CN105690481B - 一种刃口为两维梯度材料的模切刀辊 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种刃口为两维梯度材料的模切刀辊，所述模切刀辊包括左支撑轴、辊体、刀刃、右支撑轴；所述刀刃设置于辊体上，刀刃与辊体为不同材料组成且冶金连接，形成过渡区；所述刀刃材料采用二维梯度材料,实现了刃口截面性能由内向外、由下向上的两维变化，实现了“内柔外刚”的性能要求。本发明解决现有模切刀辊刀具中容易出现刃口形状精度偏差大、内部裂纹多或因结合性差产生崩刃的问题，实现高效、高质、低价的模辊制造目标。

Description

一种刃口为两维梯度材料的模切刀辊
技术领域
本发明涉及模切设备技术领域，特别涉及一种刃口为两维梯度材料的模切刀辊及其制造方法。
背景技术
模切工艺及模切模具的制造越来越受到纸包装印刷行业的关注，模切装备目前已广泛用于纺织、服装、医药、包装、数码产品附件产品等十几个行业。从目前市场发展来看，平压型模切机由于效率、安全性等问题正在被市场淘汰，旋转模切机具有高效、安全、环保、节能特点已成为企业首选装备，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。模辊辊体上按被加工产品形状制造有刀刃。模辊、圆辊间在模架作用下保持一定压力下接触。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。
本专利申请主要涉及刃口成型材料设计。回转类刀具的旋转模切刀，在工作时模辊和圆辊相对旋转、材料连续送进，在刃口的压切作用下，便可加工出同刃口曲线一致的产品。其工作线速度达到150～300m/min，对象从柔性材料到金属材料，使用性能要求“内柔外刚”，即刃体韧性高，抗变形和断裂能力强；同时，刃口硬度高，耐磨而不崩刃。而刀具性能要达到“内柔外刚”的要求，就需要对刀具刃口材料进行研究，而在研究实践中，发现存在两个比较明显的问题：①在实际熔覆层的质量不稳定时，容易出现刃口形状精度偏差大、内部裂纹多；②也会因结合性差产生崩刃。在刀具中熔覆层裂纹和结合性差问题主要是由于基体材料与添加材料的热物性差造成的。
在现有的旋转模切刀中，刃体和基体的连接方式主要有以下三种：1.通过切削加工方式直接将刃体和基体加工成一体化，2.先各自加工出刃体和基体，并留出配合关系，将两者装配起来，3.通过激光熔覆成型工艺，在基体和刃体之间用冶金方式进行连接，而刃体中用单种材料进行熔覆成形。这三种方法都会存在出现上诉所说的问题，即达不到“内柔外刚”的性能要求。
所以正是由于模辊刀刃的性能所存在的问题，尽管我国旋转模切装备的自动化成度达到国际水平，但还是严重阻碍了国产滚动装备走向国际市场，成为突破国外高端装备的垄断的技术瓶颈之一。
在现有模切刀辊刀具技术中，主要是根据刀具切削性能要求，将刃口截面设计为梯度功能材料，由基体到外表面逐渐增加增强相，实现材料热物性渐变，是解决裂纹和结合性问题的有效方法。但目前关于梯度功能材料的研究，存在的缺点有：①在功能梯度材料设计方面，无论是材料设计、还是制备工艺都还处于研究初期，且多为一维梯度材料的样件实验研究，或者是熔覆参数对性能影响的分析研究，研究成果较少；②一维梯度材料不能准确反映出混合比例对熔覆层材料热物性的影响，以及材料热物性变化对结合性和裂纹萌生的影响，而且材料成份变化对刀具性能的影响在一维梯度材料中难以体现出来。因此在模切刀辊中还未能真正研制出符合具有“内柔外刚”性能的刀具，从而解决裂纹和结合性的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种刃口为两维梯度材料的模切刀辊，解决现有模切刀辊刀具中容易出现刃口形状精度偏差大、内部裂纹多或因结合性差产生崩刃的问题，实现高效、高质、低价的模辊制造目标。
本发明问题是这样实现的：一种刃口为两维梯度材料的模切刀辊，所述模切刀辊包括左支撑轴、辊体、刀刃、右支撑轴、以及辊体基体；所述刀刃设置于辊体上，所述辊体基体位于辊体下方，且辊体基体上设置有两个刀锋结构；刀锋结构与辊体为不同材料组成且冶金连接；刀锋结构截面材料为二维梯度设计。
进一步的，所述刀锋结构包括：过渡区和刃体；所述过渡区设置于辊体基体上，所述刃体位于过渡区上，所述刃体顶部设置有刀尖，刃体设置有左刀面和右刀面。
进一步的，所述刀锋结构与辊体为不同材料具体为：所述模切刀辊的刃体材料为合金工具钢或硬质合金钢，辊体基体材料为普通合金钢，采用激光熔覆工艺，直接将刀具材料熔覆在辊体基体圆柱面上，刃体和辊体的连接处，具有因治金形成所述的过渡区，其中，越接近刃体部分的过渡区，刃体材料的组成元素成分越高，而越接近辊体基体部分的过渡区，基体材料的组织元素成份越高。
进一步的，所述刀锋结构进一步的实现方式为：以坐标原点为基准，由内往外由辊体基体材料逐渐过渡到刀具材料，实现刀具复合材料的均匀合金化；
刃体的刃口截面性能在x方向由内向外、在y方向由下向上的两维变化，实现“内柔外刚”的性能要求；
过渡区位于刃体和辊体基体之间，材料为刃体和辊体基体的两种混合材料，即在过渡区内，能检测刃体材料的组成元素成份，也有辊体基体材料的组织元素成份；且组织结构上从刃体到辊体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，而越接近辊体基体部分的过渡区，基体材料的组织元素成份越高。
进一步的，刀锋结构截面材料为二维梯度设计，具体为：刃体截面材料分布，由软、硬两种材料采用激光熔覆工艺治金而成，材料组织分布为在二维梯度性能矩阵的x方向上，取点O，该点O的材料组成为普通碳素钢80％、硬质合金钢20％；取点1，该点1的材料组成为普通碳素钢60％，硬质合金钢40％；取点2，该点2的材料组成为普通碳素钢40％，硬质合金钢60％；取点3，该点3的材料组成为普通碳素钢20％，硬质合金钢80％；取点4，该点4的材料组成为普通碳素钢0％，硬质合金钢100％；在y方向上也是类似分布，取点O，该O点的材料组成为普通碳素钢80％，硬质合金钢20％；取点5，该点5的材料组成为普通碳素钢60％，硬质合金钢40％；取点6，该点6的材料组成为普通碳素钢40％，硬质合金钢60％；取点7，该点7的材料组成为普通碳素钢20％，硬质合金钢80％；取点8，该点8的材料组成为普通碳素钢10％，硬质合金钢90％；取点9，该点9的材料组成为普通碳素钢0％，硬质合金钢100％；材料硬度和耐磨性呈两维梯度分布，在x、y方向上硬度和耐磨性分布呈现一种梯度过渡分布，从原点O处硬度呈逐渐增大趋势，并最终达到最大值MAX，从而实现刃口截面性能在x方向由内向外、在y方向由下向上的两维变化，实现了“内柔外刚”的性能要求。
进一步的，在辊体基体和刃体之间以冶金方式连接，且辊体基体和刃体为不同材料成分的组合；而在刃体上依据两维梯度性能矩阵为理论，在x、y两个方向呈现一种材料配比的梯度分布，从而刃口截面性能具有在x方向由内向外、在y方向由下向上的两维变化，实现了“内柔外刚”的性能要求。
本发明的优点在于：本发明材料梯度、热物性和熔覆层性能三者之间的关系，提出二维梯度性能矩阵，在激光熔覆工艺中标通过性能不同的刀刃材料与辊体基体材料的冶金结合，保证模辊机械性能的基础上，解决现有模切刀辊刀具中容易出现刃口形状精度偏差大、内部裂纹多或因结合性差产生崩刃的问题，使刀具性能要达到“内柔外刚”的要求，也实现高效、高质、低价的模辊制造目标。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的刀锋结构的结构示意图。
图3为本发明的刀锋结构局部二维梯度性能矩阵。
图4为本发明的x方向上布氏硬度。
图5为本发明的y方向上布氏硬度。
具体实施方式
请参阅图1至图5所示，本发明的一种刃口为两维梯度材料的模切刀辊，所述模切刀辊包括左支撑轴1、辊体2、刀刃3、右支撑轴4、以及辊体基体5；所述左支撑轴1通过法兰盘(未图示)与辊体2左侧连接，所述右支撑轴4通过法兰盘(未图示)与辊体右侧连接；所述辊体2左右两侧均设置有一刀锋保护肩21；所述刀刃3设置于辊体2上，所述辊体基体5位于辊体2下方，且辊体基体5上设置有两个刀锋结构6。刀锋结构与辊体为不同材料组成且冶金连接；刀锋结构截面材料为二维梯度设计。这样解决现有模切刀辊刀具中容易出现刃口形状精度偏差大、内部裂纹多或因结合性差产生崩刃的问题。
所述刀锋结构6包括：过渡区61和刃体62；所述过渡区61设置于辊体基体5上，所述刃体62位于过渡区61上，所述刃体62顶部设置有刀尖63，刃体62设置有左刀面64和右刀面65。本发明的刀锋结构6从刃体到辊体基体5方向上呈一定的梯度变化，即越接近刃体部分的过渡区61，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，辊体基体5材料的组织元素成份越高。刀锋结构6具有快熔快冷的熔覆金属金相特征。
在本发明中，所述刀刃3和辊体2的连接采用冶金方式进行连接。在激光熔覆工艺中标通过性能不同的刀刃材料与基体材料的冶金结合，保证模辊机械性能的基础上，解决现有模切刀辊刀具中容易出现刃口形状精度偏差大、内部裂纹多或因结合性差产生崩刃的问题。
所述刀锋结构与辊体为不同材料具体为：所述模切刀辊的刃体材料为合金工具钢或硬质合金钢，辊体基体材料为普通合金钢，采用激光熔覆工艺，直接将刀具材料熔覆在辊体基体圆柱面上，刃体和辊体的连接处，具有因治金形成所述的过渡区，其中，越接近刃体部分的过渡区，刃体材料的组成元素成分越高，而越接近辊体基体部分的过渡区，基体材料的组织元素成份越高。
本发明利用激光熔覆技术，建立刃口截面二维梯度性能矩阵，以及相应的梯度材料设计方法，对二维梯度刀具进行材料设计和制备。并最终研制出具有二维梯度材料刃口的模切刀辊。因为刀具材料组成元素多，高功率能量场作用下的材料瞬间熔化、固化过程异常复杂，熔覆层组织结构决定于多场耦合作用，具体分析如下：
(1)材料热物性对性能和裂纹影响规律的实验研究。采用性能实验分析法，统计分析普通合金钢粉末与高速钢或硬质合金钢粉末的混合比例对材料热物性的影响，建立材料成份同热物性间的映射关系；采用有限元分析和实验分析相结合的方法，研究不同比例混合材料的熔覆层性能，建立材料成份同性能间的映射关系；研究不同热物性材料分层。
(2)二维梯度性能矩阵设计。从滚动模切工艺角度，对模辊机械性能要求是“内柔外刚”，即辊体刚度、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。而现有激光熔覆成型研究表明，利用二维梯度材料进行激光熔覆可满足上述刀刃要求，且可实现不同力学性能材料间的冶金结合，并达到“内柔外刚”的效果。另外激光熔覆成本越来越低趋势，也为该工艺的工程应用提供了可能性。
(3)梯度功能材料的激光熔覆制备工艺。构建碳素钢粉末与刀具材料粉末流速的混合延时控制模型，通过激光熔覆成形实验，采用金相显微镜、扫描电镜进行切片组织分析，观察成形后材料的微观组织形貌，分析复合材料粉末在试样中的分布状况，获得控制延时补偿策略，用于对自动混粉系统的实时控制。
基于以上分析，本发明的一种刃口为两维梯度材料的模切刀辊的制造方法，所述刀锋结构进一步的实现方式为：以坐标原点为基准，在x方向由内往外由辊体基体材料逐渐过渡到刀具材料，实现刀具复合材料的均匀合金化；
刃体的刃口截面性能在x方向由内向外、在y方向由下向上的两维变化，实现“内柔外刚”的性能要求；
过渡区位于刃体和辊体基体之间，材料为刃体和辊体基体的两种混合材料，即在过渡区内，能检测刃体材料的组成元素成份，也有辊体基体材料的组织元素成份；且组织结构上从刃体到辊体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，而越接近辊体基体部分的过渡区，基体材料的组织元素成份越高。
刀锋结构的刃体截面材料为二维梯度设计，具体为：刃体截面材料分布，由软、硬两种材料采用激光熔覆工艺治金而成，材料组织分布为在二维梯度性能矩阵的x方向上，取点O，该点O的材料组成为普通碳素钢80％、硬质合金钢20％；取点1，该点1的材料组成为普通碳素钢60％，硬质合金钢40％；取点2，该点2的材料组成为普通碳素钢40％，硬质合金钢60％；取点3，该点3的材料组成为普通碳素钢20％，硬质合金钢80％；取点4，该点4的材料组成为普通碳素钢0％，硬质合金钢100％；在y方向上也是类似分布，取点O，该O点的材料组成为普通碳素钢80％，硬质合金钢20％；取点5，该点5的材料组成为普通碳素钢60％，硬质合金钢40％；取点6，该点6的材料组成为普通碳素钢40％，硬质合金钢60％；取点7，该点7的材料组成为普通碳素钢20％，硬质合金钢80％；取点8，该点8的材料组成为普通碳素钢10％，硬质合金钢90％；取点9，该点9的材料组成为普通碳素钢0％，硬质合金钢100％；材料硬度和耐磨性呈两维梯度分布，在x、y方向上硬度和耐磨性分布呈现一种梯度过渡分布，从原点O处硬度呈逐渐增大趋势，并最终达到最大值MAX，从而实现刃口截面性能在x方向由内向外、在y方向由下向上的两维变化，实现了“内柔外刚”的性能要求。
在辊体基体和刃体之间以冶金方式连接，且辊体基体和刃体为不同材料成分的组合；而在刃体上依据两维梯度性能矩阵为理论，在x、y两个方向呈现一种材料配比的梯度分布，从而刃口截面性能具有在x方向由内向外、在y方向由下向上的两维变化，实现了“内柔外刚”的性能要求。
下面结合示例，对二维梯度性能矩阵进行详细说明。如图2～5所示。对刀锋结构中的红色圈圈进行局部的二维性能矩阵分析，如图3所示，刀具的硬度从O点开始沿x、y正方向以及x负方向呈现从小到大逐渐递增的趋势，从而在刀具到达“内柔外刚”的性能要求，而且是一种两维分布，其沿x、y方向上的硬度分布如图4、5所示。为了更好的说明硬度的增大趋势，可以在x轴上的原点以及点1、2、3、4在激光熔覆中刀具材料的混合比例不同进行分析，选择普通碳素钢、硬质合金钢这两种激光熔覆材料的配比进行分析。普通碳素钢属于低碳钢，硬度不高偏软，硬质合金钢则硬度比较高，所以可以根据两者的配比知道刀具材料的硬度性能情况。
以坐标原点为基准，在二维梯度性能矩阵的x方向上，取点O(普通碳素钢80％，硬质合金钢20％)、点1(普通碳素钢60％，硬质合金钢40％)、点2(普通碳素钢40％，硬质合金钢60％)、点3(普通碳素钢20％，硬质合金钢80％)、点4(普通碳素钢0％，硬质合金钢100％)。在y方向上也是类似分布，取点O(普通碳素钢80％，硬质合金钢20％)、点5(普通碳素钢60％，硬质合金钢40％)、点6(普通碳素钢40％，硬质合金钢60％)、点7(普通碳素钢20％，硬质合金钢80％)、点8(普通碳素钢10％，硬质合金钢90％)、点9(普通碳素钢0％，硬质合金钢100％)。x、y方向上硬度分布如图4、5所示，也是呈现一种梯度过渡分布，从原点O处硬度呈逐渐增大趋势，并最终达到最大值MAX,。所以在x、y方向就可以呈现一种二维梯度性能矩阵，从而也可使刀具到达一种“内柔外刚”的性能要求，即刃体韧性高，抗变形和断裂能力强；同时，刃口硬度高，耐磨而不崩刃。
总之，本发明很好解决了目前在激光熔覆工艺加工后，模切刀辊刀具刃口中再模切时熔覆层裂纹和结合性差的缺点，即它解决了刃口形状精度偏差大、内部裂纹多、成本高的问题；也解决了模切刀辊中因结合性差产生崩刃的问题。
本发明充分利用了激光熔覆工艺技术优势。即①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；②实现刃口截面性能在x方向由内向外、在y方向由下向上的两维梯度变化，实现了“内柔外刚”的性能要求；③刀具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，都应该涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种刃口为两维梯度材料的模切刀辊，其特征在于：所述模切刀辊包括左支撑轴、辊体、刀刃、右支撑轴、以及辊体基体；所述刀刃设置于辊体上，所述辊体基体位于辊体下方，且辊体基体上设置有两个刀锋结构；刀锋结构与辊体为不同材料组成且冶金连接；刀锋结构的刃体截面材料为二维梯度设计；所述刀锋结构包括：过渡区和刃体；所述过渡区设置于辊体基体上，所述刃体位于过渡区上，所述刃体顶部设置有刀尖，刃体设置有左刀面和右刀面；所述刀锋结构进一步的实现方式为：在刃体上依据两维梯度性能矩阵为理论，在刃体截面内建立x、y坐标系，在x、y两个方向呈现一种材料配比的梯度分布，以坐标原点为基准，在x方向由内往外由辊体基体材料逐渐过渡到刀具材料，实现刀具复合材料的均匀合金化；
刃体的刃口截面性能在x方向由内向外、在y方向由下向上的两维变化，实现“内柔外刚”的性能要求；
过渡区位于刃体和辊体基体之间，材料为刃体和辊体基体的两种混合材料，即在过渡区内，能检测刃体材料的组成元素成份，也有辊体基体材料的组织元素成份；且组织结构上从刃体到辊体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，而越接近辊体基体部分的过渡区，基体材料的组织元素成份越高。
2.根据权利要求1所述的一种刃口为两维梯度材料的模切刀辊，其特征在于：所述刀锋结构与辊体为不同材料具体为：所述模切刀辊的刃体材料为合金工具钢或硬质合金钢，辊体基体材料为普通合金钢，采用激光熔覆工艺，直接将刀具材料熔覆在辊体基体圆柱面上，刃体和辊体的连接处，具有因治金形成所述的过渡区，其中，越接近刃体部分的过渡区，刃体材料的组成元素成分越高，而越接近辊体基体部分的过渡区，基体材料的组织元素成份越高。
3.根据权利要求1所述的一种刃口为两维梯度材料的模切刀辊，其特征在于：刀锋结构的刃体截面材料为二维梯度设计，具体为：刃体截面材料分布，由软、硬两种材料采用激光熔覆工艺治金而成，材料组织分布为在二维梯度性能矩阵的x方向上，取点O，该点O的材料组成为普通碳素钢80％、硬质合金钢20％；取点1，该点1的材料组成为普通碳素钢60％，硬质合金钢40％；取点2，该点2的材料组成为普通碳素钢40％，硬质合金钢60％；取点3，该点3的材料组成为普通碳素钢20％，硬质合金钢80％；取点4，该点4的材料组成为普通碳素钢0％，硬质合金钢100％；在y方向上也是类似分布，取点O，该O点的材料组成为普通碳素钢80％，硬质合金钢20％；取点5，该点5的材料组成为普通碳素钢60％，硬质合金钢40％；取点6，该点6的材料组成为普通碳素钢40％，硬质合金钢60％；取点7，该点7的材料组成为普通碳素钢20％，硬质合金钢80％；取点8，该点8的材料组成为普通碳素钢10％，硬质合金钢90％；取点9，该点9的材料组成为普通碳素钢0％，硬质合金钢100％；材料硬度和耐磨性呈两维梯度分布，在x、y方向上硬度和耐磨性分布呈现一种梯度过渡分布，从原点O处硬度呈逐渐增大趋势，并最终达到最大值MAX，从而实现刃口截面性能在x方向由内向外、在y方向由下向上的两维变化，实现了“内柔外刚”的性能要求。
4.根据权利要求1所述的一种刃口为两维梯度材料的模切刀辊，其特征在于：在辊体基体和刃体之间以冶金方式连接，且辊体基体和刃体为不同材料成分的组合；而在刃体上依据两维梯度性能矩阵为理论，在x、y两个方向呈现一种材料配比的梯度分布，从而刃口截面性能具有在x方向由内向外、在y方向由下向上的两维变化，实现了“内柔外刚”的性能要求。
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