McCallion也討論了同樣的問題，使用同樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，執(zhí)行了同樣的 計(jì)算

27、。他們建議僅僅扭轉(zhuǎn)振動和鋸切表面波紋現(xiàn)象相關(guān)，在鋸帶和鋸切表面之間空氣的 阻尼效應(yīng)才是物理的根源，因?yàn)榕まD(zhuǎn)運(yùn)動中的阻尼標(biāo)準(zhǔn)比側(cè)向力的低。圖5鋸切表面洗衣板現(xiàn)象SOIDO 1502004f oxent f mxciiz30Q2DO1WIOOW30Q2DO1WIOOW N NH H】寸-ryo-ryo=匚當(dāng)一個微小的擾動在鋸帶上產(chǎn)生一個偏離平衡位置幅值很大的響應(yīng)，那么就稱帶鋸 是不穩(wěn)定的。由于帶鋸不穩(wěn)定會極大的降低切削性能，因而不穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)被密切關(guān)注 和研究。靜態(tài)不穩(wěn)定類型發(fā)生在邊部載荷達(dá)到一定臨界值時，這個臨界值依賴于鋸帶幾何尺 寸、材料、支撐條件、張緊力和進(jìn)給速度。鋸帶軸向速度和邊部屈曲載荷

28、之間的關(guān)系如 圖所示。這種描述屬于靜態(tài)型，就是在特定環(huán)境下，鋸帶尋求到一種通過彎曲扭轉(zhuǎn)模式 決定的不同的平衡形狀。-、 LVMBVD-riOJ Q.40*0*10VELaClTT,圖6軸向速度和邊部屈曲載荷關(guān)而動態(tài)不穩(wěn)定則是不同的，它是關(guān)于平衡狀態(tài)的大幅值的帶鋸振動，而不是平衡狀 態(tài)的轉(zhuǎn)移。動態(tài)不穩(wěn)定性仍然研究得不夠深入，但是通過觀察到的這些現(xiàn)象表明確實(shí)這 種不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生了。那么為了避免這些共振現(xiàn)象產(chǎn)生，或者至少限制這些現(xiàn)象產(chǎn)生，控制方法必須要提出、研究和驗(yàn)證。那么最古老的、使用最廣泛的便是通過張緊對鋸帶應(yīng)力進(jìn)行控制。以前張緊是通過hammering來實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在通常采用滾動機(jī)械進(jìn)行張緊。最

29、近，自動輥?zhàn)?張緊和熱張緊方法出現(xiàn)，也得到了很好的應(yīng)用。Kribach和Bonac試驗(yàn)證實(shí)了輥?zhàn)訌埦o的優(yōu)勢。Ya ng和Mote，Damre n和Le-Ngoc應(yīng)用一個傳感器和一個非接觸機(jī)構(gòu)，發(fā)展 了一種主動控制理論和系統(tǒng)。試驗(yàn)表明鋸帶穩(wěn)定性是可能的，且提高了他的性能。軸向 拉力、進(jìn)給率、導(dǎo)向位置的自動在線調(diào)整也隨之被提出。Zhao等人和Cyra等人更加關(guān)注通過鋸帶偏差來自適應(yīng)控制進(jìn)給速度。這種系統(tǒng)首先趨向避免由于帶鋸過大的法向力 導(dǎo)致屈曲而引起鋸帶偏差，而且理論上對洗衣板現(xiàn)象又沒有影響。更進(jìn)一步的說，這樣 系統(tǒng)的效率會受限，也即極大的減小了進(jìn)給速度，降低了生產(chǎn)率。帶鋸產(chǎn)生噪聲已知是超過95d

30、BA。圓鋸噪聲機(jī)理已經(jīng)被很多學(xué)者研究，但是帶鋸噪 聲源卻很少被關(guān)注。Pahlitzsch和Eckert總結(jié)得到空氣動力學(xué)不足以提供帶鋸噪聲，這 個結(jié)果是和圓鋸噪聲相比較得出的，也即圓鋸噪聲主要由空氣動力學(xué)引起。3.1.5帶鋸床產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)高性能的產(chǎn)品需要以先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法作為基礎(chǔ)，目前國內(nèi)帶鋸床產(chǎn)品的設(shè)計(jì)仍以依賴經(jīng)驗(yàn)和模仿為主，尚未形成系統(tǒng)化、理論化的設(shè)計(jì)方法和體系。設(shè)計(jì)過程中未能考慮 產(chǎn)品的可靠性與穩(wěn)健性，導(dǎo)致設(shè)計(jì)質(zhì)量不理想，設(shè)計(jì)比較盲目。目前，主流的設(shè)計(jì)理念 是在設(shè)計(jì)階段就綜合考慮產(chǎn)品可靠性的設(shè)計(jì)方法，以及在設(shè)計(jì)階段及考慮產(chǎn)品的穩(wěn)健性 并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。目前，德國MOESSNER、BEHLINGER及日本的AMADA公司 生產(chǎn)的帶鋸床工作可靠性明顯優(yōu)于我國生產(chǎn)的帶鋸床。3.2帶鋸床設(shè)計(jì)理論與方法的體系結(jié)構(gòu)針對以上問題，研究認(rèn)為帶鋸床的設(shè)計(jì)理論和方法主要包括鋸切機(jī)理和鋸切力計(jì)算 模型、鋸切系統(tǒng)力學(xué)分析方法、帶鋸床的設(shè)計(jì)過程、帶鋸床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、帶鋸床數(shù) 字化仿真技術(shù)和帶鋸床