硬質合金圓鋸片作為超硬材料的重要產品,是新材料領域中強有力的新興產業,是木材、人造板材等材料加工的一種優質高效工具。在鋸切過程中鋸片承受離心力、鋸切力、鋸切熱等交變載荷作用。在研究過程中,我們從基體材料、激光割、熱處理和基體結構設計方面,對產生基體裂紋的原因進行了摸索。在激光割、硬度和熱處理方面,通過大量的試驗測試工作。發現此三方面雖然對基體裂紋會產生一定程度的影響,但控制在一定的范圍之內后,影響并不大。而從出現裂紋的基體分析,小半徑伸縮縫產生裂紋的基體所占比例較大,刀齒齒背根部次之。因此,我們重點從出現裂紋基體的區域和結構形式進行了研究,分析產生裂紋的原因,并進行了相應的測試。
1.基體材料和熱處理因素
現有硬質合金圓鋸片基體材料普遍是彈簧鋼65Mn,因具有淬透性好和強度高的優點,被應用于專業級產品基體。65Mn,含碳在0.62～0.7%,理論淬火硬度能達到HRC58～60。由于含Mn量在0.90～1.2%之間,隨著硬度的提高,材料塑性降低,而材料開裂傾向增大。故硬質合金圓鋸片的基體硬度,要求控制在HRC42～48之間。通過直徑300MM專用片,我們試制過HRC46～50的鋸片樣品,產品在使用過程中沒有出現裂紋,但在基體制作過程中,不僅熱處理廢品率高,同時不易手工機械校平。在市場上出現過因鋸片基體開裂,碎片飛出傷人的事故,故沒有進一步作硬度要求在HRC50以上的試驗?？紤]到現有專業級產品的大部分基體沒有基體開裂現象,不能輕易否決而替換65Mn材質,只能對產生基體裂紋產品的結構進行研究,找出產生裂紋的原因。
2.激光切割原因
激光割的原理是高溫的激光束融化基體材料,用高壓氣流吹掉剩余的渣物。激光束按照程序設定的步長切割出直線或圓弧,通過微觀觀察發現,被切削材料斷面呈溝壑狀。當圓弧越小,激光割形成的微觀裂紋,在熱處理和機械校平過程中,越容易造成應力過度集中,致使微觀裂紋向縱深發展的可能性加大,導致在復雜的切割工況下形成宏觀上的裂紋。
3.產品結構伸縮縫的調整
研究過程中,以直徑305mm、120齒膠合板專用片為例,通過對基體裂紋產生位置分析,開裂的裂紋源是由鋸片伸縮縫的兩個圓角過渡處開始,向鋸片其它部分延伸,有的1-3MM,甚至達到5MM長的裂紋。經分析,此類鋸片伸縮縫的共同特點是:兩個過渡圓角半徑分別為R1.4及R1.0,正是伸縮縫的兩個過渡圓角半徑太小,使其在激光割、熱處理、和校平機校平的過程中,導致了過大的應力集中,從而產成基體的微觀裂紋,給鋸切過程基體宏觀裂紋的產生,埋下了隱患。根據以上分析,確定了從伸縮縫結構上進行調整,將此類鋸片的伸縮縫兩個過渡圓角半徑導致加大至R1.8,以減小過渡圓角處應力集中,防止基體開裂的技術方案。調整后,經過批量產品測試,此系列圓鋸片基體沒有發現沿伸縮縫兩個過渡圓角開裂的現象。
4.齒背結構和風孔
云南市場多片鋸305-36T產品,使用過程中出現基體從風孔處向中心開裂和糊基體變形的現象,導致產品不能繼續使用。此原基體在直徑φ210和φ230的直徑上分別均布著4-φ12,共8個風孔;原容屑槽半徑為R5,基體齒背張角為20°。通過分析認為由于基體齒背張角為20°,容屑槽半徑為R5,由于容屑槽小和齒背張角小,導致鋸片的容屑體積不足,在切割過程中切屑很容易填滿容屑槽,不能及時排出,造成排屑不利,切屑堆積在容屑槽;由于基體上有8個φ12的風孔,含膠的切屑會逐漸的填滿φ12的風孔,隨著鋸片的高速旋轉,風孔中的切屑由于和板材、基體之間的摩擦生熱,熱量不易散發,當熱量達到或接近切屑的自燃溫度時,會慢慢成焦糊狀態,導致該區域溫度急劇增高,切屑中的人造膠或天然樹脂融化粘附在基體上,形成環狀的粘膠區域,造成糊基體。這樣造成切削阻力過大,引起基體軸向上的偏擺,當超過基體材料的強度極限時,引起基體斷裂,致使產品不能正常使用。
我們分析認為,正是由于基體齒背張角為20°,R5的容屑槽半徑偏小,因排屑不利造成切屑填滿φ12的風孔,摩擦生熱引起切削阻力過大造成基體沿風孔處向中心開裂,或者糊基體、跑偏。根據這些情況,確定了將此類鋸片的容屑槽半徑增大為R5.5,基體齒背張角增大為30°,同時去掉φ12風孔的技術方案。經過批量試制樣品并市場切割試驗,沒有出現基體裂或糊基體的現象,切割質量和使用效果用戶可以接受。到現在市場沒有類似基體開裂和糊基體的現象。
5.總結
通過對圓鋸片基體的材料、熱處理、激光切割成形和基體結構設計方面進行分析,對易產生基體裂紋的伸縮縫結構形式和齒背結構進行調整,預防了圓鋸片基體裂紋的產生。
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