带锯床切割技术发展和研究现状

带锯床切割技术发展和研究现状带锯切割技术在众多切割技术中多才多艺，如木材切割，铝板切割，铸铁切割，管材切割，陶瓷和复合材料切割等，因此成了众多企业发展的目标。带锯切割已从简单的立式两轮机床发展到具有复杂刀具系统的众多类型。现在可应用的有，两轮、三轮和四轮的机床，还出现了形切、立式、卧式、倾斜式、角度、切断、摩擦等多种命名形式。一些制造商根据材料从轻载-中载-重载切割提供了立式/卧式结合的带锯机床。由于锯切速度快，锯口消耗少，加工精度高，锯切直径大，立即风靡全球。1.带锯床产业发展现状中国带锯床产业起步较晚，改革开放以后才逐步有企业(如湖南机床厂)进入带锯床行业。20世纪80年代开始，当时正处于较先进的带锯床替代相对落后的弓锯技术变革期，出现带锯床供不应求的局面，许多中小企业敏锐的抓住这个机遇，纷纷进入带锯床行业。依托于中国良好的经济发展环境，我国锯切工业发展迅猛，产量从1985年的81台增加到1990年的2000台。根据《中国机床工具工业年鉴(2009)》对国内24家锯床生产企业的统计，2008年我国带锯床产量为32600台，年复合增长率为16.8%，考虑到规模以下的许多企业未统计，实际年复合增长率更大。全球带锯床制造商，根据整体水平分为三个集团：排在第一集团的是世界一流的带锯床制造商，主要有德国、日本、意大利等传统制造业强国的制造商。如德国摩森纳公司（AugustMoessnerGmbH+Co.KG）创建于1898年，坐落在斯图加特以东30公里的小镇埃沙赫（Eschache）,是德国著名的精密锯床制造厂。德国贝灵格公司由奥古斯特·贝灵格创建于1919年，最初只是个机械修理厂。二战后建起了铸造车间，并开始生产锯床。时至今日，公司生产仍涵盖从原料到整机的全部过程。品质超群带锯机床是公司的主导产品，采用最新技术设计、制造。第二集团为西班牙、中国台湾等地区的制造商，如台湾合济工业股份有限公司。中国大陆的制造商则被划分到第三集团。这些差距主要体现在产品水平、技术水平、经济规模、经济效益、国际化程度和服务水平等方面。对比中外带锯床制造商总体水平，德国的带锯床处于整个产业的顶端，以制造高端产品为主，其产品具有结构设计合理、制造工艺精良、机床故障率低、精度保持性和使用寿命长等优点，引领世界带锯床的发展。国内厂家总体以中低档产品居多，存在设备返修率高、加工精度和锯切效率低等问题。整体发展现状呈现金字塔形，如图1所示。德国日本西班牙、中国台湾中国大陆产品水平、平均单价机床产量、企业数量图1带锯床国际市场地位带锯床在我国机床工具行业中属于小的分支，有生产企业30家以上。近2-3年高速带锯床受到市场需求的影响，有些厂家开始仿制进口锯床，处于起步阶段。但由于受高速的影响，机床结构、部件和安全因素都要突破原有技术的约束，而且高速带锯越来越多的被应用在大批量高效率加工上，因此设备的稳定性、精度、操作方式和自动化控制的要求比传统带锯床更高，对一些以价格拼市场的企业很难适应这些要求。主要具有以下特征：(1)技术研发能力薄弱。我国带锯床与其他门类机床相比，发展历史较短，技术研发能力普遍薄弱，技术水平低下，主要表现在锯床精度保持性、故障率和使用寿命等性能指标。(2)加工制造装备落后。国外普遍使用先进的数控机床加工零件，采用先进的仪器设备进行带锯床的试验和检测。我国锯床生产规模大、但加工水平低。(3)社会化服务体系缺失。大而全、小而全的企业内部非核心生产部分尚未剥离进入社会服务体系，造成专业化生产水平低。社会化的生产性服务体系滞后，影响了产业集群和工业经济的发展。发达国家和中国台湾地区专业化分工配套体系和社会化服务体系非常发达，成为机床产业持续发展的有力支撑。近几年来，随着社会和经济的飞速发展，我国的切割技术装备产业取得了显著成就,已经具备了一定的技术水平和较大的生产规模。值得注意的是，高速带锯床应用将带锯切割加工技术带到了发展到前所未有的水平，并从传统的金属材料切割扩大到高分子材料、复合材料和晶体材料等多种材料加工。数控技术、CAD/CAM转化、光电技术、激光测量技术、机器人和最新的通讯技术的综合应用将带锯床的切割加工具备现代机床的所有特征，5轴联动铝合金厚板轮廓切割中心成为大型飞机制造不可缺少的装备。高速带锯切割技术以其高效、高速、低成本、环保、节能和高精等特点在快速切割技术领域中保持了迅猛的发展势头。2.带锯床发展趋势随着锯切加工由下料为主逐步向精细加工转变，对带锯床的设计技术与制造水平提出了更高的要求，带锯床逐渐向高端产品发展。国际高端带锯床的发展趋势主要表现在以下几个方面：(1)锯切精度进一步提高。采用先进的变频电机驱动，精密滚珠丝杠传动和激光定位方式，配以伺服控制系统，由计算机自动再建监控带锯床锯切全过程，锯条速度、进给速度、夹紧力均可做到任意设置和优化组合，从而保证带锯床的加工精度。目前，100mm切割高度的误差为0.1mm，预计可以进一步提高。(2)锯切加工高效化。提高锯切效率，尤其是提高厚材及硬金属的锯切效率，避免锯切成为整个生产线的瓶颈，一直是锯切技术领域的关注焦点。德国MOESSNER切割铸铝件，锯切速度可达3000m/min，锯切效率可达4000cm2/min，从而大大提高生产效率，改善了锯切锯切加工的经济性。(3)锯切能力的扩大化。目前德国MOESSNER的大型立式和卧式带锯床可锯切2.7m*0.8m*11m的实心方材。(4)数控化。大型工件切割过程往往需要数小时，为保证一人多机的生产条件，提高锯切加工精度和加工效率，锯切过程数控化势在必行。(5)远程诊断和维护。远程诊断和维护是全球经济化的结果，带锯床可以提供跨国跨地区迅捷的设备维护。德国MOESSNER锯切生产线加工时可与其技术中心联机，由技术专家对设备进行远程诊断和维护。3.带锯床锯切技术发展现状3.1带锯床锯切技术关键问题及发展现状对比国内外带锯床指标的对比，可以发现：(1)在锯切尺度范围上，国内带锯床基本上和国际水平接近，可生产出锯切直径为3m的大型带锯床。(2)在锯切速度上，德国MOESSNER带锯床采用了喷雾润滑的方式，使加工材料快速冷却，从而大幅度提高了锯切速度，最高切削速度可达3000m/min以上。(3)在锯切效率上，以德国MOESSNER为首的国外带锯床已具备锯切高强度、高硬度材料的能力，针对高密度、高强度和高硬度材料，在20世纪90年代MOESSNER便推出高速精密立式带锯床，控制系统可采用数字控制或PLC控制，使几乎所有材料从传统上的慢速切割实现高速或超高速切割。其加工试验表明，在切割铝合金材料时，切割效率可达4000cm2/min，约是传统1200cm2/min的3.3倍；在切割硬实铬锰材料时，切割率高达500cm2/min，约是传统77cm2/min的锯切效率的6.5倍。2011年日本的Amada公司开发了用于高速切割的脉冲切割技术，德国的KASTO公司也提出了高效锯切技术。(4)在锯切精度上，为了保证高的加工精度，国外锯床不仅配备了先进的变频大马力电动机驱动、精密滚珠丝杠传动和激光定位方式，并配以伺服控制系统，由主控系统自动在线监控带锯床锯切全过程，锯带速度、进给速度、夹紧力均可做到任意设置、最优组合，从而从细节入手加以优化设计。目前国内不少企业带锯床设计仍然处于模仿阶段，产品设计过程中没有考虑质量的可靠性。为了达到性能要求，普遍存在设计过于冗余，产品结构没有得到优化，从而造成了材料的浪费，产品成本偏高。由于设计过程中缺少对结构的动态性能和强度进行分析，产品的工作性能和参数无法预测，导致使用过程中发生故障概率较大。国内带锯床产品与国外同类产品存在较大差距，其主要原因是国内带锯床产业缺乏系统、先进的带锯床设计理论与方法，影响带锯床设计质量的如干问题有待解决。3.1.1锯切机理和锯切力计算模型的研究为完成各种材料的锯切，尤其是难加工材料的高速锯切，研究材料切削锯带的锯切机理是至关重要的。通常锯切材料可以分为高强度低速锯切材料(如合金钢、钛合金等)、硬脆高速锯切材料(如硅晶体、蓝宝石等)、复合材料和高强度高速锯切材料(如铝合金等材料)。针对不同的锯料，通常选用不同的锯带和不同锯切工艺，如高强度低速锯切材料其锯切速度在30-90m/min，而高强度高速锯切材料其切割速度则可高达3000m/min。因此，材料的锯切机理存在明显不同。对于高强度低速锯切材料，如高合金钢和钛合金的强度都很高(其抗拉强度σb可达1000MPa以上)。如此高强度的材料锯切力很大，比锯切45钢(正火)高出30%以上。锯切过程中，塑性变形大，使锯切力大大增加；同时出现加工硬化现象，是热强度提高，进一步增大了锯切抗力。另外，钛合金、不锈钢和高温合金的导热系数小，导热性差，仅为45钢的四分之一，造成切削热不易散发。在加工过程中产生较大的热应力，还会引发加工粘结现象。因此研究快速带走加工过程行程的切削热，使加工材料快速冷却，对于大幅度提高锯切速度是技术难点之一。相比之下，高强度高速锯切材料，如铝合金材料，其具有导热系数高，易于高速锯切等优点。其锯切机理与高强度低速锯切完全不同。对于硬脆材料，如硅片材料，由于材料在切割过程中极易破损，切割时要求进行小进给量的高速锯切，通常线速度可高达30m/s。锯切过程中，使用金刚石磨料锯锯带进行切割，切割刀具为金刚石颗粒的多刃微切削，同时专用冷却液带走切削热，实现精密高速切削，达到较好的表面光洁度。带锯生产影响最主要的因素是带锯振动，而锯带本身所受的应力状态对于其振动和稳定性最为重要。锯带的应力主要由下列部分组成：弯曲应力σB，离心力σC，张紧力σT，切割力和热应力。这里我们看到，弯曲应力是周期性的，且幅值很大，他们是引起带锯疲劳失效的主要原因。最大弯曲应力近似和带厚与带径之比（h/D）成正比，因此使用大直径带轮和薄锯带会减小锯带的弯曲应力。图2带锯示意图为了获得最大切削性能且不引起锯带的疲劳和断裂问题，引入适当的预紧力或张紧力是十分重要的。精确的张紧力测试是十分困难的，随着传感器技术的发展，这一技术也有了新的进展。张紧导致了锯带产生了一个横向变形，这个变形和残余应力分布密切相关。Aoyama等人总结变形主要依赖于锯带的几何形状、辊子的数目和位置、辊子的几何形状和压力。即使两侧锯带的横向变形相似，但是它们对应的应力分布却可能是不同的。因此lightgap技术不能给出一个精确的残余应力评价。另外，张紧力可以抵消一部分热效应，并且防止锯带脱离带轮。锯带和工件在振动过程中相互作用以摩擦的形式加热了锯带，在将近250℃时，蓝点和蓝斑会出现。带轮倾斜被常用来解决硬木锯切时遇到的这个问题。锯带应力对于研究带锯寿命十分重要，也能解释锯带在仿真中不同参数下动态行为。引起带锯疲劳寿命降低主要有三个原因：带的张紧力，带轮周边的弯曲和带轮和切削带之间的扭转。这里可以给出一个简单的公式来计算在带轮上由张力和弯曲引起的应力，这个公式是基于梁模型计算所得的：𝜎T=𝑇𝑒𝑏,𝜎F=𝐸𝑒2𝑅𝑣+𝑒≈𝐸𝑒2𝑅𝑣(1)当然，对于弯曲应力σF的值是最大应力，在锯带上表面是正的(拉应力)，和带轮接触的表面是负值(压应力)。如果是板模型，弯曲应力也可以给出：𝜎F=𝐸𝑒(2𝑅𝑣+𝑒)(1−𝜗2)(2)锯带的扭转仍然没有深入的研究，它可能和大变形壳的扭转相关。由此产生的应力可能是纵向的，也可能是横向的或剪切应力。离心效应产生了一个附加的纵向应力，它不均匀的进入了锯带的横截面，可由下式计算：𝜎v=𝜂𝜌𝑉𝑐2(3)注意这个应力值通常比张紧力小。其他原因的应力也存在，但是他们的效果通常被假设是比较小的，没有被彻底地研究：带轮倾斜，带轮表面形状，带材料热效应，切削力。到目前为止，针对不同锯料的锯切机理研究有待深化。为开发高端带锯床，需要比较准确地计算出锯切力，而目前国内带锯床行业尚未详细研究锯带在锯切过程中的锯切机理，也未建立合理的锯切数学模型，缺乏锯料锯切力的测试数据。带锯床的核心功能是锯切工件，因此锯切功能模块的设计是带锯床设计的核心内容。科学揭示锯