锯切力仿真与锯切参数选择.doc

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1、锯切力仿真与锯切参数选择1   引言以前关于锯切参数对锯切力的影响以及应用锯切力的变化规律解释锯片磨损的研究可以分为两大类，一类基本上依靠试验如 Malnalis和Luo，另一类则将公式和试验结合如Buttner 和Ertingshausen。不同文献所引用的公式只有符号的差异，本质是相同的，它们能够解释一些试验结论，但是没有充分反映岩石材料特征对锯切力的影响。事实上，天然岩石材料有两个对锯切力有显著影响的特征，一个是锯切力随切屑交叉区面积非线性变化，另一个是材料微观硬度的非均匀分布。因为岩石锯切与磨削尤其是蠕动磨削类似，所以在该研究中，考虑了岩石材料的特

2、点，把一个蠕动磨削力方程进行了修正，作为分析岩石锯切力的理论模型，对该模型进行了仿真研究并将其应用于锯切参数选择。对锯切力进行不仅包括锯切参数而且包括工件材料在内的详细研究，有利于更好地解释锯片磨损并指导锯切参数选择。2   锯切力理论模型一方面，从金刚石磨粒失效的角度来看，锯切力可以分解成为与磨粒磨平关系密切的法向力、数值虽然明显比法向力小但与磨粒破碎关系密切的切向力，因为在岩石锯切过程中摩擦作用突出，所以锯切力与锯切参数之间必然呈非线性关系。另一方面，因为天然岩石材料总是由硬度值相差显著的若干种组份组成的，所以在岩石锯切过程中，金刚石刀片与工件材料的不

3、同部位接触，切除材料所需要的锯切力不是恒定的而是随机变化的。锯切力理论模型应该包括岩石材料这两个显著的特征。图 l 是刀头长度为L的单刀头金刚石圆锯片锯切岩石的示意图，L,大约是整个切削区域长度L的 1/3 。刀头承担的总法向力是与刀头接触的全部样品承担的法向力之和。在一个采样周期，切除的样品体积可以用锯片宽度、磨粒平均突出高度、以及在该文中取值为 1/6ls的样品长度共同决定。如果在第i个和第（i十 l ）个采样周期之间磨粒平均突出高度保持不变，而且刀头与工件完全接触，那么这两个采样周期的总法向力差值取决于它们各自的第一个样品承担的法向力的差值。因为在多

4、数情况下，样品长度 通常选择为一个远远小于切削区域长度L的值，例如在该文中 ＝1/18L ，所以虽然相邻采样周期之间总法向力差值不明显，但是不相邻的采样周期之间总法向力差值就可能非常突出。根据正态分布理论，样品 j 平均硬度 ，是一个围绕工件材料平均硬度 。增大或者减小的随机变量。采用 的理论，样品j承担的瞬态总法向力可以通过对Wemer[6]巧飞提出的磨削力公式进行修正得到，描述如下在方程(1)中， 是样品j承担的法向总锯切力， b 是锯片宽度， 是比例系数，C1是切削刃密度。 和 分别表示工作台速度和锯片速度；a和d5分别代表切深和锯片直径系数r和 的

5、范围分别是0≤r≤1 以及0.5≤ ≤1。对天然石材等硬脆材料而六, 值一般小于0.65 （极限值0.5) ，此时摩擦在切屑形成过程中起主导作用。 值小是岩石锯切过程中锯切力随锯切参数非线性变化的主要原因。3   锯切力仿真    Mamalis[1]发现在一些锯切力试验曲线中存在锯切力第二峰值，把这个现象解释为非均匀分布的、含空洞的岩石结构的破碎。在该文中，为了利用瞬态锯切力方程(1)解释Mamalis[1]的结论，在锯切力模拟时采用 'jMamalis[1]试验相同的条件作为仿真参数。锯切参数选择 取 4 个值 锯片参数选择 d,= 250mm， b=

6、5mm  andl5=40mm，材料是红花岗岩。用彩色图像分析仪1BAS-2000测量得到该红花岗岩的基本组成为 40 ％钾长石 十 35 ％斜长石 ＋ 25 ％石英。用维氏硬度机LeitzOPTHOLU*IIPOLBK测量样本具有代表性的若干测点的各组份的硬度，利用正态分布理论，计算出工件材料微观硬度均值和标准差分别为产。二溯 VHN 和口＝ 298vHN 。在该模拟中，切削区域长度分成 18 个样品，相应的 18 个硬度均值可以用下式计算：在方程（ 2 ）中， x 是含有 18 个元素的矢量， size()返回矢量尺度,randn()产生均值为 O 、

7、标准差为 1 的随机序列。假设在锯切过程中，切削刃密度c1和指数r了保持恒定，那么 k[c1]r是常数。从 Mamalis[1]提供的数据，可以计算得到k[c1]r =6lN/mn2， ＝ 0.594 。事实上，在该模拟中 简单地取为 0.6。 Mamalis[1]提供的另一个结论是切向力往往只有法向力的十几分之一甚至百分之一，所以在该模拟中没有考虑切向力。锯片旋转一周，锯片刀头与材料的接触可以分成三个接触阶段：刀头进人阶段、完全接触阶段和刀头退出阶段，它们对应的采样周期序号范围分别是i=1~6、i=7~19和i=20~25；在第i个采样周期，刀头承担的总

8、法向力 是由与刀头接触的 个相邻材料样品承担的 个法向力 之和，它