金属锯切圆锯片的仿生设计

发布时间：2017-04-02 07:08

  本文关键词：金属锯切圆锯片的仿生设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在日常生产和生活中,金属材料的加工、处理需要切割、截断等机械切割过程。在众多切割方法中,机械切割因其高适应性、低成本和高效率等优点在金属工业中扮演者重要的角色。作为机械切割方式之一的圆锯片切割,因工作效率高、原料浪费少以及二次加工量少等优势被广泛应用于包括铝金属工业在内的诸多领域。然而传统锯片的锯切过程通常是通过锯片的边旋转、边移动,对切割对象逐次冲击,产生冲击破裂,同时在刀头周围部分连续进行压缩破裂和切割,但是切割效率并不高,而且锯切阻力较大,锯齿部分容易产生裂纹、断裂和磨损。仿生学是一门新兴的交叉学科,在解决切割刀具常见的摩擦磨损、切割效率、能耗等问题时,为研究人员提供了全新的研究思路和有效的研究方法。獾也称为狗獾、欧亚獾,其牙齿极其锋利、坚硬,甚至能够咬断军用铁锹。本文以獾的犬齿为研究对象,通过对其牙齿结构特性和力学特性的研究,找出其犬齿锋利、坚硬及高效刺穿的机理,并用于锯片的仿生设计中,以提高金属锯切圆锯片的锯片效率、减小锯切阻力。首先,通过对獾犬齿的微观结构、力学性能及组成成分进行测试分析,发现獾犬齿良好的力学性能与其独特的外形结构有一定关系;利用逆向工程技术对獾牙齿进行三维实体模型重构,通过对犬齿结构及刺穿机理分析,将其特征曲线分为刺入段、切割段及滑动段。用最小二乘法对三段曲线进行拟合,得到曲线方程,并用于圆锯片的设计中,得到仿生锯片A,且设计仿生锯片B和仿生锯片C作为仿生对照组。其次,建立锯片的锯切力学模型,对其锯切过程进行分析,求锯片锯切时的理论锯切力;通过对直径为D=180mm锯片锯切直径为d=30mm铝棒时的力能参数计算,得到锯片的锯切功率N=0.728KW,切向锯切力Ft=406.57N,径向锯切力Fr=100N,为静力分析提供载荷条件。根据载荷条件建立锯片锯切的有限元模型,通过静力分析对仿生锯片和普通锯片的力学性能及结构特性进行比较,得到仿生锯片A在同等受力条件下变形较小,且所产生的应力也很小。最后,选取锯片转速、工件的进给速度、锯片直径及铝管直径作为试验因素,以锯切过程中的所产生扭矩和拉力为实验指标,选用L9(31×23)正交表对仿生锯片的锯切力进行正交试验分析,通过锯片的实际锯切试验来比较所设计的仿生锯片的优劣。经过分析得到,本文所选试验因素均与锯切过程中的扭矩和拉力显著相关;试验各因素对仿生锯片锯切时的扭矩和拉力影响的主次关系为:锯片转速工件进给速度锯片直径工件直径。另外,通过仿生锯片和普通锯片的单因素比较发现,在相同锯切条件下,仿生锯片A相对于狼牙齿形锯片锯切时的扭矩降低了18.4%,而相对于鼠牙齿形锯片降低了6.5%;仿生锯片A相对于狼牙齿形锯片锯切时的拉力降低了约27.7%,相对于鼠牙齿形锯片降低了约10%,且仿生锯片A锯切的切口较为平整,工件切口质量最好。这是因为仿生锯片A的齿形轮廓采用仿生曲线,在保证锯齿齿宽的同时,也增大了锯齿的前角,因此既能保证锯齿的刚度,使其受力时变形较小,同时也降低了锯片的锯切阻力,提高了锯片的锯切性能。总体而言,本文以提高现有金属锯切圆锯片的锯切性能、降低锯切阻力为目标,将仿生设计的理念与技术用于锯片的设计中,设计出了基于獾犬齿的仿生锯片,通过试验验证了该锯片具有降低锯切阻力、提高锯切质量的效果,为高性能锯片的设计与推广提供参考。
【关键词】：仿生锯片 锯切力 獾犬齿 仿生设计
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG717
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 课题来源12
• 1.2 研究的背景及意义12-14
• 1.3 问题的提出及解决办法14-15
• 1.4 国内外研究现状15-18
• 1.4.1 金属锯片的研究现状15-17
• 1.4.2 仿生学的研究与应用现状17-18
• 1.5 本文研究内容18-20
• 第2章 獾牙齿的力学性能探究20-34
• 2.1 试验材料的选取与制备20-21
• 2.1.1 试验材料20
• 2.1.2 试样制备20-21
• 2.2 试验过程及方法21-29
• 2.2.1 獾牙齿的机械性能测试21-24
• 2.2.2 獾牙齿微观结构的测量24-26
• 2.2.3 牙齿的元素及成分分析26-29
• 2.3 讨论及分析29-31
• 2.4 本章小结31-34
• 第3章 圆盘锯的仿生设计34-48
• 3.1 獾牙简介34
• 3.2 獾犬齿特征曲线的提取34-41
• 3.2.1 3D激光扫描器及逆向工程软件Geomagic介绍34-35
• 3.2.2 牙齿三维模型的重构及曲线的提取35-41
• 3.3 曲线的拟合与优化41-44
• 3.3.1 曲线的分析与选取41-42
• 3.3.2 曲线的拟合与优化42-44
• 3.4 锯片的设计44-45
• 3.5 本章小结45-48
• 第4章 锯切力的理论计算及锯片的力学模拟48-66
• 4.1 锯切力的理论计算48-54
• 4.1.1 锯片参数的选择48
• 4.1.2 锯切力学模型的建立48-54
• 4.1.2.1 运动参数的计算49-50
• 4.1.2.2 铝金属在锯切过程中的塑性变形分析50-51
• 4.1.2.3 锯切功率及锯切力的分析与计算51-54
• 4.2 锯片的力学模拟分析54-64
• 4.2.1 有限元技术简介及其发展54-55
• 4.2.2 ANSYS软件简介55-56
• 4.2.3 锯片的静力学分析56-57
• 4.2.4 参照对象的选取57-59
• 4.2.5 试验结果及分析59-64
• 4.3 本章小结64-66
• 第5章 试验台的搭建及锯片样本的制备66-78
• 5.1 试验台搭建的背景66-69
• 5.1.1 试验台搭建的技术要求66-67
• 5.1.2 试验台介绍及搭建过程67-69
• 5.2 试验台的重要仪器及设备69-75
• 5.2.1 数据的采集设备69-73
• 5.2.2 试验台的动力设备及其变速设备73-75
• 5.3 圆锯片试样的制备75-76
• 5.4 本章小结76-78
• 第6章 圆锯片锯切试验78-98
• 6.1 试验设备及方法78
• 6.2 锯片的对比锯切试验78-81
• 6.2.1 试验因素78-79
• 6.2.2 试验方案及安排79-80
• 6.2.3 试验指标80-81
• 6.3 试验结果及分析81-96
• 6.3.1 锯切过程及分析81-84
• 6.3.2 试验结果的对比及分析84-93
• 6.3.3 铝管锯切断口分析93-96
• 6.4 本章小结96-98
• 第7章 结论与展望98-102
• 7.1 主要结论98-99
• 7.2 展望99-102
• 参考文献102-110
• 攻读硕士学位期间发表论文及参与科研项目情况110-112
• 导师及作者简介112-114
• 致谢114

【参考文献】

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本文编号：282069