刀片可转位机卡式硬质合金齿圆锯片的设计开发

 
硬质合金齿圆锯片在轧钢企业、锻造企业及机械加工企业的定尺切断、钢材下料等方面应用广泛，传统的硬质合金齿圆锯片把合金刀块直接焊接在锯片片体外缘切出的齿座上，根据需要刃磨出相应的齿型角度，与各种形式的圆锯机配套使用完成锯切工作。随着管坯、钢管、钢轨以及其他被加工工件的性能越来越高，焊接式硬质合金齿圆锯片的使用寿命已不能满足用户要求，其缺点是将刀块直接焊接在锯片片体上，刃口出现磨损或崩刃后需更换刀块，重复加热会影响片体的刚性、强度、硬度，使片体重复使用次数降低；此外，硬质合金刀块的切削能力有限，难以满足高钢级工件的正常锯切。为了提高锯片的锯切能力，一个比较理想的选择是对锯齿刃口进行涂层处理，涂层所具备的高硬度、化学惰性、低热扩散率及抗循环疲劳等性能对延长锯片使用寿命具有十分明显的效果。
 
为了提高锯片使用性能、延长刀块使用寿命，我们在传统硬质合金齿圆锯片生产技术的基础上，借鉴各类数控刀具的结构型式和刀片机卡式硬质合金齿圆锯片的制造经验，开发了刀片可转位机卡式硬质合金齿圆锯片。该新型锯片的特点在于锯齿刀片采用机卡方式安装在锯片片体的齿座上，通过在齿座上的两个刀片定位面加工出适当的角度，实现锯齿具有径向隙角和切向隙角两个关键要素；可先将刀片加工出带有四条可转位的切削刃，做好涂层处理后再装卡到锯片片体上，而且在锯切过程中当部分锯齿刃口出现损坏时，可通过调整刀片的切削刃位置，实现锯齿刀片的多次使用，明显缩短锯片的修复时间，降低锯片的锯切成本，提高锯片的重复利用率，延长锯片的使用寿命。
 
这样，不仅能提高锯切效率，而且能够在很大程度上降低操作人员的劳动强度，减少锯片库存，为用户节约锯切成本。
 
2 锯片的设计
 
2.1 锯片的材料选用
 
2.1.1 锯片片体材料
 
刀片可转位机卡式硬质合金齿圆锯片片体材料选择75Cr1或8CrV，片体的热处理硬度为35～37HRC。75Cr1、8CrV为锯片专用钢，其成分如表1所示。
 
表1 片体原材料的化学成分
 
2.1.2 锯片锯齿刀片材料
 
刀片材料采用牌号为P25～P40系列的超细晶粒硬质合金。超细晶粒硬质合金的WC晶粒度在0.5μm以下，是普通硬质合金WC晶粒度的几分之一到几十分之一[1]。晶粒经过细化后，合金刀片的硬度、耐磨性、抗弯强度和抗崩韧性显著提高。
 
2.2 锯片片体的结构设计
 
2.2.1 带有斜底面齿座的片体结构
 
锯片结构如。带有斜底面的片体齿座。锯片片体中心孔周围均匀分布有6个传动孔，用于锯片安装定位，安装时使用螺栓固定在锯机上。片体经过激光切割加工出带有中心孔、传动孔及齿座平面的毛坯，经热处理、校平、磨削内孔、齿座磨削和片体两侧面磨削等加工工序，对端跳、径跳和平面度等硬性指标进行检测、控制，完成片体的初步加工。然后在数控加工机床上加工片体的隔齿相同的F、N两个定位斜面及带有与F、N两个斜面相垂直的定位斜面M的齿座定位凸台，并在片体齿座F斜面上与定位斜面F垂直的方向加工出定位螺纹孔。
 
2.2.2 带有平底面齿座的片体结构
 
带平底面的齿座与带斜底面的齿座区别在于：①定位面F相对于锯片轴向无斜度；②定位凸台M与定位面F垂直；③通过增加带有相应斜度并且带有定位通孔的定位垫片形成径向隙角的斜度。片体的初步加工过程与带有斜底面齿座的片体加工相同。初步加工完成后，在数控加工机床上加工片体的隔齿相同的定位斜面N及与N斜面相垂直的齿座定位凸台M，在与平底面齿座F相垂直的方向加工出定位螺纹孔。定位垫片在专用磨床上进行加工，确保尺寸和精度符合要求。
 
2.3 可转位锯齿刀片的结构设计
 
其中刀片带有双面对称的安装沉孔，供机夹螺丝安装之用；刀片整体设计成长方体形状，便于加工制造，具有四条形状、尺寸完全相同的切削刃，供互换使用；刀片经过毛坯压制、烧结、磨削加工、涂层处理等工序加工而成。
 
刀片在片体上安装时，其侧面与齿座定位斜面紧密配合，用高强度的螺丝与片体压接在一起。刀片齿型径向隙角和切向隙角的数值根据锯切要求由定位斜面的加工角度进行确定。刀片前角在磨削时加工出来，后角由片体齿座底面的斜度自然形成，在后刀面上可根据需要加工出断屑槽。
 
带有斜底面齿座的刀片组装后局部示。带有平底座的刀片组装图与带有斜底面的刀片组装图结构相似，只是斜底面的斜度由定位垫片形成。根据锯切工件的类型及材质，对应的齿型会有所变化，给出的齿型为普通高强钢用齿型。
 
2.4 锯片的规格及主要参数
 
锯片片体开发了Ф1000mm、Ф1250mm及Ф1500mm三个规格，厚度为9mm。片体的平面度指标严格控制在0.1mm，端面圆跳动要求在0.15mm以内，装配后的齿尖径向圆跳动在0.08mm以内，锯齿侧刃相对片体的对称度在0.08mm以内。
 
锯齿刀片根据片体的齿座结构尺寸配做，自行进行尺寸、形状设计并标准化，然后联系硬质合金厂家定做、加工。目前经过优化设计的刀块规格为15mm(长)×9mm(宽)×6mm(厚)。
 
2.5 锯齿刀片涂层材料及参数
 
锯齿涂层的成分根据涂层的性能和锯片的锯切要求进行综合选择。TiAlN涂层是目前在硬质合金刀块涂层中应用范围较为广泛的涂层材料，硬度为3400HV～3600HV，抗氧化温度可达到800℃[2]。TiAlN在切削加工中能够氧化生成Al2O3，从而形成一层硬质惰性保护膜，起到抗氧化和耐扩散磨损的作用[3]，是加工如高合金钢、不锈钢、钛合金等难切削金属材料的优选涂层。而AlCrN涂层是继TiAlN之后新开发的另一种新型涂层材料，独特的立方晶格结构使其具有高红硬性和高耐磨性[4]，硬度为2800HV～3200HV，可在温度达到1100℃时仍保持高硬度[5]，其韧性优于TiAlN，更适合进行断续切削。可适用于包括齿轮滚刀、立铣刀等多种硬质合金刀具，尤其是切削加工不锈钢时具有良好的卷屑、断屑性能。
 
刀片可转位机卡式硬质合金齿圆锯片成功解决了大规格锯片无法进行涂层的问题，并且具有重复使用的优点。刀片磨削好齿型要素后，根据实际的锯切要求，对刀片进行涂层处理，可使锯片的切削寿命得到显著的提高。刀片涂层选用真空离子镀膜的方法，其加工原理如下：对真空室抽真空至真空度达到10-4Pa以后，通过充气系统向室内通入氩气使其室内压强达到1～10-1Pa，这时当刀片相对蒸发源加上负高压之后，刀片与蒸发源之间形成一个等离子区。由于处于负高压的刀片被等离子所包围，不断地受到等离子体中的离子冲击，因此它就可以有效地消除刀片表面上所吸附的气体和油污，使成膜过程中的膜层表面始终保持着清洁状态。与此同时，膜材蒸气粒子由于受到等离子体中正离子和电子的碰撞，其中一部分被电离成正离子，正离子在负高压电场的作用下，被吸引到刀片上成膜。涂层加工过程中，需合理控制涂层厚度3μm～5μm，如果涂层太薄，刀片的耐磨性差，从而导致锯片的使用寿命无明显提高；如果太厚，涂层容易发生龟裂破损，同样影响锯齿的使用寿命。
 
3 结论
 
1)刀片可转位机卡式硬质合金齿圆锯片采用分体结构设计，实现了大直径锯片的锯齿刀片涂层处理，能明显延长锯片的锯切寿命，降低锯切成本。
 
2)通过片体齿座加工出的斜面自然形成了齿型的径向隙角和切向隙角，省掉磨削隙角的工序。
 
3)锯齿刀片设计为四面刃结构，可提高锯齿利用率，减少刀块的库存，节约用户的采购成本。