本文關鍵詞：金屬鋸切圓鋸片的仿生設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在日常生產和生活中,金屬材料的加工、處理需要切割、截斷等機械切割過程。在眾多切割方法中,機械切割因其高適應性、低成本和高效率等優(yōu)點在金屬工業(yè)中扮演者重要的角色。作為機械切割方式之一的圓鋸片切割,因工作效率高、原料浪費少以及二次加工量少等優(yōu)勢被廣泛應用于包括鋁金屬工業(yè)在內的諸多領域。然而傳統(tǒng)鋸片的鋸切過程通常是通過鋸片的邊旋轉、邊移動,對切割對象逐次沖擊,產生沖擊破裂,同時在刀頭周圍部分連續(xù)進行壓縮破裂和切割,但是切割效率并不高,而且鋸切阻力較大,鋸齒部分容易產生裂紋、斷裂和磨損。仿生學是一門新興的交叉學科,在解決切割刀具常見的摩擦磨損、切割效率、能耗等問題時,為研究人員提供了全新的研究思路和有效的研究方法。獾也稱為狗獾、歐亞獾,其牙齒極其鋒利、堅硬,甚至能夠咬斷軍用鐵鍬。本文以獾的犬齒為研究對象,通過對其牙齒結構特性和力學特性的研究,找出其犬齒鋒利、堅硬及高效刺穿的機理,并用于鋸片的仿生設計中,以提高金屬鋸切圓鋸片的鋸片效率、減小鋸切阻力。首先,通過對獾犬齒的微觀結構、力學性能及組成成分進行測試分析,發(fā)現(xiàn)獾犬齒良好的力學性能與其獨特的外形結構有一定關系;利用逆向工程技術對獾牙齒進行三維實體模型重構,通過對犬齒結構及刺穿機理分析,將其特征曲線分為刺入段、切割段及滑動段。用最小二乘法對三段曲線進行擬合,得到曲線方程,并用于圓鋸片的設計中,得到仿生鋸片A,且設計仿生鋸片B和仿生鋸片C作為仿生對照組。其次,建立鋸片的鋸切力學模型,對其鋸切過程進行分析,求鋸片鋸切時的理論鋸切力;通過對直徑為D=180mm鋸片鋸切直徑為d=30mm鋁棒時的力能參數(shù)計算,得到鋸片的鋸切功率N=0.728KW,切向鋸切力Ft=406.57N,徑向鋸切力Fr=100N,為靜力分析提供載荷條件。根據(jù)載荷條件建立鋸片鋸切的有限元模型,通過靜力分析對仿生鋸片和普通鋸片的力學性能及結構特性進行比較,得到仿生鋸片A在同等受力條件下變形較小,且所產生的應力也很小。最后,選取鋸片轉速、工件的進給速度、鋸片直徑及鋁管直徑作為試驗因素,以鋸切過程中的所產生扭矩和拉力為實驗指標,選用L9(31×23)正交表對仿生鋸片的鋸切力進行正交試驗分析,通過鋸片的實際鋸切試驗來比較所設計的仿生鋸片的優(yōu)劣。經過分析得到,本文所選試驗因素均與鋸切過程中的扭矩和拉力顯著相關;試驗各因素對仿生鋸片鋸切時的扭矩和拉力影響的主次關系為:鋸片轉速工件進給速度鋸片直徑工件直徑。另外,通過仿生鋸片和普通鋸片的單因素比較發(fā)現(xiàn),在相同鋸切條件下,仿生鋸片A相對于狼牙齒形鋸片鋸切時的扭矩降低了18.4%,而相對于鼠牙齒形鋸片降低了6.5%;仿生鋸片A相對于狼牙齒形鋸片鋸切時的拉力降低了約27.7%,相對于鼠牙齒形鋸片降低了約10%,且仿生鋸片A鋸切的切口較為平整,工件切口質量最好。這是因為仿生鋸片A的齒形輪廓采用仿生曲線,在保證鋸齒齒寬的同時,也增大了鋸齒的前角,因此既能保證鋸齒的剛度,使其受力時變形較小,同時也降低了鋸片的鋸切阻力,提高了鋸片的鋸切性能�？傮w而言,本文以提高現(xiàn)有金屬鋸切圓鋸片的鋸切性能、降低鋸切阻力為目標,將仿生設計的理念與技術用于鋸片的設計中,設計出了基于獾犬齒的仿生鋸片,通過試驗驗證了該鋸片具有降低鋸切阻力、提高鋸切質量的效果,為高性能鋸片的設計與推廣提供參考。
【關鍵詞】：仿生鋸片 鋸切力 獾犬齒 仿生設計
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG717
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-20
• 1.1 課題來源12
• 1.2 研究的背景及意義12-14
• 1.3 問題的提出及解決辦法14-15
• 1.4 國內外研究現(xiàn)狀15-18
• 1.4.1 金屬鋸片的研究現(xiàn)狀15-17
• 1.4.2 仿生學的研究與應用現(xiàn)狀17-18
• 1.5 本文研究內容18-20
• 第2章 獾牙齒的力學性能探究20-34
• 2.1 試驗材料的選取與制備20-21
• 2.1.1 試驗材料20
• 2.1.2 試樣制備20-21
• 2.2 試驗過程及方法21-29
• 2.2.1 獾牙齒的機械性能測試21-24
• 2.2.2 獾牙齒微觀結構的測量24-26
• 2.2.3 牙齒的元素及成分分析26-29
• 2.3 討論及分析29-31
• 2.4 本章小結31-34
• 第3章 圓盤鋸的仿生設計34-48
• 3.1 獾牙簡介34
• 3.2 獾犬齒特征曲線的提取34-41
• 3.2.1 3D激光掃描器及逆向工程軟件Geomagic介紹34-35
• 3.2.2 牙齒三維模型的重構及曲線的提取35-41
• 3.3 曲線的擬合與優(yōu)化41-44
• 3.3.1 曲線的分析與選取41-42
• 3.3.2 曲線的擬合與優(yōu)化42-44
• 3.4 鋸片的設計44-45
• 3.5 本章小結45-48
• 第4章 鋸切力的理論計算及鋸片的力學模擬48-66
• 4.1 鋸切力的理論計算48-54
• 4.1.1 鋸片參數(shù)的選擇48
• 4.1.2 鋸切力學模型的建立48-54
• 4.1.2.1 運動參數(shù)的計算49-50
• 4.1.2.2 鋁金屬在鋸切過程中的塑性變形分析50-51
• 4.1.2.3 鋸切功率及鋸切力的分析與計算51-54
• 4.2 鋸片的力學模擬分析54-64
• 4.2.1 有限元技術簡介及其發(fā)展54-55
• 4.2.2 ANSYS軟件簡介55-56
• 4.2.3 鋸片的靜力學分析56-57
• 4.2.4 參照對象的選取57-59
• 4.2.5 試驗結果及分析59-64
• 4.3 本章小結64-66
• 第5章 試驗臺的搭建及鋸片樣本的制備66-78
• 5.1 試驗臺搭建的背景66-69
• 5.1.1 試驗臺搭建的技術要求66-67
• 5.1.2 試驗臺介紹及搭建過程67-69
• 5.2 試驗臺的重要儀器及設備69-75
• 5.2.1 數(shù)據(jù)的采集設備69-73
• 5.2.2 試驗臺的動力設備及其變速設備73-75
• 5.3 圓鋸片試樣的制備75-76
• 5.4 本章小結76-78
• 第6章 圓鋸片鋸切試驗78-98
• 6.1 試驗設備及方法78
• 6.2 鋸片的對比鋸切試驗78-81
• 6.2.1 試驗因素78-79
• 6.2.2 試驗方案及安排79-80
• 6.2.3 試驗指標80-81
• 6.3 試驗結果及分析81-96
• 6.3.1 鋸切過程及分析81-84
• 6.3.2 試驗結果的對比及分析84-93
• 6.3.3 鋁管鋸切斷口分析93-96
• 6.4 本章小結96-98
• 第7章 結論與展望98-102
• 7.1 主要結論98-99
• 7.2 展望99-102
• 參考文獻102-110
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表論文及參與科研項目情況110-112
• 導師及作者簡介112-114
• 致謝114

【參考文獻】

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本文編號：282069