CN110202209B - 一种带锯条 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带锯条，包括锯条本体和位于锯条本体上的锯齿，依次排列的九个锯齿形成一个主齿组，每一个主齿组包括第一子齿组、第二子齿组和第三子齿组；每一个子齿组均包括依次排列的第一锯齿、第二锯齿和第三锯齿，所述第一锯齿为直齿，所述第二锯齿和第三锯齿分别为左分齿和右分齿；这九个齿中有三个不分齿的齿，和六个分齿的齿，通过对齿的不同高度的控制和导角量的控制，使本发明的齿型在切削时将切屑分为11片切屑，这种齿型可显著降低切削中的切削力。
Description
技术领域
本发明涉及一种带锯条，属于锯切金属刀具领域，尤其涉及一种锯切难切削镍基合金的硬质合金带锯条。
背景技术
为了达成在锯切大型难切材料时将切削力显著减小这个目标，业内的技术人员做了各种各样的努力，如不分齿的三屑型齿型，但由于该方法受到周期内齿数的限制，切削力减小并不明显。有的则将背边做成波纹型，以使每个齿上的平均切削力增加而总切削力不变或减小，克服三屑不分齿型参与切削齿数过多的问题。像锯切大型锻造的因科耐尔（inconel）718材料，里面有很大的残余内应力，容易引起在锯切中的夹锯等现象，而这类材料非常贵重，一旦开始锯切，必须把它锯开，否则会浪费材料，造成很高的成本损失。为了解决夹锯的问题，分齿型锯条可以增加分齿量将切口加宽，而不分齿型则要加大焊接的硬质合金齿尖，且加大后的硬质合金齿尖也更容易被拉齿，容易被拉齿是不分齿齿型产品的一个主要弱点。
带锯条主要用于锯切金属的棒材和型材，它与圆盘锯相比其优点是切缝小，不浪费材料；切断大型因科耐尔合金时，砂轮切割由于切缝过宽会带来大量的贵重材料损失，而带锯条则不然。带锯条的应用劣势在于当锯切阻力超过带锯条的进给力时，带锯条会逐渐失去扭转刚度从而带锯条可能发生切斜。从这一点来看，这意味着带锯条的齿型应可以做一些调整以减小进给力，这种设计就包括将一些齿尖高度设计更高更长作为切削中的直线锯切导向作用，并将齿尖设计成不同的高度，将切屑横向分开，但切屑厚度变厚。这类概念最典型的齿型如三屑不分齿型。
唯一减小两侧切削阻力的方法是让最大的切削阻力在左右两边成对出现。如果这个成对出现的阻力之间的距离足够小到在同时出现在切削中，那么这两个力就可以达到相互的平衡。但距离如果足够小又意味着大量的齿在同时锯切，也就意味着在锯切大型实心材料时，总的进给力会增加。
由于带锯条又薄又长的这种几何形状的特点，相当于“刀柄”的背部刚性低。切削中的另一个问题是背材刚性低的锯条的许多进给分力是同时发生的，如果每个齿距相同，那么每个分力的距离也相同，这将导致振动、噪声、毛面和锯条寿命降低。锯条寿命减低是由于振动造成齿尖边缘被损伤，尤其是硬质合金的刃口，对振动尤其敏感。如果仅几个齿同时切削，切削阻力不会被很好地平衡，进而造成工件表面的波纹。从1988年的美国专利US4784033开始，专门针对工件波纹问题设计了新的齿型来克服两侧切削阻力不对等的问题，它通过将两侧的切削阻力同时施加到了同一个齿，这样就使工件的加工面变得光滑了。
带锯条“刀柄”的刚性低导致带锯条即便是在一个特定的锯切条件都很难优化其设计，更不要说复杂情况下的锯切大而难切的材料了。为了解决锯切大型难切材料的锯切问题，前人都进行过非常多的尝试。齿尖高低齿的设计方式不仅是用于导向，也是让其中几个更长的齿基于合理锯切效率的前提下在锯切硬材料时分配到更多的切削任务，而在锯切软材料时，所有齿都能参与切削。
变齿距可以减少振动并将相同高度的成对的齿同时切削而不需要使更多的齿同时参与切削。设置不同的分齿量可以将切屑分为多片以改善切屑成型（更窄，更厚）。带锯条分齿通常逻辑为：直齿-右分齿-左分齿（左右齿成对出现） ，但经常有5个齿或更多齿参与切削，而低齿比高齿往往有更大的分齿量。
正常情况下齿形周期是通过磨齿、铣齿、冲齿对齿形加工成型，并采用分齿机对锯条进行分齿。太长的齿型周期需要更大的设备对其加工，越大的设备越昂贵，且可能没有厂家能够提供这种设备。
这些美国专利US4727788、US5832803、 US5331876、US4727788、 US6119571中应用了三种不同的技术如高低齿、变齿距、变分齿量来解决锯切难切大型材料的问题。但如US4727788所述的齿型制造过程过于复杂，大多的专利宣称的改进产品制造成本均过高，不利于产品竞争。
发明内容
为了锯切大型难切削镍基合金，使得锯切过程中尽量多的产生更多片的切屑以减小总切削力，本发明提供一种带锯条，具体技术方案如下。
一种带锯条，包括锯条本体和位于锯条本体上的锯齿，其特征在于，依次排列的9个锯齿形成一个主齿组，每一个主齿组包括第一子齿组、第二子齿组和第三子齿组；每一个子齿组均包括依次排列的第一锯齿、第二锯齿和第三锯齿，所述第一锯齿为直齿，所述第二锯齿和第三锯齿分别为左分齿和右分齿；
所述第一子齿组的第一锯齿具有第一高度，其两侧均设置有倒角；所述第二子齿组的第一锯齿具有第二高度，其两侧均设置有倒角，且顶部平面宽度大于所述第一子齿组的第一锯齿的顶部平面宽度；所述第三子齿组的第一锯齿具有第三高度，且顶部平面宽度大于所述第二子齿组的第一锯齿的顶部平面宽度；
所述第一子齿组的第二、第三锯齿与所述第三子齿组的第二、第三锯齿具有相同的第五高度；所述第二子齿组的第二、第三锯齿具有第四高度，且第二子齿组的第二、第三锯齿的外侧设置有倒角；
所述第一高度、第二高度、第三高度、第四高度和第五高度的高度依次递减。
进一步地，所述锯齿包括由硬质合金型材的刃口。
进一步地，所述第一高度、第二高度、第三高度、第四高度和第五高度的高度呈等差数列依次递减。
进一步地，所述第一子齿组的第一锯齿的顶部平面宽度等于锯条厚度的20-30％，优选为25%。
进一步地，所述第二子齿组的第一锯齿的顶部平面宽度等于锯条厚度的60-70％，优选为66%。
进一步地，所述第三子齿组的第一锯齿未设置倒角。
进一步地，所述第一子齿组的第二、第三锯齿与所述第三子齿组的第二、第三锯齿均未设置倒角。
进一步地，上述倒角均采用45°的倒角；且所述第二子齿组的第二、第三锯齿的倒角宽度为1/2的分齿量。
进一步地，所述锯齿的后角在10到30度之间，优选为25度；所述锯齿的前角在0到15度之间，优选为10度。
进一步地，所述带锯条采用定齿距或者变齿距。每英寸平均齿数（TPI）在带锯的几何图案中可以是任意数字。
进一步地，第一子齿组、第二子齿组和第三子齿组的排列顺序可不做限定，可以以任何顺序排列，而不影响所述切屑的数量或尺寸或切削能力。
本发明通过对不同的齿部导角，使带锯条在切削大型难切材料时将切屑分为11片，以减小大型难切镍基合金如inconel718时的切削力。能够尽量多的产生更多片的切屑以减小总切削力，采用本发明的带锯条进行切削时，同样切削效率的情况下，每个齿的平均切削力更低，产生的切屑又窄又厚。
附图说明
图1为本发明带锯条的齿型的横截面示意图；
图2中的（a）为本发明带锯条的主视图（未标示各个锯齿的高度）；
图2中的（b）为本发明带锯条的俯视图；
图3为本发明磨齿后每个齿的前视图；
图4为第12届国际柔性自动化会议上发表的论文图表“切削力与切屑厚度的关系”；
图5为力与切削深度的关系的标准化图表；
图6为标准化扁平齿每齿切削示意图；
图7为标准化三分齿型每齿切削示意图；
图8 为Bahco 3881 THQ和Bichamp CB PRO型齿的标准化标准化每齿切削示意图
图9 为Lenox Cast Master标准化每齿切削示意图；
图10为 Wikus 542 不分齿齿形标准化每齿切削示意图；
图11为标准三屑不分齿齿型标准化每齿切削示意图；
图12为本发明的型齿的标准化每齿切削示意图；
图13为双金属带锯条和硬质合金带锯条齿尖分齿扭转角对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
参见图1-3、12，本发明的硬质合金带锯条，九个锯齿为一个主周期（九个锯齿形成一个主齿组），每三个锯齿为一个子周期（三个锯齿形成一个子齿组），每个子周期包括依次排列的一个直齿导向齿，一个左分齿，一个右分齿（图2中，S: 不分齿直齿，L:左向分齿齿，R:右向分齿齿）。九个锯齿有五级齿高，齿高是指锯齿的齿尖高度，从高到低分为第一级高度到第五级高度，优选每级高度阶梯差相同（图3中，Y1~Y4 为齿与齿之间的高度差异，每一级的高度差均相同），九个锯齿共有四类齿尖形状。这四类齿尖形状如下：
第1类：直齿无导角 第2类：直齿两侧导角 第3类：分齿外侧导角 第4类：分齿无导角
在主周期中，1号齿为最高的齿，齿尖高度属于第一级，具有第2类齿尖形状，未倒角部分的宽度X2为25%锯条厚度X1。
随后的2、3号齿属于第4类齿尖，他们的高度为第五级，并对称左右分齿。
4号齿为第2类直齿，比1号齿高度低一个级别，高度属于第二级。未导角部分宽度X3为66%带锯厚度X1。
5、6号齿为第三种齿尖，分别左右分齿，齿尖高度为第四级，比2、3号齿高一个级。一侧导角，其导角宽度X4为50% 分齿量S。
7号齿为第一类直齿齿型，齿尖高度为第三级。
8、9号齿为第一类齿尖，分别左右分齿，齿尖高度为第五级，分齿量和高度均与2、3相同。
1、2、3号齿组成第一子齿组，4、5、6号齿组成第二子齿组，7、8、9号齿组成第三子齿组。需要说明的是，第一子齿组、第二子齿组和第三子齿组的排列方式可以随意组合，并不会对切削数量或尺寸或切削能力产生影响。
本发明的齿型与硬质合金头焊接前铣齿成型的（或者是其他加工方式）背材上的齿型没有必然的联系，如铣齿形成的齿型周期可能为7个齿一个周期或者5个齿一个周期。因此，如果背材齿尖成型后的齿型周期若为7个齿，而齿尖磨齿周期按本发明的设计，那么，实际上锯条的齿型周期为64个齿一个周期。因为铣齿周期和磨齿周期不一致，在同一个铣齿成型的齿形出现1号磨齿齿尖需要相隔64个齿才能出现。
本申请的另一个改变是将后角从传统的20度角调整到25度角，自1986年以来，硬质合金带锯条的齿尖后角采用的20度角，主要是担心后角变大后锯切中振动过大，然而本发明设计的齿型经过现场试切因科耐尔718，证明25度后角是不会造成过大的振动的。将后角增大也是为了进一步减小切削力。
本申请的主要目地是尽量多的产生更多片的切屑以减小总切削力。采用该齿型的切削时，同样切削效率的情况下，每个齿的平均切削力更低，产生的切屑又窄又厚。
本申请的另一层目的也不同于美国专利US5832803 中公开的齿型，它可以应对当今更大更难切的材料。当然US5832803的产品可以在市面上存在20来年，也是基于其成功的设计，它并非美国专利US5331871的更新版设计，而是另一种理念。
本发明的齿型设计的目的是减小切削力并进而减少切削刃上的张力损失。这提高了锯切质量并延长了带锯的使用寿命。
本申请的带锯条齿型与其他齿型的切削力分析对比
在大多数与减小切削力有关的齿型专利说明书中，主要关注的是产生各种形式的多个切屑的齿几何形状而从不分析其原理，并将性能评估留给专利审查员和最终用户接受这些权利要求作为事实。
以下是从原理上分析各种齿型如何影响切削力的。首先必须理解切屑厚度与形成切屑所需的切削力之间的关系。 2002年，德国德累斯顿（Dresden）举行的柔性自动化和智能制造国际会议上，M. Sarwar，H.Hellberg，A.R ，Doraisingam和M. Persson提出了一篇题为“模拟带锯条的间间断性切削动作（Simulation of the Intermittent CuttingAction of a Bandsaw Blade）”的论文。该研究在英国纽卡斯尔诺桑比亚大学工程学院完成。
该研究本质上是研究锯切时产生的切削力与切屑厚度之间的关系。他们将一个单齿切割试样安装在车床上的旋转夹具上。安装在单个齿座上的仪表测量了切削力和进给力。该论文的一幅图显示在该申请的图4中。
本申请的发明人是Hellberg先生和Persson先生在1991年至2006年期间共同工作了15年的同事。在此期间，“经验法则”认为切屑厚度加倍切削力只提升了60％。多年来对所有类型的材料进行锯切测试都证明了这一理论，其中的带锯条包括双金属和硬质合金尖头带锯条。基于该研究结果和试验结果，总结出了图5中的切削力与切屑厚度的关系曲线。
在该图中，横轴上的切屑深度和纵轴的切削力已经标准化。“1.0”标准切屑厚度值代表切割特定材料时带锯锯切的推荐的每齿切削深度。“1.0”标准切削力表示1mm宽的单齿切削所切削的特定材料的1.0 标准化切屑厚度所需的力（后称单位切削力）。
如果将图4中的曲线图标准化，则将密切验证图5的曲线。图5中的曲线图可用于比较各种齿型的相对切削力，而不管切削的材料如何。
前人的齿型设计与本申请齿型的对比分析将以锯切因科耐尔718为例。该分析基于以下参数：相同的切削速度，相同的进给速率，相同的切缝宽度等于2.6mm，相同的材料和相同的齿距。
图6为扁齿切削的示意图。其中，C1:产生的第一片切屑，切屑厚度tc=1.0，
F=1.0f/mm f:每mm切屑宽度代表的一个单位切削力
Ft=(2.6)×F=2.6f
平均每齿切削力为2.6f。
图7为百固（Bahco）3868 TSX、雷洛克斯（Lenox）Tri Tech、泰嘉（Bichamp）CB MP等三分齿齿型切削示意图。其中，C1~C3表示产生的三片切屑，
Ft=((2)×(0.65)×(2.1)+(1.3)×(2.1))f
Ft=2.73+2.73=5.46f
每齿平均切削力=总切削力/总齿数=5.46f/3=1.82f。
图8为百固（Bahco） 3881 THQ、泰嘉（Bichamp） CB PRO等六齿分齿齿型的切削示意图。其中，C1~C7表示产生的7片切屑，
Ft=(2.6)×(3.35)=9.1f
每齿平均切削力=总切削力/齿数=9.1f/6=1.516f。
图9为雷洛克斯（Lenox） Cast Master的三齿不分齿齿型的切削示意图。其中，C1~C5表示产生的5片切屑，
Ft=(2.6)×(2.1)=5.46f
每齿平均切削力=总切削力/齿数=5.46f/3=1.82f。
图10为Wikus542 不分齿齿型的切削示意图。其中，C1~C7表示产生的7片切屑，
Ft=((1)×(2.56)+(2)×(0.45)×(2.56)+4×(0.35)×(2.1))f
=(2.56+2.304+2.24)f
Ft=7.104f
每齿平均切削力=总切削力/齿数=7.104f/4=1.776f。
图11为标准三屑不分齿齿型的切削示意图。其中，C1~C3表示产生的三片切屑，
Ft=(2.6)×(1.6)=4.16f
每齿平均切削力=总切削力/齿数=4.16f/2=2.08f。
图12为本申请的齿型的切削示意图。其中，C1~C11表示产生的11片切屑，
切屑厚度为tc
切屑(3,4,5,6,7,8,9) tc=9, F=4.5f
切屑(2,10) tc=6, F=3.35f
切屑(1,11) tc=3,F=2.1f
Ft=((2.1)×(4.5)+(2)×(0.25)×(2.1)+(2)×(0.25)×(3.35))f
=(9.45+1.05+1.675)f
Ft=12.175f
每齿平均切削力=总切削力/齿数=12.175f/9=1.352f。
最后，比较每种齿型的每齿平均切削力。其结果基于刀具的最低切削力，7种齿型平均每齿切削力从低到高分的排序如表1所示。
表1：各种齿型的每齿平均切削力对比
显然，本申请的齿型切削力最低。应该注意的是，如果切削力假设是线性的，切屑厚度是切削力的两倍，那么所有齿将具有相同的2.6个单位切削力 。另外，如果考虑本申请齿型的顶部间隙角增加到25度，切削力其实更低。
在US2005/257660A1专利申请公开文本中，本申请的发明人提出了两种三齿分齿型齿型，当时是百固（Bahco）工具的兼职雇员。基本上该申请是类似于Bahco 3881 THQ齿型，除了用于生成薄切屑分齿的倒角齿之外，使用具有较小分齿量的未倒角平齿，该申请的齿型标记为3868 TSP 。是根据标准Bahco 3868 TSX和3881 THQ所提出的齿型设计样品并进行耐磨测试。测试工件是140毫米方形304 SS。每个锯条的初始切削力与预期一致，TSX锯条具有最大的力，THQ和TSP力降低80％。有趣的是，比较齿尖切削力的新方法具有类似的比较。TSX齿型锯切了55片，THQ 90片，TSP仅仅完成27片的切削。TSP齿型被认为是失败的，该项目被取消，专利未被通过。当时没有被理解的是，在多种分齿量组合下，硬质合金锯条注定要失败，而双金属则没有这个问题。根本原因在于锯条后角的差异，硬质合金锯条通常为20度，双金属锯条则为30度。该角度反过来影响齿尖扭转角，主后角越小，扭转角越小。扭转角越小，齿尖越容易受到边缘磨损，从而导致更高的横向力和更低的横向切削能力，这就是TSP锯条因设置低分齿量而失败的原因。
采用特殊分齿方式分齿的保持正常的分齿量的硬质合金锯条会尽可能扭转齿尖，以达到足够的扭转角度，防止过早切屑。具有讽刺意味的是，最初只使用倒角齿概念主要是因为当时分齿设备无法形成多个级别的分齿量。作为进一步的证据，市面上没有多个分齿级别的硬质合金锯条，而双金属带锯条的高低齿则是多级别分齿。在图13中，示出了后角和分齿量对扭转角的影响。
试验测试
在中国的一家主要的铬镍铁合金生产商进行了试验。目标是成功完成大型Inconel 718锻件的切割，尺寸超过550毫米（21英寸）。之前尝试使用美国生产商生产的Triple Set型硬质合金刀片进行锯切，使用了三根锯条也未能完成该任务。使用泰嘉（Bichamp）的CB PRO带锯进行的测试在16小时内进行了一次切割，但在切割的底部三分之一处有切斜。
使用本申请的带锯条，第一次锯切，将整个工件在8小时内成功完成锯切加工，无切斜等故障。鉴于带锯操作员非常谨慎和保守，锯切时间并不过长。随后使用多根同类产品进行测试，本申请的锯切效率和锯切效果以及锯切寿命均较其他产品有显著的改进。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种带锯条，包括锯条本体和位于锯条本体上的锯齿，其特征在于，依次排列的9个锯齿形成一个主齿组，每一个主齿组包括第一子齿组、第二子齿组和第三子齿组；每一个子齿组均包括依次排列的第一锯齿、第二锯齿和第三锯齿，所述第一锯齿为直齿，所述第二锯齿和第三锯齿分别为左分齿和右分齿；
所述第一子齿组的第一锯齿具有第一高度，其两侧均设置有倒角；所述第二子齿组的第一锯齿具有第二高度，其两侧均设置有倒角，且顶部平面宽度大于所述第一子齿组的第一锯齿的顶部平面宽度；所述第三子齿组的第一锯齿具有第三高度，且顶部平面宽度大于所述第二子齿组的第一锯齿的顶部平面宽度；
所述第一子齿组的第二、第三锯齿与所述第三子齿组的第二、第三锯齿具有相同的第五高度；所述第二子齿组的第二、第三锯齿具有第四高度，且第二子齿组的第二、第三锯齿的外侧设置有倒角；
所述第一高度、第二高度、第三高度、第四高度和第五高度的高度依次递减。
2.根据权利要求1所述的一种带锯条，其特征在于，所述锯齿的刃口采用硬质合金。
3.根据权利要求1所述的一种带锯条，其特征在于，所述第一高度、第二高度、第三高度、第四高度和第五高度的高度呈等差数列依次递减。
4.根据权利要求1所述的一种带锯条，其特征在于，所述第一子齿组的第一锯齿的顶部平面宽度等于锯条厚度的20-30％。
5.根据权利要求1所述的一种带锯条，其特征在于，所述第二子齿组的第一锯齿的顶部平面宽度等于锯条厚度的60-70％。
6.根据权利要求1所述的一种带锯条，其特征在于，所述第三子齿组的第一锯齿未设置倒角。
7.根据权利要求1所述的一种带锯条，其特征在于，所述第一子齿组的第二、第三锯齿与所述第三子齿组的第二、第三锯齿均未设置倒角。
8.根据权利要求1所述的一种带锯条，其特征在于，上述倒角均采用45°的倒角；且所述第二子齿组的第二、第三锯齿的倒角宽度为1/2的分齿量。
9.根据权利要求1所述的一种带锯条，其特征在于，所述锯齿的后角在10到30度之间；所述锯齿的前角在0到15度之间。
10.根据权利要求9所述的一种带锯条，其特征在于，所述锯齿的后角为25度。
11.根据权利要求1所述的一种带锯条，其特征在于，所述带锯条采用定齿距或者变齿距。
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