刀片可轉(zhuǎn)位機(jī)卡式硬質(zhì)合金齒圓鋸片的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

張艷龍 黃建平 邵鴻麗 王 林 韓會(huì)杰

(唐山冶金鋸片有限公司 河北唐山063020)

1 引言

硬質(zhì)合金齒圓鋸片在軋鋼企業(yè)、鍛造企業(yè)及機(jī)械加工企業(yè)的定尺切斷、鋼材下料等方面應(yīng)用廣泛，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金齒圓鋸片把合金刀塊直接焊接在鋸片片體外緣切出的齒座上，根據(jù)需要刃磨出相應(yīng)的齒型角度，與各種形式的圓鋸機(jī)配套使用完成鋸切工作。隨著管坯、鋼管、鋼軌以及其他被加工工件的性能越來(lái)越高，焊接式硬質(zhì)合金齒圓鋸片的使用壽命已不能滿足用戶要求，其缺點(diǎn)是將刀塊直接焊接在鋸片片體上，刃口出現(xiàn)磨損或崩刃后需更換刀塊，重復(fù)加熱會(huì)影響片體的剛性、強(qiáng)度、硬度，使片體重復(fù)使用次數(shù)降低;此外，硬質(zhì)合金刀塊的切削能力有限，難以滿足高鋼級(jí)工件的正常鋸切。為了提高鋸片的鋸切能力，一個(gè)比較理想的選擇是對(duì)鋸齒刃口進(jìn)行涂層處理，涂層所具備的高硬度、化學(xué)惰性、低熱擴(kuò)散率及抗循環(huán)疲勞等性能對(duì)延長(zhǎng)鋸片使用壽命具有十分明顯的效果。

為了提高鋸片使用性能、延長(zhǎng)刀塊使用壽命，我們?cè)趥鹘y(tǒng)硬質(zhì)合金齒圓鋸片生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，借鑒各類數(shù)控刀具的結(jié)構(gòu)型式和刀片機(jī)卡式硬質(zhì)合金齒圓鋸片的制造經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了刀片可轉(zhuǎn)位機(jī)卡式硬質(zhì)合金齒圓鋸片。該新型鋸片的特點(diǎn)在于鋸齒刀片采用機(jī)卡方式安裝在鋸片片體的齒座上，通過(guò)在齒座上的兩個(gè)刀片定位面加工出適當(dāng)?shù)慕嵌?，?shí)現(xiàn)鋸齒具有徑向隙角和切向隙角兩個(gè)關(guān)鍵要素;可先將刀片加工出帶有四條可轉(zhuǎn)位的切削刃，做好涂層處理后再裝卡到鋸片片體上，而且在鋸切過(guò)程中當(dāng)部分鋸齒刃口出現(xiàn)損壞時(shí)，可通過(guò)調(diào)整刀片的切削刃位置，實(shí)現(xiàn)鋸齒刀片的多次使用，明顯縮短鋸片的修復(fù)時(shí)間，降低鋸片的鋸切成本，提高鋸片的重復(fù)利用率，延長(zhǎng)鋸片的使用壽命。

這樣，不僅能提高鋸切效率，而且能夠在很大程度上降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少鋸片庫(kù)存，為用戶節(jié)約鋸切成本。

2 鋸片的設(shè)計(jì)

2.1 鋸片的材料選用

2.1.1 鋸片片體材料

刀片可轉(zhuǎn)位機(jī)卡式硬質(zhì)合金齒圓鋸片片體材料選擇75Cr1或8CrV，片體的熱處理硬度為35～37HRC。75Cr1、8CrV為鋸片專用鋼，其成分如表1所示。

表1 片體原材料的化學(xué)成分

2.1.2 鋸片鋸齒刀片材料

刀片材料采用牌號(hào)為P25～P40系列的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的WC晶粒度在0.5μm以下，是普通硬質(zhì)合金WC晶粒度的幾分之一到幾十分之一［1］。晶粒經(jīng)過(guò)細(xì)化后，合金刀片的硬度、耐磨性、抗彎強(qiáng)度和抗崩韌性顯著提高。

2.2 鋸片片體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 帶有斜底面齒座的片體結(jié)構(gòu)

鋸片結(jié)構(gòu)如圖1所示。帶有斜底面的片體齒座如圖2所示。鋸片片體中心孔周圍均勻分布有6個(gè)傳動(dòng)孔，用于鋸片安裝定位，安裝時(shí)使用螺栓固定在鋸機(jī)上。片體經(jīng)過(guò)激光切割加工出帶有中心孔、傳動(dòng)孔及齒座平面的毛坯，經(jīng)熱處理、校平、磨削內(nèi)孔、齒座磨削和片體兩側(cè)面磨削等加工工序，對(duì)端跳、徑跳和平面度等硬性指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、控制，完成片體的初步加工。然后在數(shù)控加工機(jī)床上加工片體的隔齒相同的F、N兩個(gè)定位斜面及帶有與F、N兩個(gè)斜面相垂直的定位斜面M的齒座定位凸臺(tái)，并在片體齒座F斜面上與定位斜面F垂直的方向加工出定位螺紋孔。

圖1 成品鋸片結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 帶有斜底面的片體齒座結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 帶有平底面齒座的片體結(jié)構(gòu)

帶平底面的齒座與帶斜底面的齒座區(qū)別在于:①定位面F相對(duì)于鋸片軸向無(wú)斜度;②定位凸臺(tái)M與定位面F垂直;③通過(guò)增加帶有相應(yīng)斜度并且?guī)в卸ㄎ煌椎亩ㄎ粔|片形成徑向隙角的斜度。片體的初步加工過(guò)程與帶有斜底面齒座的片體加工相同。初步加工完成后，在數(shù)控加工機(jī)床上加工片體的隔齒相同的定位斜面N及與N斜面相垂直的齒座定位凸臺(tái)M，在與平底面齒座F相垂直的方向加工出定位螺紋孔。定位墊片在專用磨床上進(jìn)行加工，確保尺寸和精度符合要求。

2.3 可轉(zhuǎn)位鋸齒刀片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刀片結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中刀片帶有雙面對(duì)稱的安裝沉孔，供機(jī)夾螺絲安裝之用;刀片整體設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體形狀，便于加工制造，具有四條形狀、尺寸完全相同的切削刃，供互換使用;刀片經(jīng)過(guò)毛坯壓制、燒結(jié)、磨削加工、涂層處理等工序加工而成。

刀片在片體上安裝時(shí)，其側(cè)面與齒座定位斜面緊密配合，用高強(qiáng)度的螺絲與片體壓接在一起。刀片齒型徑向隙角和切向隙角的數(shù)值根據(jù)鋸切要求由定位斜面的加工角度進(jìn)行確定。刀片前角在磨削時(shí)加工出來(lái)，后角由片體齒座底面的斜度自然形成，在后刀面上可根據(jù)需要加工出斷屑槽。

帶有斜底面齒座的刀片組裝后局部示意圖如圖4所示。帶有平底座的刀片組裝圖與帶有斜底面的刀片組裝圖結(jié)構(gòu)相似，只是斜底面的斜度由定位墊片形成。根據(jù)鋸切工件的類型及材質(zhì)，對(duì)應(yīng)的齒型會(huì)有所變化，圖3給出的齒型為普通高強(qiáng)鋼用齒型。

圖3 刀片結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 A部放大刀片組裝局部示意圖

2.4 鋸片的規(guī)格及主要參數(shù)

鋸片片體開(kāi)發(fā)了 Ф1000mm、Ф1250mm及Ф1500mm三個(gè)規(guī)格，厚度為9mm。片體的平面度指標(biāo)嚴(yán)格控制在 0.1mm，端面圓跳動(dòng)要求在0.15mm以內(nèi)，裝配后的齒尖徑向圓跳動(dòng)在0.08mm以內(nèi)，鋸齒側(cè)刃相對(duì)片體的對(duì)稱度在0.08mm以內(nèi)。

片體齒座部分，齒座斜面示意圖1和圖2的N面向視圖中所示定位凸臺(tái)窄端寬度為0.3mm～0.5mm，高度為 0.6mm ～ 0.8mm，壓緊螺絲選用M4×12mm。

鋸齒刀片根據(jù)片體的齒座結(jié)構(gòu)尺寸配做，自行進(jìn)行尺寸、形狀設(shè)計(jì)并標(biāo)準(zhǔn)化，然后聯(lián)系硬質(zhì)合金廠家定做、加工。目前經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的刀塊規(guī)格為15mm(長(zhǎng))×9mm(寬)×6mm(厚)。

2.5 鋸齒刀片涂層材料及參數(shù)

鋸齒涂層的成分根據(jù)涂層的性能和鋸片的鋸切要求進(jìn)行綜合選擇。TiAlN涂層是目前在硬質(zhì)合金刀塊涂層中應(yīng)用范圍較為廣泛的涂層材料，硬度為3400HV～3600HV，抗氧化溫度可達(dá)到800℃［2］。TiAlN 在切削加工中能夠氧化生成Al2O3，從而形成一層硬質(zhì)惰性保護(hù)膜，起到抗氧化和耐擴(kuò)散磨損的作用［3］，是加工如高合金鋼、不銹鋼、鈦合金等難切削金屬材料的優(yōu)選涂層。而AlCrN涂層是繼TiAlN之后新開(kāi)發(fā)的另一種新型涂層材料，獨(dú)特的立方晶格結(jié)構(gòu)使其具有高紅硬性和高耐磨性［4］，硬度為2800HV ～3200HV，可在溫度達(dá)到1100℃時(shí)仍保持高硬度［5］，其韌性優(yōu)于TiAlN，更適合進(jìn)行斷續(xù)切削?？蛇m用于包括齒輪滾刀、立銑刀等多種硬質(zhì)合金刀具，尤其是切削加工不銹鋼時(shí)具有良好的卷屑、斷屑性能。

刀片可轉(zhuǎn)位機(jī)卡式硬質(zhì)合金齒圓鋸片成功解決了大規(guī)格鋸片無(wú)法進(jìn)行涂層的問(wèn)題，并且具有重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)。刀片磨削好齒型要素后，根據(jù)實(shí)際的鋸切要求，對(duì)刀片進(jìn)行涂層處理，可使鋸片的切削壽命得到顯著的提高。刀片涂層選用真空離子鍍膜的方法，其加工原理如下:對(duì)真空室抽真空至真空度達(dá)到10－4Pa以后，通過(guò)充氣系統(tǒng)向室內(nèi)通入氬氣使其室內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到1～10－1Pa，這時(shí)當(dāng)?shù)镀鄬?duì)蒸發(fā)源加上負(fù)高壓之后，刀片與蒸發(fā)源之間形成一個(gè)等離子區(qū)。由于處于負(fù)高壓的刀片被等離子所包圍，不斷地受到等離子體中的離子沖擊，因此它就可以有效地消除刀片表面上所吸附的氣體和油污，使成膜過(guò)程中的膜層表面始終保持著清潔狀態(tài)。與此同時(shí)，膜材蒸氣粒子由于受到等離子體中正離子和電子的碰撞，其中一部分被電離成正離子，正離子在負(fù)高壓電場(chǎng)的作用下，被吸引到刀片上成膜。涂層加工過(guò)程中，需合理控制涂層厚度3μm～5μm，如果涂層太薄，刀片的耐磨性差，從而導(dǎo)致鋸片的使用壽命無(wú)明顯提高;如果太厚，涂層容易發(fā)生龜裂破損，同樣影響鋸齒的使用壽命。

3 結(jié)論

1)刀片可轉(zhuǎn)位機(jī)卡式硬質(zhì)合金齒圓鋸片采用分體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大直徑鋸片的鋸齒刀片涂層處理，能明顯延長(zhǎng)鋸片的鋸切壽命，降低鋸切成本。

2)通過(guò)片體齒座加工出的斜面自然形成了齒型的徑向隙角和切向隙角，省掉磨削隙角的工序。

3)鋸齒刀片設(shè)計(jì)為四面刃結(jié)構(gòu)，可提高鋸齒利用率，減少刀塊的庫(kù)存，節(jié)約用戶的采購(gòu)成本。

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