一種刃口為兩維梯度材料的模切刀棍的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及模切設備技術領域，特別涉及一種刃口為兩維梯度材料的模切刀棍及其制造方法。
【背景技術】
[0002]模切工藝及模切模具的制造越來越受到紙包裝印刷行業(yè)的關注，模切裝備目前已廣泛用于紡織、服裝、醫(yī)藥、包裝、數(shù)碼產(chǎn)品附件產(chǎn)品等十幾個行業(yè)。從目前市場發(fā)展來看，平壓型模切機由于效率、安全性等問題正在被市場淘汰，旋轉(zhuǎn)模切機具有高效、安全、環(huán)保、節(jié)能特點已成為企業(yè)首選裝備，因此旋轉(zhuǎn)模切裝備市場急劇擴大。
[0003]旋轉(zhuǎn)模切設備核心部件為模切刀架，由模輥、圓輥和模架組成。模輥輥體上按被加工產(chǎn)品形狀制造有刀刃。模輥、圓輥間在模架作用下保持一定壓力下接觸。生產(chǎn)中兩輥體相對旋轉(zhuǎn)、材料連續(xù)送進，在刀刃的壓切作用下，便可加工需要形狀相同的產(chǎn)品。目標產(chǎn)品的質(zhì)量和精度主要決定于模輥刀刃制造精度。
[0004]本專利申請主要涉及刃口成型材料設計。回轉(zhuǎn)類刀具的旋轉(zhuǎn)模切刀，在工作時模輥和圓輥相對旋轉(zhuǎn)、材料連續(xù)送進，在刃口的壓切作用下，便可加工出同刃口曲線一致的產(chǎn)品。其工作線速度達到150?300m/min，對象從柔性材料到金屬材料，使用性能要求“內(nèi)柔外剛”，即刀體韌性高，抗變形和斷裂能力強；同時，刃口硬度高，耐磨而不崩刃。而刀具性能要達到“內(nèi)柔外剛”的要求，就需要對刀具刃口材料進行研究，而在研究實踐中，發(fā)現(xiàn)存了兩個比較明顯的問題:①在實際熔覆層的質(zhì)量不穩(wěn)定時，容易出現(xiàn)刃口形狀精度偏差大、內(nèi)部裂紋多；②也會因結合性差產(chǎn)生崩刃。在刀具中熔覆層裂紋和結合性差問題主要是由于基體材料與添加材料的熱物性差造成的。
[0005]在現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)模切刀中，刃體和基體的連接方式主要有以下三種:1.通過切削加工方式直接將刃體和基體加工成一體化，2.先各自加工出刃體和基體，并留出配合關系，將兩者裝配起來，3.通過激光熔覆成型工藝，在基體和和刃體之間用冶金方式進行連接，而刃體中用單種材料進行熔覆成形。這三種方法都會存在出現(xiàn)上訴所說的問題，即達不到“內(nèi)柔外剛”的性能要求。
[0006]所以正是由于模輥刀刃的性能所存在的問題，盡管我國旋轉(zhuǎn)模切裝備的自動化成度達到國際水平，但還是嚴重阻礙了國產(chǎn)滾動裝備走向國際市場，成為突破國外高端裝備的壟斷的技術瓶頸之一。
[0007]在現(xiàn)有模切刀輥刀具技術中，主要是根據(jù)刀具切削性能要求，將刃口截面設計為梯度功能材料，由基體到外表面逐漸增加增強相，實現(xiàn)材料熱物性漸變，是解決裂紋和結合性問題的有效方法。但目前關于梯度功能材料的研究，存在的缺點有:①在功能梯度材料設計方面，無論是材料設計、還是制備工藝都還處于研究初期，且多為一維梯度材料的樣件實驗研究，或者是熔覆參數(shù)對性能影響的分析研究，研究成果較少;②一維梯度材料不能準確反映出混合比例對熔覆層材料熱物性的影響，以及材料熱物性變化對結合性和裂紋萌生的影響，而且材料成份變化對刀具性能的影響在一維梯度材料中難以體現(xiàn)出來。因此在模切刀輥中還未能真正研制出符合具有“內(nèi)柔外剛”性能的刀具，從而解決裂紋和結合性的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術問題，在于提供一種刃口為兩維梯度材料的模切刀棍，解決現(xiàn)有模切刀輥刀具中容易出現(xiàn)刃口形狀精度偏差大、內(nèi)部裂紋多或因結合性差產(chǎn)生崩刃的問題，實現(xiàn)高效、高質(zhì)、低價的模輥制造目標。
[0009]本發(fā)明問題是這樣實現(xiàn)的:一種刃口為兩維梯度材料的模切刀棍，所述模切刀棍包括左支撐軸、輥體、刀刃、右支撐軸、以及輥體基體;所述刀刃設置于輥體上，所述輥體基體位于輥體下方，且輥體基體上設置有兩個刀鋒結構；刀鋒結構與輥體為不同材料組成且冶金連接;刀鋒結構截面材料為二維梯度設計。
[0010]進一步的，所述刀鋒結構包括:過渡區(qū)和刃體;所述過渡區(qū)設置于輥體基體上，所述刃體位于過渡區(qū)上，所述刃體頂部設置有刀尖，刃體設置有左刀面和右刀面。
[0011]進一步的，所述刀鋒結構與輥體為不同材料具體為:所述模輥刀棍的刃體材料為合金工具鋼或硬質(zhì)合金鋼，輥體基體材料為普通合金鋼，采用激光熔覆工藝，直接將刀具材料熔覆在輥體基體圓柱面上，刃體和輥體的連接處，具有因治金形成所述的過渡區(qū)，其中，越接近刃體部分的過渡區(qū)，刃體材料的組成元素成分越高，而越接近輥體基體部分的過渡區(qū)，基體材料的組織元素成份越高。
[0012]進一步的，所述刀鋒結構進一步的實現(xiàn)方式為:以坐標原點為基準，由內(nèi)往外由棍體基體材料逐漸過渡到刀具材料，實現(xiàn)刀具復合材料的均勻合金化；
[0013]刀體的刃口截面性能由內(nèi)向外、由下向上的兩維變化，實現(xiàn)“內(nèi)柔外剛”的性能要求；
[0014]過渡區(qū)位于刀體和輥體基體之間，材料為刀體刃體和輥體基體的兩種混合材料，即在過渡區(qū)內(nèi)，能檢測刃體材料的組成元素成份，也有輥體基體材料的組織元素成份;且組織結構上從刃體到輥體基體方向上呈一定的梯度變化，即越接近刃體部分的過渡區(qū)，刃體材料的組成元素成分越高，而越接近輥體基體部分的過渡區(qū)，基體材料的組織元素成份越尚O
[0015]進一步的，刀鋒結構截面材料為二維梯度設計，具體為:刃體截面材料分布，由兩種軟、硬兩種材料采用激光熔覆工藝治金而成，材料組織分布為在二維梯度性能矩陣的X方向上，取點O，該點O的材料組成為普通碳素鋼80%、硬質(zhì)合金鋼20 % ;取點I，該點I的材料組成為普通碳素鋼60%，硬質(zhì)合金鋼40% ;取點2，該點2的材料組成為普通碳素鋼40%，硬質(zhì)合金鋼60% ;取點3，該點3的材料組成為普通碳素鋼20%，硬質(zhì)合金鋼80% ;取點4，該點4的材料組成為普通碳素鋼0%，硬質(zhì)合金鋼100% ;在y方向上也是類似分布，取點0，該O點的材料組成為普通碳素鋼80%，硬質(zhì)合金鋼20% ;取點5，該點5的材料組成為普通碳素鋼60%，硬質(zhì)合金鋼40% ;取點6，該點6的材料組成為普通碳素鋼40%，硬質(zhì)合金鋼60% ;取點7，該點7的材料組成為普通碳素鋼20%，硬質(zhì)合金鋼80%;取點8，該點8的材料組成為普通碳素鋼10%，硬質(zhì)合金鋼90% ;取點9，該點9的材料組成為普通碳素鋼0%，硬質(zhì)合金鋼100% ;材料硬度和耐磨性呈兩維梯度分布，在X、y方向上硬度和耐磨性分布呈現(xiàn)一種梯度過渡分布，從原點O處硬度呈逐漸增大趨勢，并最終達到最大值MAX，從而實現(xiàn)刃口截面性能由內(nèi)向外、由下向上的兩維變化，實現(xiàn)了 “內(nèi)柔外剛”的性能要求。
[0016]進一步的，在輥體基體和刃體之間以冶金方式連接，且輥體基體和刃體為不同材料成分的組合;而在刃體上依據(jù)兩維梯度性能矩陣為理論，在x、y兩個方向呈現(xiàn)一種材料配比的梯度分布，從而刃口截面性能具有由內(nèi)向外、由下向上的兩維變化，實現(xiàn)了 “內(nèi)柔外剛”的性能要求。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明材料梯度、熱物性和熔覆層性能三者之間的關系，提出二維梯度性能矩陣，在激光熔覆工藝中標通過性能不同的刀刃材料與輥體基體材料的冶金結合，保證模輥機械性能的基礎上，解決現(xiàn)有模切刀輥刀具中容易出現(xiàn)刃口形狀精度偏差大、內(nèi)部裂紋多或因結合性差產(chǎn)生崩刃的問題，使刀具性能要達到“內(nèi)柔外剛”的要求，也實現(xiàn)尚效、尚質(zhì)、低價的t旲棍制造目標。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明的刀鋒結構的結構示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明的刀鋒結構局部二維梯度性能矩陣。
[0021]圖4為本發(fā)明的X方向上布氏硬度。
[0022]圖5為本發(fā)明的y方向上布氏硬度。
【具體實施方式】
[0023]請參閱圖1至圖5所示，本發(fā)明的一種刃口為兩維梯度材料的模切刀棍，所述模切刀棍包括左支撐軸1、輥體2、刀刃3、右支撐軸4、以及輥體基體5;所述左支撐軸I通過法蘭盤(未圖示)與輥體2左側連接，所述右支撐軸4通過法蘭盤(未圖示)與輥體右側連接;所述輥體2左右兩側均設置有一刀鋒保護肩21;所述刀刃3設置于輥體2上，所述輥體基體5位于輥體2下方，且輥體基體5上設置有兩個刀鋒結構6。刀鋒結構與輥體為不同材料組成且冶金連接;刀鋒結構截面材料為二維梯度設計。這樣解決現(xiàn)有模切刀輥刀具中容易出現(xiàn)刃口形狀精度偏差大、內(nèi)部裂紋多或因結合性差產(chǎn)生崩刃的問題。
[0024]所述刀鋒結構6包括:過渡區(qū)61和刀體62;所述過渡區(qū)61設置于輥體基體5上，所述刀體62位于過渡區(qū)61上，所述刀體62頂部設置有刀尖63，刀體62設置有左刀面64和右刀面65。本發(fā)明的刀鋒結構6從刃體到棍體基體5方向上呈一定的梯度變化，S卩越接近刃體部分的過渡區(qū)61，刃體材料的組成元素成分越高，而越接近基體部分的過渡區(qū)，輥體基體5材料的組織元素成份越高。刀鋒結構6具有快恪快冷的恪覆金屬金相特征。
[0025]在本發(fā)明中，所述刀刃3和輥體2的連接采用冶金方式進行連接。在激光熔覆工藝中標通過性能不同的刀刃材料與基體材料的冶金結合，保證模棍機械性能的基礎上，解決現(xiàn)有模切刀輥刀具中容易出現(xiàn)刃口形狀精度偏差大、內(nèi)部裂紋多或因結合性差產(chǎn)生崩刃的問題。
[0026]所述刀鋒結構與輥體為不同材料具體為:所述模輥刀棍的刃體材料為合金工具鋼或硬質(zhì)合金鋼，輥體基體材料為普通合金鋼，采用激光熔覆工藝，直接將刀具材料熔覆在輥體基體圓柱面上，刃體和輥體的連接處，具有因治金形成所述的過渡區(qū)，其中，越接近刃體部分的過渡區(qū)，刃體材料的組成元素成分越高，而越接近輥體基體部分的過渡區(qū)，基體材料的組織元素成份越高。
[0027]本發(fā)明利用激光熔覆技術，建立刃口截面二維梯度性能矩陣，以及相應的梯度材料設計方法，對二維梯度刀具進行材料設計和制備。并最終研制出具有二維梯度材料刃口的模切刀輥。因為刀具材料組成元素多，高功率能量場作用下的材料瞬間熔化、固化過程異常復雜，熔覆層組織結構決定于多場耦合作用，具體分析如下:
[0028](I)材料熱物性對性能和裂紋影響規(guī)律的實驗研究。采用性能實驗分析法，統(tǒng)計分析普通合金鋼粉末與高速鋼或硬質(zhì)合金鋼粉末的混合比例對材料熱物性的影響，建立材料成份同熱物性間的映射關系;采用有限元分析和實驗分析相結合的方法，研究不同比例混合材料的熔覆層性能，建立材料成份同性能間的映射關系;研究不同熱物性材料分層。
[0029](2) 二維梯度性能矩陣設計。從滾動