CN104647474B - 一种旋转模切设备的模辊及其刀刃的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转模切设备的模辊，包括辊体，所述辊体上设有刀刃，所述辊体采用激光熔覆工艺形成由外到内依次为熔覆层、过渡层、基体的层状结构，所述熔覆层构成刀刃，所述过渡层连接刀刃和基体。本发明还提供一种旋转模切设备模辊刀刃的成型方法，采用上述激光熔覆工艺，实现了：不同材料的冶金结合，稀释率小，保持了刃体材料硬度、耐磨性，以及基体材料韧性，且两者结合性好；实现刃体截面形状近净成型，减少后序精密加工量；熔覆轨迹可实现数字控制，容易实现预设计任意复杂刀刃曲线。

Description

一种旋转模切设备的模辊及其刀刃的成型方法

【技术领域】

本发明涉及模切加工技术领域，尤其涉及一种旋转模切设备的模辊及其刀刃的成型方法。

【背景技术】

模切工艺作为传统、经典制造技术，目前已广泛用于印刷、包装、手机数码附件产品、卫生医药用品、电子标签等十几个行业。由于传统的平压模切设备安全性差、自动化程序低、能量消耗高等系列问题，正在被市场淘汰，因此旋转模切装备市场急剧扩大。

旋转模切设备核心部件为模切刀架，由模辊、圆辊和模架组成。其中模辊辊体上按被加工产品形状制造有刀刃。模辊、圆辊在模架作用下保持一定压力接触。生产中两辊体相对旋转、材料连续送进，在刀刃的压切作用下，便可加工需要形状相同的产品。目标产品的质量和精度主要决定于模辊刀刃制造精度。

现有成型工艺有两类：铣削成型和镶装成型。其中，“模辊铣削成型工艺”在整体粉末冶金高速钢或硬质合金的刀具材料上，通过铣削、磨削工艺流程实现刀刃成型。铣削成型工艺对于直径相对较大刀具制造时，会存在两大问题：1、整体热处理时，因辊体模型结构复杂，模型壁厚与基体厚度相差悬殊，粉末冶金高速钢或硬质合金材质大直径辊体热处理淬火时容易出现严重变形、内部组织晶粒粗大、裂纹等问题；2、整体铣削加工成型，切削量大、加工效率低、材料浪费严重。加之，直径超过Φ150的粉末冶金高速钢、硬质合金棒料价格昂贵，制造成本高。“模辊镶装成型工艺”是根据模辊结构设计，沿着刀刃导向曲线(以下简称刀刃曲线)，在辊体圆周面上，将刀刃及其周边辊体基体分成若干块，用刀具材料将其制作成镶块，同时用普通合金钢制成含有镶块安装位置的辊体基体，通过螺钉固定将镶块和基体联结，镶块装配无间隙地连接成刀刃整体，形成连续的成型刀刃。镶装成型工艺存在主要问题是：1、无间隙地镶块装配技术实现难，且长期高速工作状态下，精度保证保持性困；2、尺寸适应范围较窄，因为只有大尺寸模辊才有可能将刃口曲线分成若干镶块，而采用镶装成型。对于Φ150以下的模辊，还是只能用整体铣削类型。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种用激光熔覆工艺成型刀刃的旋转模切设备的模辊，使得旋转模切设备模辊的加工具有更高的效率、更低的成本、制造和装配精度以及精度保持性。

本发明要解决的技术问题之一是采用如下技术方案之一实现的：

技术方案之一：

一种旋转模切设备的模辊，包括辊体，所述辊体上设有刀刃，所述辊体采用激光熔覆工艺形成由外到内依次为熔覆层、过渡层、基体的层状结构，所述熔覆层构成刀刃，所述过渡层连接刀刃和基体，所述刀刃包括左刀面、右刀面和刀尖，所述熔覆层为合金工具钢层或硬质合金钢层，所述基体为圆柱形钢材，基体材料为普通碳素合金钢，所述过渡层为熔覆层和基体的冶金结合层。基体形状为圆柱形，外圆柱面进行粗加工、精加工，所述加工精度不低于IT7。

进一步地：所述模辊的直径为Φ200mm～Φ500mm；所述模辊还包括用于传动和定位的转轴，所述转轴位于辊体的两端；所述模辊还包括用于保护刀刃的保护环，所述保护环位于辊体圆周面两侧，保护环外径大于刀刃到辊体轴心的最大距离。

本发明技术方案之一具有如下优点：

激光熔覆工艺通过金属合金或其它类型材料的在基体上沉积，实现基体、熔覆层之间的材料间的冶金结合，获得无孔、晶粒细小的显微组织，以及良好机械性能熔覆层。同激光烧结成型，以及涂覆工艺如等离子喷涂和高速火焰喷涂相比，熔覆层的结合性能和摩擦性能更优；同其他冶金结合工艺，如电弧堆焊等相比，激光熔覆热影响区较小、基体变形较少。基于上述优点，激光熔覆更容易满足金属零件力学性能要求。

且激光熔覆工艺是一种近净成型技术，成型后仅需要少量加工或不再加工，即可作为机械构件，因此可以大大提高模辊的加工效率。且激光熔覆成本越来越低，也可以达到控制成本的效果。

从旋转模切工艺角度，对模辊机械性能要求是辊体刚度、韧性高，抗变形和断裂能力强；同时，刀刃强度、硬度高，耐磨而不崩刃。通过激光熔覆工艺成型的刀刃，辊体由外到内依次形成熔覆层、过渡层和基体，其中熔覆层即为刀刃。刀刃材料为合金工具钢或硬质合金钢材料，组织结构具有快熔快冷的熔覆金属金相特征；基体材料为普通碳素合金钢，组织结构为普通冶金金属金相特征；过渡层位于刃体和基体之间，材料为刃体和基体的两种材料的冶金结合，即在过渡层内，既可以检测刃体材料的组成元素成份，也可以检测到基体材料的组织元素成份。且材料成份从刃体到基体方向上呈一定的梯度变化，即越接近刃体部分的过渡区，刃体材料的组成元素成分越高，而越接近基体部分的过渡区，基体材料的组织元素成份越高。组织结构具有激光熔覆层过渡区金属金相特征。这一种结构，使得辊体的刀刃具有合金工具钢或硬质合金钢的高强度、高硬度和耐磨的特点，而基体则具有普通碳素结构钢的高刚度、高韧性的特点；过渡区梯度结构使得辊体整体上呈现外部高强度、高硬度，内部高刚度、高韧性的力学特性，使其完全可满足模切设备模辊的要求，有利于得到高精度以及高精度保持性的模辊。且激光熔覆工艺可实现不同力学性能材料间的冶金结合。若选择合适的熔覆刀具材料和基体，通过成熟的熔覆工艺控制，便可以直接制造成型模辊刀刃，并达到在保持芯部韧性的情况下同时具有外部的高强度、高硬度。

激光熔覆工艺适合各种尺寸的模辊，特别是Φ200mm～Φ500mm直径范围的模辊，原因是铣削成型工艺所采用的整体铣削、热处理刃口成型技术，对于尺寸相对较大的模辊，存在着废品率高、制造成本高的问题，不适合用于制造尺寸Φ200mm以上的模辊；而镶装成型工艺采用的独立制造的镶块、无间隙装配的成型刀刃，存在着镶块制造、装配精度，以及精度保持性难保证的问题，不适合用于制造直径Φ500mm以下的模辊。因此，激光熔覆技术可用于解决现有技术中对Φ200mm～Φ500mm直径范围的模辊加工上的问题。

在辊体圆周面两侧，增加保护环，可以起到保护刀刃的效果，使得模辊在运输、存储和安装过程中更加安全。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种用激光熔覆工艺成型旋转模切设备的模辊刀刃的方法，使得旋转模切设备模辊的加工具有更高的效率、更低的成本、制造和装配精度以及精度保持性。

本发明要解决的技术问题之二是通过如下技术方案之二实现的：

技术方案之二：

一种旋转模切设备模辊刀刃的成型方法，在辊体的基体上通过激光熔覆工艺，熔化激光熔覆粉末，由外到内依次形成熔覆层和过渡层，所述熔覆层构成刀刃，所述过渡层连接刀刃和基体，所述刀刃包括左刀面、右刀面和刀尖；所述基体为普通碳素合金钢，基体形状为圆柱形，外圆柱面进行粗加工、精加工，所述加工精度不低于IT7，所述激光熔覆粉末为合金工具钢或硬质合金钢材料粉末，合金粉末颗粒平均尺寸为75μm～160μm。

进一步地：所述激光熔覆工艺包括如下步骤：

步骤1：根据刀刃结构，离线方式编写数控程序；

步骤2：将模辊通过装夹和定位工件安装并定位到激光熔覆数控设备上；

步骤3：由所述数控程序控制，使所述激光熔覆数控设备完成刀刃熔覆成型过程；

步骤4：成型后的模辊进行热处理；

步骤5：检验刀刃成型情况，等待进入后续模辊加工程序。

进一步地：所述步骤2中，所述装夹和定位工件为三爪卡盘和顶尖；所述步骤3中，激光熔覆数控设备在进行熔覆成型过程之前，可先在关闭熔覆功能单元，仅保持运动控制功能单元的情况下，试走所述数控程序；所述步骤4中，所述热处理可为熔覆部分局部去应力回火，所述去应力回火参数为250℃保温3小时后空冷。

进一步地：所述激光熔覆工艺的送粉方式为同步送粉方式，送粉气体和保护气体为惰性气体，工艺参数为：激光功率800～3500W、扫描速度为3～12mm/S、送粉量为6～20g/min，进给方式为：单道轨迹成型、多道轨迹搭接、多层轨迹层叠、封闭曲线轨迹对接四种类型中的一种或几种。

进一步地：所述同步送粉方式为同轴送粉方式或侧向送粉方式。

本发明技术方案之二提供了一种用激光熔覆工艺成型旋转模切设备的模辊刀刃的方法。采用上述激光熔覆工艺，实现了：1、不同材料的冶金结合，稀释率小，保持了刃体材料的硬度、耐磨性，以及基体材料的韧性，且两者结合性好；2、实现刃体截面形状近净成型，减少后序精密加工量。

本发明技术方案之二中对基体外圆柱面进行粗加工、精加工，可以使得激光熔覆时可以获得更高的精度，且有利于提升熔覆层与基体的结合度。

本发明技术方案之二中使用数控加工，容易实现预设计的任意复杂刀刃曲线。

本发明技术方案之二中采用同步送粉的方式具有速度快、质量好的优点，且零件的化学成分和组织性能可以更加方便地进行调控，同时可以加工外形尺寸较为精细的零件。同轴送粉可以克服因激光束和粉末输入的不对称而带来的对扫描方向限制的缺点,因而可以实现在任意方向生成均匀的熔覆层,更适用于3D熔覆；侧向送粉的粉末的出口和光的出口相距较远,粉末与光的可控性较好,不会出现因粉末过早熔化而阻塞出光口的现象。

本发明技术方案之二中选择进给方式为单道轨迹成型、多道轨迹搭接、多层轨迹层叠、封闭曲线轨迹对接四种类型中的一种或几种可实现多种刀刃截面宽度和高度尺寸加工以及封闭刀刃曲线加工。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明模辊的结构图。

图2为图1中A处转正放大图。

图3为本发明模辊刀刃成型方法示意图。

图4为同轴送粉方式示意图。

图5为侧向送粉方式示意图。

【具体实施方式】

请参阅图1和图2所示，一种旋转模切设备的模辊，包括辊体1，所述辊体1上设有刀刃2，所述辊体1采用激光熔覆工艺形成由外到内依次为熔覆层11、过渡层12、基体13的层状结构，所述熔覆层11构成刀刃2，所述过渡层连接刀刃2和基体13。

激光熔覆工艺通过金属合金或其它类型材料的在基体上沉积，实现基体、熔覆层之间的材料间的冶金结合，获得无孔、晶粒细小的显微组织，以及良好机械性能熔覆层。同激光烧结成型，以及涂覆工艺如等离子喷涂和高速火焰喷涂相比，熔覆层的结合性能和摩擦性能更优；同其他冶金结合工艺，如电弧堆焊等相比，激光熔覆热影响区较小、基体变形较少。基于上述优点，激光熔覆更容易满足金属零件力学性能要求。

且激光熔覆工艺是一种近净成型技术，成型后仅需要少量加工或不再加工，即可作为机械构件，因此可以大大提高模辊的加工效率。且激光熔覆成本越来越低，也可以达到控制成本的效果。

所述熔覆层11可为合金工具钢层或硬质合金钢层，所述基体13可为圆柱形钢材，基体13材料可为普通碳素合金钢，所述过渡层12为熔覆层11和基体13的冶金结合层。

从旋转模切工艺角度，对模辊机械性能要求是辊体刚度、韧性高，抗变形和断裂能力强；同时，刀刃强度、硬度高，耐磨而不崩刃。通过激光熔覆工艺成型的刀刃，辊体由外到内依次形成熔覆层11、过渡层12和基体13，其中熔覆层11即为刀刃。刀刃材料为合金工具钢或硬质合金钢材料，组织结构具有快熔快冷的熔覆金属金相特征；基体材料为普通碳素合金钢，组织结构为普通冶金金属金相特征；过渡层位于刃体和基体之间，材料为刃体和基体的两种材料的冶金结合，即在过渡层内，既可以检测刃体材料的组成元素成份，也可以检测到基体材料的组织元素成份。且材料成份从刃体到基体方向上呈一定的梯度变化，即越接近刃体部分的过渡区，刃体材料的组成元素成分越高，而越接近基体部分的过渡区，基体材料的组织元素成份越高。组织结构具有激光熔覆层过渡区金属金相特征。这一种结构，使得辊体的刀刃具有合金工具钢或硬质合金钢的高强度、高硬度和耐磨的特点，而基体则具有普通碳素结构钢的高刚度、高韧性的特点；过渡区梯度结构使得辊体整体上呈现外部高强度、高硬度，内部高刚度、高韧性的力学特性，使其完全可满足模切设备模辊的要求，有利于得到高精度以及高精度保持性的模辊。且激光熔覆工艺可实现不同力学性能材料间的冶金结合。若选择合适的熔覆刀具材料和基体，通过成熟的熔覆工艺控制，便可以直接制造成型模辊刀刃，并达到在保持芯部韧性的情况下同时具有外部的高强度、高硬度。

所述模辊100的直径为Φ200mm～Φ500mm；所述模辊100还包括用于传动和定位的转轴3，所述转轴3位于辊体1的两端；

所述转轴3分为左半轴31与右半轴32，左半轴31与右半轴32分别与辊体1的两端过盈配合。此外，转轴3还可以与辊体1一体成型或者通过键连接。

所述模辊100还包括用于保护刀刃2的保护环4，所述保护环4位于辊体1圆周面两侧，保护环4外径大于刀刃2到辊体1轴心的最大距离。

激光熔覆工艺适合各种尺寸的模辊，特别是Φ200mm～Φ500mm直径范围的模辊，原因是铣削成型工艺所采用的整体铣削、热处理刃口成型技术，对于尺寸相对较大的模辊，存在着废品率高、制造成本高的问题，不适合用于制造尺寸Φ200mm以上的模辊；而镶装成型工艺采用的独立制造的镶块、无间隙装配的成型刀刃，存在着镶块制造、装配精度，以及精度保持性难保证的问题，不适合用于制造直径Φ500mm以下的模辊。因此，激光熔覆技术可用于解决现有技术中对Φ200mm～Φ500mm直径范围的模辊加工上的问题。

在辊体圆周面两侧，增加保护环，可以起到保护刀刃的效果，使得模辊在运输、存储和安装过程中更加安全。

进一步地：所述刀刃2包括左刀面21、右刀面22和刀尖23。

请参阅图3所示，一种旋转模切设备模辊刀刃的成型方法，其特征在于：先在辊体1的基体13的上通过激光熔覆工艺，熔化激光熔覆粉末53，由外到内依次形成熔覆层11和过渡层12，所述熔覆层11构成刀刃2，所述过渡层连接刀刃2和基体13。

所述激光熔覆工艺包括如下步骤：

步骤1：根据刀刃2结构，离线方式编写数控程序；

步骤2：将模辊100通过装夹和定位工件6安装并定位到激光熔覆数控设备上；

步骤3：由所述数控程序控制，使所述激光熔覆数控设备完成刀刃熔覆成型过程；

步骤4：成型后的模辊100进行热处理；

步骤5：检验刀刃2成型情况，等待进入后续模辊加工程序。

所述基体为普通碳素合金钢，基体形状为圆柱形，外圆柱面进行粗加工、精加工，所述加工精度不低于IT7。对基体外圆柱面进行粗加工、精加工，可以使得激光熔覆时可以获得更高的精度，且有利于提升熔覆层与基体的结合度。

所述激光熔覆粉末为合金工具钢或硬质合金钢材料粉末，合金粉末颗粒平均尺寸为75μm～160μm。

具体的实施方式为：

选择合金工具钢W6Mo5Cr4V2为激光熔覆粉末材料，其中合金元素的化学组成(重量百分比)为C0.80～0.90、Si0.20～0.45、Mn0.15～0.40、P≤0.03、S≤0.03、Cr3.80～4.40、Mo4.50～5.50、V1.75～2.20、W5.50～6.75、Cu≤0.25Ni≤0.3。粉末颗粒平均尺寸为110±30μm。

选择40Cr为基体材料，毛坯用圆柱形钢材，工艺设计主要是外圆柱面的粗加工、精加工。并保证其尺寸精度、位置精度和表面粗糙度按IT6要求。

根据预设计的刀刃结构，离线方式编写数控程序。运动控制对象选用四轴NC熔覆设备，主要熔覆工艺参数可选择为激光功率800～3500W、扫描速度为3～12mm/S、送粉量为6～20g/min。

请参阅图4和图5所示，激光熔覆送粉方式选择：采用同步送粉方式，送粉气体52和保护气体51为惰性气体。具体为，在激光束持续工作过程中，粉末形式的激光熔覆粉末53，被连续的输送到熔池，激光工作头5聚焦激光束于需要熔覆位置，熔化激光熔覆粉末53。根据粉末喷射头6和激光工作头5的集成情况，还可以将同步送粉方式细分为同轴送粉方式和侧向送粉方式。同轴送粉方式即粉末喷射头6和激光工作头5集成，送粉气体52与激光熔覆粉末53从激光工作头5中喷出；侧向送粉方式即粉末喷射头6和激光工作头5分开，其中以激光工作头5中心，粉末喷射头6可以在其360度范围内的任一方向，送粉气体52与激光熔覆粉末53从粉末喷射头6中喷出。

采用同步送粉的方式具有速度快、质量好的优点，且零件的化学成分和组织性能可以更加方便地进行调控，同时可以加工外形尺寸较为精细的零件。同轴送粉可以克服因激光束和粉末输入的不对称而带来的对扫描方向限制的缺点,因而可以实现在任意方向生成均匀的熔覆层,更适用于3D熔覆；侧向送粉的粉末的出口和光的出口相距较远,粉末与光的可控性较好,不会出现因粉末过早熔化而阻塞出光口的现象。

激光熔覆进给方式选择：采用“单道轨迹成型、多道轨迹搭接、多层轨迹层叠、封闭曲线轨迹对接”等四种类型中一种或几种。具体类型的选用，根据刀刃的设计截面宽、高尺寸确定。如果截面宽度和高度尺寸都小于激光熔覆单道轨迹宽度和高度，可以采用“单道轨迹成型工艺”；如果截面宽度大于激光熔覆单道轨迹宽度，采用“多道轨迹搭接工艺”，将多道轨迹横向搭接成截面宽度相应的熔覆层；如果截面高度大于激光熔覆单道轨迹高度，采用“多层轨迹层叠工艺”，将单道轨迹层或多道轨迹搭接成熔覆层，层层叠加增高得到截面高度；如果刀刃是封闭曲线，则需要对熔覆轨迹进行对接，即“封闭曲线轨迹对接工艺”。

之后分别调试熔覆设备运动部分、激光熔覆部分等，保证其精度准确、控制有效。

之后进行数控程序调试。用三爪卡盘61和顶尖62，安装辊体到设备，并精确定位。关闭激光光源及送粉系统等全部熔覆功能单元，仅保持运动控制功能单元，并完整走完数控程序。

刀刃激光熔覆成型。打开熔覆功能单元，按NC程序控制，完成成型过程。熔覆过程中，注意观察熔覆轨迹变化。

熔覆部位局部去应力回火，参数为250℃保温3小时后空冷。

检验后，转入刀刃的刀面精加工，以及后序组织结构、力学性能检测程序。

采用上述激光熔覆工艺，实现了：1、不同材料的冶金结合，稀释率小，保持了刃体材料的硬度、耐磨性，以及基体材料的韧性，且两者结合性好；2、实现刃体截面形状近净成型，减少后序精密加工量；3、熔覆轨迹可实现数字控制，容易实现预设计任意复杂刀刃曲线。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种旋转模切设备的模辊，包括辊体，所述辊体上设有刀刃，其特征在于：所述辊体采用激光熔覆工艺形成由外到内依次为熔覆层、过渡层、基体的层状结构，所述熔覆层构成刀刃，所述过渡层连接刀刃和基体，所述刀刃包括左刀面、右刀面和刀尖，所述熔覆层为合金工具钢层或硬质合金钢层，所述基体为圆柱形钢材，基体材料为普通碳素合金钢，所述过渡层为熔覆层和基体的冶金结合层，基体形状为圆柱形，外圆柱面进行粗加工、精加工，所述加工精度不低于IT7。

2.根据权利要求1所述的一种旋转模切设备的模辊，其特征在于：所述模辊的直径为Φ200mm～Φ500mm；所述模辊还包括用于传动和定位的转轴，所述转轴位于辊体的两端；所述模辊还包括用于保护刀刃的保护环，所述保护环位于辊体圆周面两侧，保护环外径大于刀刃到辊体轴心的最大距离。

3.一种旋转模切设备模辊刀刃的成型方法，其特征在于：在辊体的基体上通过激光熔覆工艺，熔化激光熔覆粉末，由外到内依次形成熔覆层和过渡层，所述熔覆层构成刀刃，所述过渡层连接刀刃和基体，所述刀刃包括左刀面、右刀面和刀尖；所述基体为普通碳素合金钢，基体形状为圆柱形，外圆柱面进行粗加工、精加工，所述加工精度不低于IT7，所述激光熔覆粉末为合金工具钢或硬质合金钢材料粉末，合金粉末颗粒平均尺寸为75μm～160μm。

4.根据权利要求3所述的一种旋转模切设备模辊刀刃的成型方法，其特征在于：所述激光熔覆工艺包括如下步骤：

步骤1：根据刀刃结构，离线方式编写数控程序；

步骤2：将模辊通过装夹和定位工件安装并定位到激光熔覆数控设备上；

步骤3：由所述数控程序控制，使所述激光熔覆数控设备完成刀刃熔覆成型过程；

步骤4：成型后的模辊进行热处理；

步骤5：检验刀刃成型情况，等待进入后续模辊加工程序。

5.根据权利要求4所述的一种旋转模切设备模辊刀刃的成型方法，其特征在于：所述步骤2中，所述装夹和定位工件为三爪卡盘和顶尖；所述步骤3中，激光熔覆数控设备在进行熔覆成型过程之前，先在关闭熔覆功能单元，仅保持运动控制功能单元的情况下，试走所述数控程序；所述步骤4中，所述热处理为熔覆部分局部去应力回火，所述去应力回火参数为250℃保温3小时后空冷。

6.根据权利要求4所述的一种旋转模切设备模辊刀刃的成型方法，其特征在于：所述激光熔覆工艺的送粉方式为同步送粉方式，送粉气体和保护气体为惰性气体，工艺参数为：激光功率800～3500W、扫描速度为3～12mm/S、送粉量为6～20g/min，进给方式为：单道轨迹成型、多道轨迹搭接、多层轨迹层叠、封闭曲线轨迹对接四种类型中的一种或几种。

7.根据权利要求6所述的一种旋转模切设备模辊刀刃的成型方法，其特征在于：所述同步送粉方式为同轴送粉方式或侧向送粉方式。