赵学明，何银川
（广东酒店管理职业技术学院，广东东莞
523960）
摘要：圆盘剪的精度是金属板材精密分切的必要条件，对圆盘剪分切原理和受力进行了分析，研究发现圆盘剪的主要失效形式为刃口钝
化、刀刃产生裂纹和崩刃等。通过研究磨损形式、磨损机理，提出减少圆盘剪失效的方法，延长刀具的寿命，从而降低分切成本。研究圆盘剪的失效，对精密板材分切具有现实指导意义。关键词：金属板材；分切；圆盘剪；磨损中图分类号：TG386.2 文献标识码：A
文章编号：1009－9492(2019)07－0010－03
Wear Forms of Disc Cutter in Sheet Metal Cutting and Improvement Measures双立柱卧式带锯床
ZHAO Xue-ming ，HE Yin-chuan
（Guangdong Vocational College of Hotel Management ，Dongguan 523960，China ）
Abstract:Due to the disc cutter precision is the necessary condition of sheet metal precision cutting ，by researching the disc cutter wear forms ，wear
mechanism ，the measures to reduce cutter wear were proposed ，it will not only promote the vigorous development of the precision sheet cutting industry ，but also can extend tool life and reduce the cutting costing.Research of disc cutter wear has actual guiding significance to the precision sheet cutting.
Key words:sheet metal ；rolling-cut slitting ；disc cutter ；wear
DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2019.07.004
收稿日期：2019－01－25
0引言
随着我国国民经济的持续快速发展，社会各行各业对铜、铝、硅钢等金属板材的精密度要求愈来愈高，对金属板材的高精度分切是影响金属制品加工工艺、成品精度和材料利用率的关键因素之一[1]。怎样才能实现金属薄板的精密分切是一个值得研究的问题。
影响金属板材精密分切的因素是多方面的，其中圆盘剪和分条机的精密度是首要因素[2-4]。分切系统中任何一片圆盘剪，或一个橡胶垫的平面存在不平度，不平行度，即便只是几微米的误差，刀片都会在巨大的剪切力下退让，使上下刀片配合间隙增加，从而使金属带材尺寸产生偏差、两边产生毛刺。因此，在金属薄板的精密分切中，圆盘剪的精密度是主要的影响因素之一[5]。圆盘剪在分切板材的过程中，刀具要受到分切板材及其他因素的影响，使圆盘剪的刃口发生磨损钝化，甚至崩刃报废。刀具的磨损将严重影响着板材的精密分切，研究圆盘剪的磨损变钝及崩刃，有助于减少刀具非正常报废，对于合理选择刀具刃口重磨时机、延长刀具使用寿命、板材的精密分切具有非
常重要的指导意义。
1圆盘剪分切原理及受力分析
金属板材卷料的纵向分切通常选用上下成对圆
盘剪滚剪加工，其分切过程原理如图1所示。分切
氨基酸配方粉过程中，上下圆盘剪在径向交接量为s 、轴向方向保持间隙为c ，圆盘剪的旋转作用带动板材以相等于圆盘剪圆周线速度运动并持续进入上下圆盘剪的刃口工作区，金属板材被圆盘剪刀刃逐渐切入而分切变形，共经过弹性变形、塑性变形、断裂和分离四个阶段而彻底剪断[6-8]，金属板材分切过程如图2。
如图3（a ），在金属板材进入圆盘剪工作区时，圆盘剪对金属板材产生挤压作用，板材产生弹性变形，所受分切力从零开始逐步增大，此时板材处于弹性阶段；随着圆盘剪的转动，上下圆盘剪之间的径向间隙逐渐变小，板材所受的分切力持续增大并超过材料的弹性极限而发生分切塑性变形，圆盘剪工作区材料此时处于塑性阶段；随着分切力的进一步增大，达到材料的强度极限时板材将产生裂纹，进入裂纹扩展阶段；随后因裂纹扩展所需要的力远小于裂纹形成所需的力，分切力逐步下降，直至金属板材被彻底分离，分切力将再次返回到零。因此，在分切进程中金属板材受到圆盘剪的分切力是由零逐渐增大再减小到零的过程，造成圆盘剪受到金属板材反作用力也是不均匀分布的，并且是周期性循环变化。
金属板材分切圆盘剪受力状况直接影响了其磨损状态，由图3（b ）可见，在分切过程中，圆盘剪除圆柱面受到板材的挤压力P 作用之外，还受到板材与圆柱面之间的摩擦力μ1P (μ1为圆盘剪圆柱面与金属板材表面摩擦系数)、刀具侧面与板材断面间的侧压力N 及刀具侧面与板材断面间的摩擦力μ2N (μ2
二进制并行加法器
为圆盘剪侧面与金属板材分切面摩擦系
图1
金属板材圆盘剪分切原理
·
·10
数)的作用。随着分切过程的进行金属板材的变形增大，刀具侧面受到的侧压力也慢慢增大，从而侧面摩擦力增大。所以在分切过程中，随着圆盘剪旋转其侧边受力也是循环变化的[9]。
2圆盘剪的失效形式及机理分析
圆盘剪刃在分切板材的过程当中，圆盘剪刃口遭受板材的挤压、弯曲和摩擦力的复合作用，刃口正常磨损钝化，圆盘剪刃口过渡圆半径变大，使刀具刃口不锋利[1，10-12]；另一方面，圆盘剪在分切时，剪刃同时承受径向和轴向循环压应力，常出现裂纹和崩刃现象，据统计，由于裂纹和崩刃失效的圆盘剪占圆盘剪失效总数的20%以上。
2.1圆盘剪的刃口钝化磨损
在圆盘剪进行金属板材分切的过程中，由于刀具的圆周旋转，剪刃同时承受径向和轴向循环变化压应力，金属板材断面挤压剪刃，在剪刃和板材断面之间存在着摩擦、挤压、变形。在板材断裂开始时，板材的断面是不规则
的，在圆盘剪剪刃刃口间隙不断减小的过程中，板材的不平整断面和毛刺要挤压、摩擦圆盘剪刃口侧面，产生刃口的磨损，使刃口圆弧半径增大，切削锋利性降低，刃口钝化。圆盘剪刃口的磨损形式如下：
（1）磨粒磨损。磨粒磨损是一种“机械摩擦”磨损。在分切的材料中存在着氧化物、碳化物和氮化物等硬点。在分切时这些硬质点如同“磨粒”般对圆盘剪刃口进行磨削和刻划作用致使圆盘剪刃口磨损。
（2）粘结磨损。粘结磨损又称为冷焊磨损。当圆盘剪材料与金属板材材料产生挤压粘结时，两者之间产生相对运动对粘结点产生分切破坏，将刃口材料粘结颗粒带走，
导致刃口的磨损。刃口与板材间发生粘结是因为圆盘剪侧面上存在着微观平面度误差，并在相应温度条件下，刃口的侧面会粘结上金属板材的材料碎屑。在高压作用下，当板材与圆盘剪发生相对运动时，圆盘剪上的粘结颗粒将被带走而形成了粘结磨损。这些粘结层在循环分切过程中不停脱落后而又重新生成，在脱落过程有可能造成粘结相丢失或硬质相的脱落，这将加快刃口磨损过程。2.2裂纹和崩刃失效
圆盘剪在分切时，剪刃同时承受循环径向应力和轴向应力，圆盘剪刃口会发生裂纹或崩刃，崩刃的裂纹是以半圆弧状扩展，刃口不可避免的存在微锯齿（图4），这将严重影响板材的精密分切，这时的刀具刃口要进行重新刃磨。
裂纹和崩刃失效的主要原因是：
（1）
圆盘剪的压力过大，刀具的材质和分切板材的硬
图2
圆盘剪分切过程
（a ）分切受力主视图
（b ）沿M -M 剖视图
图3
金属板材分切加工中圆盘剪受力图
（a ）崩刃部位示意图（b ）圆盘剪刃口崩刃
图4圆盘剪刀刃裂纹/崩刃部位
·
·11
度配合不当，剪刃硬度偏高从而导致韧性降低，剪刃分切时在压力和外部冲击力反复作用下产生裂纹并扩展，侧间隙和重合量的配置不合理，板材与刀具撞击等，最后导致剪刃掉块崩刃失效。
（2）应用EDS和低倍形貌分析，发现失效圆盘剪刃起裂源区挤入的异金属正是来自于被分切的板材，其结果进一步加速了裂纹的扩展。
电光调制器
3改进措施
圆盘剪分切板材的过程中，分切温度有时能够达到200~300℃，圆盘剪材料强度和硬度要大，而且韧性要好，即是外硬内韧。刀具硬度过高刀刃容易产生裂纹以至于崩刃失效，刀具材料过软，刀刃又宜产生磨损过快或烧伤粘结。为了减少圆盘剪磨损，延长刀具的寿命，降低分切成本，在圆盘剪选用及刀口刃磨过程中应遵循以下几点。
（1）刀具选材
sys8
圆盘剪选材，除考虑其静强度特性、常规疲劳性能、热处理性能以外，还必须满足材料的屈服极限σs与强度极限σb、脆裂韧性K1c高，以及K1c/σb的比值高。
（2）提高刀具的疲劳强度
在刀具的制造过程中尽量避免刀具的应力集中，刀具刃口要进行去锐处理，尽量避免残余应力及刀具机械划痕，刀具的侧面及外圆柱面的粗糙度要尽量的低。
（3）实施正确的热处理工艺
在圆盘剪淬火、回火过程中要避免微裂纹的产生，防止回火脆性，刀具的硬度控制在HRC52~HRC58，硬度过高，圆盘剪刃韧性不好，宜崩刃，硬度过低，刀具耐磨性不好，圆盘剪刃磨损过快，寿命短。使用后对圆盘剪进行预热，不定期地消除分切残余应力，避免龟裂纹，提高刀具的耐用度。
（4）圆盘刀纵切时水平间隙与重合量的正确调整[6]
影响刀具寿命的主要因素是圆盘剪刀的轴向间隙，次要因素是两圆盘剪的重合量。轴向间隙过小时，
圆盘剪刃受到过大的轴向力与径向力，板材剧烈挤压摩擦刀侧面，刃口磨损加快；间隙过大，板材剪不开或者毛刺大，生产出来的板材不满足技术指标，降级或者直接废料。在板材的分切过程中，为了避免刀片黏结板材碎屑，造成间隙不稳及边部质量极度恶化，降低分切温度，在分切过程中对刀刃上加润滑油，将改善分切工况，分切质量。
（5）圆盘剪刃口重磨防尘接线盒
剪刃的轴向间隙和重合度要保持稳定性和误差极小化，刀具的重磨就要保持精度，消除刀具刃口的疲劳损伤层。重磨时要制定合理的磨削工艺，采用“少进给量多道次”的原则。
（6）统一标准
创建圆盘剪合理的耐用度指标，保证圆盘剪正常使用
的同时，也要尽量避免刀具的过度使用造成提前报废。
4结束语
研究圆盘剪的磨损形式和机理，改善加工工艺，以达到减小磨损、提高刀具精度和保持板材分切质量的目的，对延长刀具的寿命，从而降低分切成本，生产高精密板材
具有十分重要的现实指导意义。
参考文献：
［1］叶明德.金属板材精密裁切100问［M］.北京：冶金工业出版社，2010.
［2］杨威.铜铝薄板精密剪切的正确方法［C］.2005中国铝板带论坛文集，2012：191-192.
［3］江威.带钢切边圆盘剪的使用及维护［J］.机械研究与应用，2010（2）：130-131.
［4］蔡盛祺，吴春甫.高精度零件板材冲锻工艺技术的开发［J］.塑性工程学报，2002（4）：43-46.
［5］Ghosh，S.3D modeling of shear-slitting process for alu⁃minum alloys［J］.Journal of Materials Processing Tech⁃
nology，2005（167）：91-102.
［6］吴建强.圆盘剪的剪切质量分析［J］.钢管，2011（1）：35-39.
［7］介升旗，吕宏伟，刘丽.圆盘剪纵剪钢带边缘质量影响因素［J］.焊管，2010，33（5）：60-63.
［8］M.Samuel.FEM simulations and experimental analysis of parameters of influence in the blanking process［J］.
Journal of Materials Processing Technology，1998
（84）：97-106.
［9］阎秋生，赵学明.硬质合金圆盘刀分切硅钢片的磨损形态及机理研究［J］.中国机械工程，2014，25
（4）：508-512
［10］原一高，朱世根，骆祎岚.化纤切割过程中切断刀的磨损性能研究［J］.摩擦学学报，2006，26（2）：
174-178.
［11］鲁立国.圆盘刀纵剪铝合金带材工艺方法探析［J］.
轻合金加工技术，2009，37（3）：29-32.
［12］胡宜新.螺旋焊管机组圆盘剪崩刃现象分析［J］.焊管，1995，18（5）：43-44.
第一作者简介：赵学明，男，1987年生，河南信阳人，硕
士，工程师。研究领域：精密加工与智能制造。
(编辑：阮毅)·
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