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(jiǎn)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?，F(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，當(dāng)時(shí)正

2、處于較先進(jìn)的帶鋸床替代相對(duì)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(gè)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(tái)增加到1990年的2000臺(tái)。根據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)年鑒(2009)對(duì)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(tái)，年復(fù)合增長(zhǎng)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(zhǎng)率更大。全球帶鋸床制造商，根據(jù)整體水平分為三個(gè)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（August Moessne

3、r GmbH + 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(gè)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(shí)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(tái)灣等地區(qū)的制造商，如臺(tái)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(duì)比中外帶鋸床制造商總體水平

4、，德國的帶鋸床處于整個(gè)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(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)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、操作方式和自動(dòng)化控制

5、的要求比傳統(tǒng)帶鋸床更高，對(duì)一些以價(jià)格拼市場(chǎng)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(cè)。我國鋸床生產(chǎn)規(guī)模大、但加工水平低。(3) 社會(huì)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(huì)服務(wù)體系，造成專業(yè)化生產(chǎn)水平低。社會(huì)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(tái)灣地區(qū)專業(yè)化分工配套體系和社

6、會(huì)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(huì)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(cè)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(dòng)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、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

7、猛的發(fā)展勢(shì)頭。2. 帶鋸床發(fā)展趨勢(shì)隨著鋸切加工由下料為主逐步向精細(xì)加工轉(zhuǎn)變，對(duì)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(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(dòng)，精密滾珠絲杠傳動(dòng)和激光定位方式，配以伺服控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)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，尤其是提高厚材及硬金屬的鋸切效率，避免鋸切成為整個(gè)生產(chǎn)線的瓶頸，一直是鋸切技術(shù)領(lǐng)域

8、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(shí)，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(shì)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)線加工時(shí)可與其技術(shù)中心聯(lián)機(jī)，由技術(shù)專家對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)。3.

9、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(duì)比國內(nèi)外帶鋸床指標(biāo)的對(duì)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。(2) 在鋸切速度上，德國MOESSNER帶鋸床采用了噴霧潤(rùn)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。(3) 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(duì)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)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

10、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(shí)，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(shí)，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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、精密滾珠絲杠傳動(dòng)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(dòng)在線監(jiān)控帶鋸床鋸切全過程，鋸帶速度、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

11、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(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(cè)，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

12、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(duì)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(duì)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b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，使鋸切力大大增加；同時(shí)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、

13、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(huì)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(duì)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(duì)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(shí)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進(jìn)行切割，切割刀具為金剛石顆粒的多刃微切削，同時(shí)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

14、光潔度。帶鋸生產(chǎn)影響最主要的因素是帶鋸振動(dòng)，而鋸帶本身所受的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)于其振動(dòng)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C，張緊力T，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(huì)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，引入適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力或張緊力是十分重要的。精確的張緊力測(cè)試是十分困難的，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(gè)橫向變形，這個(gè)變形和殘余應(yīng)力分布密切相關(guān)。A

15、oyama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)拥膸缀涡螤詈蛪毫?。即使兩?cè)鋸帶的橫向變形相似，但是它們對(duì)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(gè)精確的殘余應(yīng)力評(píng)價(jià)。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(dòng)過程中相互作用以摩擦的形式加熱了鋸帶，在將近250時(shí)，藍(lán)點(diǎn)和藍(lán)斑會(huì)出現(xiàn)。帶輪傾斜被常用來解決硬木鋸切時(shí)遇到的這個(gè)問題。鋸帶應(yīng)力對(duì)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(dòng)態(tài)行為。引起帶鋸疲勞壽命降低主要有三個(gè)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(gè)簡(jiǎn)單的公式來計(jì)算在帶

16、輪上由張力和彎曲引起的應(yīng)力，這個(gè)公式是基于梁模型計(jì)算所得的：T=Teb, F=Ee2Rv+eEe2Rv (1)當(dāng)然，對(duì)于彎曲應(yīng)力F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=Ee2Rv+e1-2 (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(gè)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：v=Vc2 (3)注意這個(gè)應(yīng)力值通常比張緊力小。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，

17、帶輪表面形狀，帶材料熱效應(yīng)，切削力。到目前為止，針對(duì)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(cè)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)的力學(xué)分析、帶鋸床系統(tǒng)動(dòng)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

18、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(shí)鋸輪與鋸帶之間的摩擦力需大于鋸帶切入最大斷面時(shí)同時(shí)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(shí)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(shì)是高鋸切效率，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

19、鋸料和型腔。鋸切材料為大截面時(shí)，鋸切寬度大，同時(shí)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(shí)，鋸切寬度小，同時(shí)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(dòng)定長(zhǎng)、自動(dòng)夾緊、自動(dòng)送料等功能，但是并沒有實(shí)

20、現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)鋸切。當(dāng)面對(duì)不規(guī)則截面的材料和材料的硬質(zhì)點(diǎn)時(shí)，鋸切力會(huì)急劇增加，而進(jìn)給速度卻不能相應(yīng)的自動(dòng)改變，只能通過手動(dòng)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(dòng)態(tài)特性和鋸帶疲勞壽命等對(duì)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、鋸帶磨損情況，自動(dòng)確定張緊力，延長(zhǎng)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(shí)根據(jù)材料材質(zhì)、大小、截面形狀等參數(shù)，自動(dòng)匹配鋸帶鋸切的線速度和進(jìn)給速度。而目前國內(nèi)帶鋸

21、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(jiǎn)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(dòng)控制帶鋸床振動(dòng)是影響帶鋸床鋸切質(zhì)量和效率的關(guān)鍵問題。振動(dòng)較大將影響鋸帶的壽命和帶鋸床運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)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(duì)其動(dòng)態(tài)性能分析，并進(jìn)行振動(dòng)控制是非常重要的。帶鋸床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析是評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果動(dòng)態(tài)特性的重要手段。鋸帶振動(dòng)是由生產(chǎn)環(huán)境中法向擾動(dòng)引起的，且總是存在。帶鋸的激勵(lì)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，

22、導(dǎo)向引起的擾動(dòng)。那么這些激勵(lì)可以分成兩類：直接激勵(lì)和參數(shù)激勵(lì)。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(dòng)。當(dāng)有足夠的直接激勵(lì)能產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，且頻率和鋸帶基頻相同或接近時(shí)，就鋸帶會(huì)產(chǎn)生極大的振動(dòng)。另一方面，振動(dòng)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(dòng)將導(dǎo)致鋸切力大幅度波動(dòng)，增加濾波的難度，對(duì)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(dòng)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(gè)研

23、究方向，但是這也是一個(gè)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(shí),尤其是基頻的2倍時(shí)，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(dòng)，由于鋸帶振動(dòng)是由一個(gè)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(dòng)引起的振動(dòng)幅值可能超過直接激勵(lì)引起的振動(dòng)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：Rc,t=R0t+mc2=R0t+(1-)mc2 (4)R0(t)是由帶輪位置和形狀決定的張力；是描述帶鋸張力的一個(gè)常數(shù)，=1-。初始為靜態(tài)拉伸，c=0，對(duì)于旋轉(zhuǎn)偏心或非圓帶輪它是一個(gè)時(shí)間的周期函數(shù)。公式1中

24、的第二項(xiàng)，涉及到或，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(dòng)力學(xué)部分，需要用來加速帶輪周邊上的帶鋸。動(dòng)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(dòng)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(dòng)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=0或=1時(shí)最大。一般來講，對(duì)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0<<1范圍內(nèi)所描述的，這里0對(duì)應(yīng)的是無線軟的彈簧和1對(duì)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

25、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(gè)激勵(lì)頻率，fexcit1和fexcit2，但是在典型靜態(tài)情況下只有一個(gè)（Vc=0），且比鋸帶任一自然頻率的2倍值要大。而對(duì)于Vc0，和靜態(tài)激勵(lì)頻率相比較，有一個(gè)高頻和一個(gè)低頻，如圖4所示。圖4 縱向激勵(lì)頻率切削力的對(duì)動(dòng)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(gè)邊部屈曲臨界值時(shí)，發(fā)生靜態(tài)不穩(wěn)定。切向力被認(rèn)為是動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性的一個(gè)可能因素，如果它被看做是一個(gè)在切削刃上的附著力，因此是非保守力。但是這個(gè)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(dòng)時(shí)，切削刃便不再垂直，切削力存在一個(gè)側(cè)向分量，這可能激

26、發(fā)鋸帶振動(dòng)。側(cè)向力在一定條件下會(huì)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(huì)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(dòng)方向具有相同的方向，鋸帶發(fā)生振動(dòng)，也同時(shí)給了鋸帶的激勵(lì)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。他們建議僅僅扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(dòng)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)象當(dāng)一個(gè)微小的擾動(dòng)在鋸帶上產(chǎn)生一個(gè)偏離平衡位置幅值很大的響應(yīng)，那

27、么就稱帶鋸是不穩(wěn)定的。由于帶鋸不穩(wěn)定會(huì)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(shí)，這個(gè)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?jīng)Q定的不同的平衡形狀。圖6 軸向速度和邊部屈曲載荷關(guān)而動(dòng)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(dòng)，而不是平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。動(dòng)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

28、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(duì)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(dòng)機(jī)械進(jìn)行張緊。最近，自動(dòng)輥?zhàn)訌埦o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(shì)。Yang和Mote，Damren和Le-Ngoc應(yīng)用一個(gè)傳感器和一個(gè)非接觸機(jī)構(gòu)，發(fā)展了一種主動(dòng)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(dòng)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

29、偏差，而且理論上對(duì)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(huì)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95dBA。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(dòng)力學(xué)不足以提供帶鋸噪聲，這個(gè)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(dòng)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(duì)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)和帶鋸床可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。4. 結(jié)論裝