刀片可轉位機卡式硬質合金齒圓鋸片的設計開發

張艷龍 黃建平 邵鴻麗 王 林 韓會杰

(唐山冶金鋸片有限公司 河北唐山063020)

1 引言

硬質合金齒圓鋸片在軋鋼企業、鍛造企業及機械加工企業的定尺切斷、鋼材下料等方面應用廣泛，傳統的硬質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，根據需要刃磨出相應的齒型角度，與各種形式的圓鋸機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越高，焊接式硬質合金齒圓鋸片的使用壽命已不能滿足用戶要求，其缺點是將刀塊直接焊接在鋸片片體上，刃口出現磨損或崩刃后需更換刀塊，重復加熱會影響片體的剛性、強度、硬度，使片體重復使用次數降低;此外，硬質合金刀塊的切削能力有限，難以滿足高鋼級工件的正常鋸切。為了提高鋸片的鋸切能力，一個比較理想的選擇是對鋸齒刃口進行涂層處理，涂層所具備的高硬度、化學惰性、低熱擴散率及抗循環疲勞等性能對延長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、延長刀塊使用壽命，我們在傳統硬質合金齒圓鋸片生產技術的基礎上，借鑒各類數控刀具的結構型式和刀片機卡式硬質合金齒圓鋸片的制造經驗，開發了刀片可轉位機卡式硬質合金齒圓鋸片。該新型鋸片的特點在于鋸齒刀片采用機卡方式安裝在鋸片片體的齒座上，通過在齒座上的兩個刀片定位面加工出適當的角度，實現鋸齒具有徑向隙角和切向隙角兩個關鍵要素;可先將刀片加工出帶有四條可轉位的切削刃，做好涂層處理后再裝卡到鋸片片體上，而且在鋸切過程中當部分鋸齒刃口出現損壞時，可通過調整刀片的切削刃位置，實現鋸齒刀片的多次使用，明顯縮短鋸片的修復時間，降低鋸片的鋸切成本，提高鋸片的重復利用率，延長鋸片的使用壽命。

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強度，減少鋸片庫存，為用戶節約鋸切成本。

2 鋸片的設計

2.1 鋸片的材料選用

2.1.1 鋸片片體材料

刀片可轉位機卡式硬質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 片體原材料的化學成分

2.1.2 鋸片鋸齒刀片材料

刀片材料采用牌號為P25～P40系列的超細晶粒硬質合金。超細晶粒硬質合金的WC晶粒度在0.5μm以下，是普通硬質合金WC晶粒度的幾分之一到幾十分之一［1］。晶粒經過細化后，合金刀片的硬度、耐磨性、抗彎強度和抗崩韌性顯著提高。

2.2 鋸片片體的結構設計

2.2.1 帶有斜底面齒座的片體結構

鋸片結構如圖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個傳動孔，用于鋸片安裝定位，安裝時使用螺栓固定在鋸機上。片體經過激光切割加工出帶有中心孔、傳動孔及齒座平面的毛坯，經熱處理、校平、磨削內孔、齒座磨削和片體兩側面磨削等加工工序，對端跳、徑跳和平面度等硬性指標進行檢測、控制，完成片體的初步加工。然后在數控加工機床上加工片體的隔齒相同的F、N兩個定位斜面及帶有與F、N兩個斜面相垂直的定位斜面M的齒座定位凸臺，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 成品鋸片結構示意圖

圖2 帶有斜底面的片體齒座結構示意圖

2.2.2 帶有平底面齒座的片體結構

帶平底面的齒座與帶斜底面的齒座區別在于:①定位面F相對于鋸片軸向無斜度;②定位凸臺M與定位面F垂直;③通過增加帶有相應斜度并且帶有定位通孔的定位墊片形成徑向隙角的斜度。片體的初步加工過程與帶有斜底面齒座的片體加工相同。初步加工完成后，在數控加工機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行加工，確保尺寸和精度符合要求。

2.3 可轉位鋸齒刀片的結構設計

刀片結構如圖3所示，其中刀片帶有雙面對稱的安裝沉孔，供機夾螺絲安裝之用;刀片整體設計成長方體形狀，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;刀片經過毛坯壓制、燒結、磨削加工、涂層處理等工序加工而成。

刀片在片體上安裝時，其側面與齒座定位斜面緊密配合，用高強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值根據鋸切要求由定位斜面的加工角度進行確定。刀片前角在磨削時加工出來，后角由片體齒座底面的斜度自然形成，在后刀面上可根據需要加工出斷屑槽。

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構相似，只是斜底面的斜度由定位墊片形成。根據鋸切工件的類型及材質，對應的齒型會有所變化，圖3給出的齒型為普通高強鋼用齒型。

圖3 刀片結構示意圖

圖4 A部放大刀片組裝局部示意圖

2.4 鋸片的規格及主要參數

鋸片片體開發了 Ф1000mm、Ф1250mm及Ф1500mm三個規格，厚度為9mm。片體的平面度指標嚴格控制在 0.1mm，端面圓跳動要求在0.15mm以內，裝配后的齒尖徑向圓跳動在0.08mm以內，鋸齒側刃相對片體的對稱度在0.08mm以內。

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。

鋸齒刀片根據片體的齒座結構尺寸配做，自行進行尺寸、形狀設計并標準化，然后聯系硬質合金廠家定做、加工。目前經過優化設計的刀塊規格為15mm(長)×9mm(寬)×6mm(厚)。

2.5 鋸齒刀片涂層材料及參數

鋸齒涂層的成分根據涂層的性能和鋸片的鋸切要求進行綜合選擇。TiAlN涂層是目前在硬質合金刀塊涂層中應用范圍較為廣泛的涂層材料，硬度為3400HV～3600HV，抗氧化溫度可達到800℃［2］。TiAlN 在切削加工中能夠氧化生成Al2O3，從而形成一層硬質惰性保護膜，起到抗氧化和耐擴散磨損的作用［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選涂層。而AlCrN涂層是繼TiAlN之后新開發的另一種新型涂層材料，獨特的立方晶格結構使其具有高紅硬性和高耐磨性［4］，硬度為2800HV ～3200HV，可在溫度達到1100℃時仍保持高硬度［5］，其韌性優于TiAlN，更適合進行斷續切削。可適用于包括齒輪滾刀、立銑刀等多種硬質合金刀具，尤其是切削加工不銹鋼時具有良好的卷屑、斷屑性能。

刀片可轉位機卡式硬質合金齒圓鋸片成功解決了大規格鋸片無法進行涂層的問題，并且具有重復使用的優點。刀片磨削好齒型要素后，根據實際的鋸切要求，對刀片進行涂層處理，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:對真空室抽真空至真空度達到10－4Pa以后，通過充氣系統向室內通入氬氣使其室內壓強達到1～10－1Pa，這時當刀片相對蒸發源加上負高壓之后，刀片與蒸發源之間形成一個等離子區。由于處于負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，使成膜過程中的膜層表面始終保持著清潔狀態。與此同時，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，正離子在負高壓電場的作用下，被吸引到刀片上成膜。涂層加工過程中，需合理控制涂層厚度3μm～5μm，如果涂層太薄，刀片的耐磨性差，從而導致鋸片的使用壽命無明顯提高;如果太厚，涂層容易發生龜裂破損，同樣影響鋸齒的使用壽命。

3 結論

1)刀片可轉位機卡式硬質合金齒圓鋸片采用分體結構設計，實現了大直徑鋸片的鋸齒刀片涂層處理，能明顯延長鋸片的鋸切壽命，降低鋸切成本。

2)通過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)鋸齒刀片設計為四面刃結構，可提高鋸齒利用率，減少刀塊的庫存，節約用戶的采購成本。

［1］黃偉九等.刀具材料速查手冊［M］.北京:機械工業出版社，2010:122-127.

［2］Harish C Barshilia，et al.Deposition of TiAlN coatings using reactive bipolar-pulsed direct current unbalanced magnetron sputtering［J］.Vacuum，2008(83):427.

［3］劉建華，鄧建新，張慶余.TiAlN涂層刀具的發展與應用［J］.工具技術，2006，Vol.40(4):9-13.

［4］G.S.Fox-Rabinovich，B.D.Beake，J.L.Endrino，et al.Effect of mechanical properties measured at room and elevated temperatures on the wear resistance of cutting tools with TiAlN and AlCrN coatings［J］.Surface and Coatings Technology，2005，Vol.200(20):5738-5742.

［5］H Willmann，P H Mayrhofer，P O ? Persson，et al.Thermal stability of AlCrN hard coatings［J］.Scripta Materialia，2006，Vol.54(11):1847-1851.

［6］郭繼富、王素娟、張艷龍、王林、李永佳、褚建坤.鋼管數控仿形鋸鋸片TiAlN涂層技術的應用.焊管，2007，Vol.30(6):48-50.