木材加工超薄圆锯片基体结构对其稳定性的影响

admin

曹华楠， 孟令鑫， 时君友， 温明宇， 李传信

【作者机构】        北华大学材料科学与工程学院； 吉林市泗洋超硬工具有限公司
【来    源】        《林产工业》 2024年第4期 P35-41
【分 类 号】        TS6;TS396
【分类导航】        工业技术->轻工业、手工业->木材加工工业、家具制造工业;工业技术->轻工业、手工业->制盐工业->盐业副产品加工及利用
【基    金】        国家级大学生创新创业训练计划项目（202110201041） 吉林省科学技术厅重点研发项目（20230202095NC）

摘 要：木材加工超薄圆锯片的稳定性是影响锯切质量的重要因素之一，圆锯片的稳定性会随着锯身厚度的减小而降低。在切削木材过程中产生大量切削热会使锯身发生热形变，进而导致锯片稳定性降低。提高圆锯片切削稳定性传统的方法主要在生产工艺上通过对锯身施加预应力，抵消切削热对锯身形变的影响。本文通过改变锯身的基体结构，对不同基体材料的木工圆锯片进行基体几何处理，使其能够在切削木材过程中抵消热应力，从而提高切削稳定性。

关键词：木工圆锯片； 超薄圆锯片； 基体结构； 稳定性； 抗形变能力

[size=1em]木工刀具种类多样，有刨刀、铣刀、钻头、圆锯片等。其中，木工圆锯片的应用最为广泛，在所有木工设备中占比30%～40%[1]。木工圆锯片在切削木材时最大的问题是切削稳定性不足，可能导致夹锯、糊锯等现象[2-4]，同时使得被加工木材的切口不平整，影响其使用。若更换锯片，将会大大降低生产效率。因此，提高木工圆锯片的切削稳定性是解决上述问题的关键[5-6]。提高切削稳定性的方法有很多，如高质量磨削、特殊镶嵌技术、合理设计齿形以及改变锯片基体结构[7]。而改变锯片的基体结构可以与锯身切割同时进行，作为生产锯片工艺的第一步，加工简单便捷，不需要单独的切割设备。

[size=1em]本文主要通过改变锯片的基体结构来提高木工圆锯片的切削稳定性。

[size=1em]市面上常规锯片的基体结构主要有4 种设计，分别为在锯身边缘开热膨胀槽a、在锯身基体上加工6 个圆形b、在锯身基体上开热膨胀短线c和热膨胀长线d[5]，如图1 所示。

[size=0.8em]图1 常见的4 种锯片基体结构
Fig.1 Four common saw blade substrate configurations

[size=1em]在切削木材的过程中，木工圆锯片外缘与夹盘附近温度差会进一步增大，热应力在圆锯片外缘产生的切向压应力也会继续增大。当超过离心应力时，在锯片外缘会产生切向拉应力，使圆锯片外缘总的切向应力呈现压应力的状态[8]，导致锯片外缘在很小的横向力作用下产生压曲变形而失稳，从而造成锯切精度和加工表面质量降低，锯路损失增大，切削发热进一步加剧，锯片稳定性变差，使用寿命缩短。而且，随着木工圆锯片厚度的减少，其不稳定性更加突出，给超薄木工圆锯片的制造、使用与维护带来困难[9]。目前，普遍采用的改善办法是对木工圆锯片进行适张处理[10]，即通过机械或物理手段，使锯片局部区域产生一定程度的塑性变形，进而在锯片内部引入大小适当、分布合理的预应力场，以补偿木工圆锯片在切削过程中产生的切削热应力，从而达到提高锯片稳定性和锯切质量的目的。精确、高效地生成与调控圆锯片适张后内部的预应力场是适张工艺的关键所在[11]。

[size=1em]有研究表明，通过对圆锯片主体表面进行几何图形加工设计，可以消除加工产生的应力。结合先进的自动化控制与检测手段也可以提高超薄圆锯片的适张工艺精度，达到增加刀具稳定性目的[12]。鉴于此，本文对超薄圆锯片进行锯片基体结构改进处理，并通过实验室和生产实际中的木材加工切削过程来验证其合理性[13]，以期为提高超薄圆锯片的稳定性提供新方法。

1 材料与方法1.1 试验材料

[size=1em]木工圆锯片的材料种类多样。其中，锯身最为常用的材料有以下3类：75Cr1工具钢，SKS5模具钢，80CrV2钢。刃口材料以硬质合金为主，此外还有高速钢和金刚石。

1.2 试验方法

[size=1em]影响木工圆锯片切削稳定性的因素不仅与锯身和刀刃的材质有关，还与锯片的加工工艺有关[14-15]。

[size=1em]目前，测试锯片切削稳定性的方法主要有3 种，分别是静态端向跳动检测、动态端向跳动检测和抗热形变能力检测[16]。通过对锯身平整度进行检测，使锯片旋转，加热的同时施加外力等多种条件，模拟木工圆锯片切削木材的工况。例如，切削木材会产生切削热，遇到木节就相当于遇到外力，会对锯身造成冲击[17]。锯片的稳定性可通过计算的处理，以图像的方式进行展现。图像的波动范围即为锯片左右弯曲形变的范围。图像峰值的间距越小，说明锯片的形变量越小，锯片的稳定性越高。

[size=1em]试验所测试的锯片与基体改良锯片的规格为Ø220 mm×1.4/1.2 mm×65mm×Z32（锯身厚度为1.2 mm，锯路宽度为1.4 mm）。并选择同种规格的蓝帜（德国）锯片、ACTJP（日本）锯片和KANEFUSA（日本）锯片作为对比，如图2 所示。

[size=0.8em]图2 不同品类锯片
Fig.2 Different types of saw blades

[size=1em]锯片稳定性的检测设备如图3 所示，主要包括端向跳动检测装置和抗热应力形变检测装置。

[size=0.8em]图3 2 种检测设备
Fig.3 Two types of testing equipment

[size=1em]1.2.1 锯片与锯身材料

[size=1em]75Cr1 工具钢的组成成分为：C：0.2%～0.78%；Si：0.25%～0.50%；Mn：0.5%～0.8%；Cr：0.3%～0.4%；P≤0.035%；S≤0.035%。

[size=1em]因工作时承受很大的径向和轴向应力，需要锯片具有较高的弹性极限、刚度、疲劳强度、硬度和回火稳定性。因此，对钢质纯净度、成分偏析控制、金相组织和耐高温变形性能要求较高。然而其韧性相对较差，在加工过程中容易产生裂纹。75Cr1 工具钢比冷作模具钢的含碳量高，硬度和耐磨性均有所提高[18]，且合金元素也能增加淬透性。热处理温度为720 °C，退火后硬度为200 HBS。

[size=1em]SKS5 模具钢的组成成分为：C：0.75%～0.85%；Si≤0.35%；Mn≤0.50%；Cr≤0.20%～0.50%；V：0.10%～0.25%。

[size=1em]该钢硬度高、耐磨性好。淬火温度为750～800 °C，水冷、水油双液冷却或碱浴冷却，硬度达45 HRC。然而其韧性相对较差，在加工过程中容易产生裂纹。

[size=1em]80CrV2 钢的组成成分为：C：0.75%～0.85%；Si：0.15%～0.35%；Mn：0.3%～0.5%；Ni≤0.4%；P≤0.025%；S≤0.025%；Cr：0.4%～0.6%；Mo≤0.1%。

[size=1em]80CrV2 的成分与美国ASTM1084 高碳碳素结构钢相似，但合金元素较少，加入了少量铬和钒，属于通用碳钢，具有良好的可加工性和抛光性，其硬度为56～58 HRC，韧性较高，耐磨性与O1 钢相当。

[size=1em]1.2.2 静态端向跳动检测

[size=1em]将待检测的锯片固定在检测设备的卡轴上，锯片的侧面，垂直锯身的方向是跳动检测仪器，该仪器的传感器与锯身接触，可以对任何锯片的跳动做出反馈，并转化为曲线。接通电源，卡轴旋转并带动锯片旋转，此时锯片由于旋转所产生的跳动数据会通过传感器在跳动监测仪的显示器上以曲线的形式表现出来，曲线坐标横向为时间，单位2 min，纵向坐标为跳动幅度，单位为0.05 mm。

[size=1em]1.2.3 动态端向跳动检测

[size=1em]在静态端向跳动检测基础上，通过电磁加热方式对锯片进行加热，与锯片不发生接触。在跳动检测仪所显示的曲线上，平行于横坐标的红色曲线为在该时间区间内为锯片处于加热状态。

[size=1em]1.2.4 抗热形变能力检测

[size=1em]将锯片固定在抗热形变检测仪上，在锯片的侧面，垂直锯片方向上是传感器，与锯身接触，并且能够将锯片的形变幅度读出。此时对锯片施加外力，记录室温下锯片受外力的形变量，加热锯片至恒温，再次记录锯片受热时的外力形变量，用后者数据减去前者，即为抗热形变量，单位是mm。

2 结果与分析2.1 不同基体结构锯片静态端向跳动检测变化分析

[size=1em]图4所示为基体改良锯片、基础锯片，蓝帜（德国）锯片和ACTJP（日本）、 KANEFUSA（日本）锯片在相同测试条件下的静态端向跳动检测曲线。由图可见，无论是蓝帜锯片，还是KANEFUSA锯片，其曲线波动范围均较小，说明锯片的平整度高，在受到外力冲击时能保持较小的摆动继续工作。

[size=0.8em]图4 静态跳动检测图
Fig.4 Static end-hop detection diagram

[size=1em]锯片在高速旋转切削时发生抖动可能产生的问题[19]：

[size=1em]1）切割品质下降。锯片抖动在木材上留下不平整切口，破坏工件的外观和精度[20]。

[size=1em]2）锯片磨损加剧。锯片切削木材时发生抖动，其刀刃与木材摩擦更易产生磨损，从而导致频繁的更换或刃磨[21]。

[size=1em]3）安全隐患增加。抖动的锯片易被木屑或木材夹住，发生的扭转或间歇性地被抛出会对使用者造成伤害[22]。

[size=1em]由表1可知，在相同测试条件下，基体改良锯片的静态端向跳动检测曲线波动小于基础锯片。同时，德国蓝帜锯片和两款日本锯片在静态受力条件下的稳定性高于基体改良锯片，四个中心对称的等边圆弧三角形有利于抵抗外部压力。

[size=0.8em]表1 静态端向跳动变化范围平均值
Tab.1 Static end-to-end runout variation range average

[size=1em]对比数据可知，基体改良锯片的静态端向跳动范围小于基础版，说明该种基体结构对于外力有一定的抵抗作用，而和国外的锯片相比，还有不少差距。

2.2 不同基体结构锯片动态端向跳动检测变化分析

[size=1em]如图5所示，在上一测试条件下对锯片进行加热，改良后的锯片曲线波动和基础版锯片、KANEFUSA锯片相当。可见基体改良版锯片的热稳定性已达到较高水平。基体上3个等边圆弧三角形在抵抗热应力上发挥了作用，使整体锯片稳定性提高。

[size=0.8em]图5 动态跳动检测图
Fig.5 Dynamic beating detection chart

[size=1em]锯片在高速旋转切削时温度过高可能产生的问题：

[size=1em]1）切削效率下降：当木工圆锯片过热时，木材中的树脂和油脂可能会软化，造成夹锯现象，导致切削效果不佳[23]。锯片过热还会导致木材烧焦或炭化，使切削变得困难。

[size=1em]2）锯片磨损加剧：高温会导致锯片的刃口变钝，金属在高温下容易软化和变形。这将导致锯片的寿命缩短，需要更频繁地更换锯片。

[size=1em]3）锯片变形：锯片在高温下热膨胀，这将导致锯片变形或弯曲[24]。如果锯片变形，锯路将发生偏移，导致切削不准确。

[size=1em]4）安全风险增加：圆锯片过热可能会引发木屑或木材的火灾风险[25]。木材燃烧时会释放有毒烟雾和气体，对工人的健康构成威胁。

[size=1em]由表2可知，在相同测试条件下，基体改良版锯片的动态跳动范围略高于基础锯片，过高温度下的切削对基体改良版锯片有一定影响，而德国和日本锯片的跳动范围较小，相对稳定。

[size=0.8em]表2 动态端向跳动变化范围平均值
Tab.2 Average of dynamic end-to-end runout variation range

2.3 不同基体结构锯片抗热形变能力检测变化分析

[size=1em]如表3所示，基体改良版的热形变量略小于基础版，且图6中其曲线的最高峰和最低峰差距略小。由此可见，改变锯片的基体结构可以消除部分锯片受热所产生的内部应力，但是基体改良锯片在加热状态受到外力的形变量比基础版的大得多，原因在于锯片的基体材料减少，强度相应减小，因此受到外力的形变量增大。如何通过改变锯片的基体结构，使其热形变量减小，同时减小外力形变量，是未来改进的方向[26]。

[size=0.8em]表3 热形变量平均值
Tab.3 Average values of heating form variables

[size=0.8em]图6 热形变跳动检测图
Fig.6 Thermal deformation runout test chart

[size=1em]如表4所示，改良锯片由于基体切割掉四个中心对称的等边圆弧三角形，锯片的整体强度略有下降，锯片在受横向的外部压力时会发生较大的形变，但韧性有所提升，弹性回复率较大。在不施加外力的情况下，其内部的热形变量和基础版锯片对比有所减少，正是因为新型结构能够抵抗热应变所带来的内部张力，即便在未作适张度处理的前提下，依旧有着不错的表现。

[size=0.8em]表4 高温外力形变量和冷却回弹量
Tab.4 Hightemperature external deformationvariables and cooling rebound

[size=1em]通过对比上述数据可以看出，德国和日本在木工圆锯片领域的技术水平远远领先国内，我国木工圆锯片研究还需突破技术壁垒，不断提高其稳定性。

3 结论

[size=1em]对基础版和基体改良版锯片进行了以下3种方法的检测：

[size=1em]1）静态端向跳动检测：对锯片的一侧施加垂直压力，模拟锯片在锯切过程中侧面受到撞击的过程，然后通过传感器得到锯身的形变曲线。曲线波动越小，说明锯片在锯切过程中越稳定。得到各种锯片的静态端跳平均值。基体改良版：0.133 3 mm、基础版：0.222 3 mm、蓝帜（德国）：0.100 0 mm、ACTJP（日本）：0.095 0 mm、KANEFUSA（日本）：0.135 0 mm。

[size=1em]2）动态端向跳动检测：在静态端向跳动检测的基础上进行动态端向跳动检测，对锯片进行加热，模拟在真实切削过程中产生的切削热，同时对锯片施加外力，得到动态端向跳动曲线。曲线波动越小，说明锯片在锯切过程中越稳定。得到各种锯片动态端跳平均值。基体改良版：0.196 5 mm、基础版：0.175 0 mm、蓝帜（德国）：0.065 0mm、ACTJP （日本）：0.165 0 mm、KANEFUSA（日本）：0.085 0 mm。

[size=1em]3）抗热形变能力检测：对锯片施加外部压力，再对锯片基体进行加热，通过传感器得到锯片微弱形变量，以此探究锯片的抗热形变能力。得到锯片的冷却回弹量平均值。基体改良版：3.708 0 mm、基础版：1.644 0 mm、蓝帜（德国）：1.332 0 mm、ACTJP（日本）：3.024 0 mm、KANEFUSA（日本）：1.166 0 mm。

[size=1em]并将其与德国和日本产的锯片进行对比，得出以下结论：

[size=1em]1）通过改变木工圆锯片的基体结构，能够增加其热稳定性，尤其四个中心对称的等边圆弧三角形结构的基体设计，可显著抵消木工圆锯片的热应力变化，降低切削热对锯片的影响。

[size=1em]2）新型基体结构使得木工圆锯片具有更好的抵抗外力形变的能力，其静态端向跳动明显减小，但和德国蓝帜锯片相比还存在不小差距。

[size=1em]3）由于基体结构材料减少，导致锯片整体的强度下降，韧性有所提高，因此在辊压和高温处理适张度前，就应对锯身基体结构做出改变，使其内部应力达到理想状态，从而最大程度保证锯片的强度。

[size=1em]4）我国木工圆锯片的生产技术与德国、日本相比还有不小的差距，尤其是超薄锯片，降低锯身厚度并且保持其稳定性是未来的研究重点，可从改变锯身的基体结构方面进行探究。

[size=1em]参考文献

[size=1em][1] 张震宇,王雨,李露霏.浅析“双碳”背景下我国木材加工产业发展趋势[J].森林防火,2022,40(02):90-92.

[size=1em][2] 李文强,李杰,王兴军,等.澳大利亚与新西兰结构用单板层积材标准要求解读[J].森林防火,2023,41(04):161-167.

[size=1em][3] 郑雨薇,丁凡倬,张继晓.基于矛盾解决原理的资源节约型产品设计方法研究[J].家具与室内装饰,2022,29(10):38-45.

[size=1em][4] 翁宜汐,张孙晨,袁海洋.持续性视角下“以竹代塑”产品设计方法探议[J].家具与室内装饰,2023,30(03):56-62.

[size=1em][5] 王韵璐,曹瑜,李敏敏,等.圆锯片的压痕应变法残余应力测试与分析[J].林产工业,2017,44(02):25-29.

[size=1em][6] 郑祎峰,王世伟.人造板在现代家具设计与制造中的应用趋势[J].林产工业,2021,58(09):91-93.

[size=1em][7] 刘书龙.木工圆锯片的适张度及其控制[J].林业机械与木工设备,2009,37(10):53-55.

[size=1em][8] 耿德旭,张大卫,徐燕申,等.应用适张度处理圆锯片提高锯切稳定性[J].吉林大学学报(工学版),2003(01):69-72.

[size=1em][9] 周富强.超薄硬质合金圆锯片在木材加工中的应用[J].南方农机,2015,46(05):35-36.

[size=1em][10] 张先菊,胡帅,赵荐伟,等.国产75Cr1锯片钢热处理工艺研究[J].热加工工艺,2021,50(08):124-126+9.

[size=1em][11] 李丽萍,卓丽云,王君超.工艺参数对圆锯片动态稳定性影响研究[J].制造技术与机床,2022(10):157-163.

[size=1em][12] 王芳,耿冰,王国富,等.木构件锯切功率的影响因素试验研究[J].林产工业,2023,60(10):24-27+63.

[size=1em][13] 林宏杰.圆锯片热变形的研究(一)——盘状薄圆锯片的热压曲现象——[J].木工机床,1992(04):9-17.

[size=1em][14] 李运海.锯片张力检测方式和参数对锯片张力的影响[J].超硬材料工程,2023,35(05):37-41.

[size=1em][15] 董绍明.高性能锯片基材的热处理工艺和组织性能研究[D].石家庄:河北科技大学,2022.

[size=1em][16] 赵磊,胡欢,孙爽.基于有限元理论分析掏孔对金刚石圆锯片刚度的影响[J].石材,2020(07):22-24+46.

[size=1em][17] 朱喜达,陆家生,赵勇智,等.冷作模具钢（Cr12MoV）短流程生产工艺实践[J].特殊钢,2023(03):1-4.

[size=1em][18] 井国超,白硕玮,王清,等.圆锯片基体热处理过程清洁生产评价方法及应用[J].青岛大学学报(自然科学版),2023,36(03):70-75.

[size=1em][19] 邹芹,张呈祥,李艳国,等.超薄切割片的加工变形研究现状[J].金刚石与磨料磨具工程,2022,42(01):119-128.

[size=1em][20] 刘震,尹育航,敬臣,等.磨粒有序分布对金刚石锯片切割性能的影响[J].材料导报,2023,37(08):38-42.

[size=1em][21] 柯建军,张明松,朱普先,等.辊压方式对圆锯片稳定性的影响[J].三峡大学学报(自然科学版),2014,36(01):78-82.

[size=1em][22] 王芳,耿冰,王国富,等.木构件锯切功率的影响因素试验研究[J].林产工业,2023,60(10):24-27+63.

[size=1em][23] 毛雅梅,黑鸿君,高洁,等.钎焊金刚石研究进展及其工具的应用[J].机械工程学报,2022,58(04):80-93.

[size=1em][24] 姜帅.基于深度学习的金刚石锯片裂纹检测方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2020.

[size=1em][25] 田永军,徐国胜,张翔宇,等.多约束条件下金刚石圆锯片结构优化研究[J].振动与冲击,2020,39(07):260-267.

[size=1em][26] 田永军,孙爽,张翔宇,等.金刚石圆锯片振动与噪声机理及其减振降噪技术研究综述[J].机械设计,2020,37(03):1-13.

[size=1.8em]The Influence of Woodworking Circular Saw Blade Substrate Structure on Stability

[size=1em]CAO Hua-nan1 MENG Ling-xin1 SHI Jun-you1 WEN Ming-yu1 LI Chuan-xin1,2

[size=1em](1.School of Materials Science and Engineering, Beihua University, Jilin 132013, Jilin, P.R.China;2.Siyang Super-hard Tools Co., Ltd., Jilin 132013, Jilin, P.R.China )

[size=1em]Abstract:The stability of the wood processing ultra-thin circular saw blade is one of the important factors affecting the quality of sawing, the stability of the circular saw blade will be reduced with the reduction of the thickness of the saw body.In the process of cutting wood to generate a lot of cutting heat will make the saw body thermal deformation, which leads to the reduction of saw blade stability.The traditional method to improve the cutting stability of circular saw blades is mainly in the production process by applying pre-stress to the saw body to offset the effect of cutting heat on the deformation of the saw body.In this paper, by changing the substrate structure of the saw body, different substrate materials of woodworking circular saw blade substrate geometry processing, so that it can offset the thermal stress in the process of cutting wood, so as to improve the cutting stability.

[size=1em]Key words: Woodworking circular saw blades; Ultra-thin circular saw blades; Substrate structure; Stability;Deformation resistance

[size=1em]中图分类号：TS6；TS396

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：1001-5299(2024)04-0035-07

[size=1em]DOI:10.19531/j.issn1001-5299.202404006

[size=1em]基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（202110201041）；吉林省科学技术厅重点研发项目（20230202095NC）

[size=1em]作者简介：曹华楠，男，研究方向为木工机械，E-mail: 202556458@qq.com

[size=1em]*通讯作者：温明宇，女，副教授，研究方向为木材功能性改良E-mail: jlwenmingyu@163.com；李传信，男，教授，研究方向为木质材料切削理论及刀具应用技术，E-mail: lichuanxin@yeah.net