圆锯片受热时的应力变化规律

邵鸿丽，孟凡伟，郭继富

（唐山冶金锯片有限公司，河北唐山063020）

1 前言

随着科技的进步，对各类工程材料的要求越来越高，其中管坯、钢管、钢轨等产品中不锈钢、高压锅炉管、油井管、高温合金、钛合金等难加工材质的应用越来越广泛，也为石油钻探、能源发电、航空航天等领域的发展提供了基础支撑。在无缝钢管行业，一般使用硬质合金齿圆锯片对轧制后的钢管进行切头、切尾及定尺锯切，该类锯片的生产及应用已日趋成熟。难加工金属材料的共同特性有高硬度、高强度、高塑韧性、低导热性等，锯切时阻力大，产生的锯切热量多，硬质合金锯齿常发生快速磨损和破损，锯片容易因受热失去刚性，锯切难度很大。另外，国内钢管生产企业大多生产节奏快，冷床面积有限，高温轧制的钢管得不到有效冷却就进行锯切，同时锯片的冷却措施不到位，给锯切带来很大的困难[1]。

唐山冶金锯片有限公司作为锯片生产行业的龙头企业，已有六十年的制锯历史，现场经验丰富，具备足够的人力和物力来开展相关的实验研究，解决客户的锯切难题，给客户降低成本。

2 片体受热对锯切质量的影响

硬质合金齿圆锯片在使用时，常见的失效形式有锯齿磨损（图1）、锯齿破损（图2）、片体瓢曲变形（图3，示意图）、片体裂纹（图4）等，而瓢曲变形是片体受热失效的最直接表现，同时受热也会间接导致片体裂纹、锯齿破损的情况发生[2]。

在普通材质的锯切过程中，切削阻力小，合理的齿形设计保证切削热量大部分被切屑带走。难加工材料的锯切，由于其切削阻力大，锯齿和钢管之间摩擦严重，切削热量快速生成，而难加工材料本身导热系数小，热量不能得到快速疏散，大部分通过锯齿向片体传输。随着片体温度的不断升高，预加应力难以保证片体具备足够的刚性，片体开始摆动，参与切削的锯齿左右“跳动”，锯齿磨损加剧甚至出现破损，锯切到最后片体失去刚性“变软”，出现瓢曲，严重时可出现裂纹[2]。

由以上来看，热量是影响锯切质量的关键因素，而温度是热量的量化体现，想要改善锯切质量，就需要了解片体温度与应力和刚性的对应关系。

图1 锯齿磨损

图2 锯齿破损

图3 片体瓢曲变形示意

图4 片体裂纹

3 受热实验

3.1 实验锯片

锯片规格：外径Ф1760 mm、厚度9 mm、齿数216；使用数量，3片；片体材质，8CrV，其化学成分及硬度见表1。

表1 实验锯片化学成分及硬度

3.2 实验设备

选用公司自制的端跳应力检测机（图5），锯片法兰盘Ф500 mm，检测应力时加载位移3 mm。锯片片体使用两把手持火焰切割枪加热（图6），一把红外测温枪测量温度（图7）。

图5 自制端跳应力机

图6 手持火焰切割枪

图7 红外测温枪

3.3 实验方案

三张锯片原始预加应力设置为低、中、高三档，加载应力大小用加载位移来表示。两把火焰切割枪的片体两侧同时加热，加热位置为齿尖以内400 mm宽的环带，该环带为锯切时片体与钢管的摩擦区域，属升温带，且温度从齿尖向内逐渐变低。在片体径向方向设置四点测温点（图8），位置1距齿根约100 mm，位置2距齿根约250 mm，位置3距齿根约400 mm，位置4为法兰盘边缘。

片体升温前，先检测初始状态应力情况，随着片体的升温，每间隔10℃左右检测一次片体的应力值并观察片体刚性变化情况。

图8 测温点位置

4 试验结果

高档原始预加应力的锯片，初始应力范围+0.60～+0.80 mm，片体温度20℃，升温过程检测记录见表2。

表2 高档应力值锯片升温过程检测记录

表3 中档应力值锯片升温过程检测记录

表4 低档应力值锯片升温过程检测记录

中档原始预加应力的锯片，初始应力范围+0.30～+0.50 mm，片体温度20℃，升温过程检测记录见表3。

低档原始预加应力的锯片，初始应力范围+0.10～+0.25 mm，片体温度20℃，升温过程检测记录见表4。

5 分析与结论

（1）在片体厚度、外径等参数相同的情况下，初始应力越大，片体升温越慢，抵抗变形的时间越长，对锯切是有利的。

（2）初始应力不同，片体出现变形的温度不同，即初始应力范围为+0.10～+0.25 mm时，当片体温度达到45℃后就开始变软瓢曲，而初始应力范围为+0.60～+0.80 mm时，当片体温度达到60℃后才开始变软瓢曲。

（3）对锯切寿命来说，大的初始应力是有利的，但考虑到锯片加工过程中的难度，不能单单依靠增大应力来延长锯切寿命，还应从片体厚度、片体材质、齿形、冷却条件等方面考虑解决难加工材料或高温工件的锯切难题。

[1]韩会杰，郭继富，张艳龙，郭颖．金属热切圆锯片裂纹产生原因分析及预防[J]．机电设备，2008(1)：35-36

[2]李黎，习宝田，杨永福．圆锯片横向变形与加工表面锯痕高度[J]．北京林业大学学报，2007(1)：141-145