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1、木工圆锯片的热处理工艺木工圆锯片的热处理工艺摘要：本文从木工圆锯片的服役条件、失效形式、性能要求、材料选择、整体加工工序、质量检测、缺陷分析与对策几个方面进行了详细的介绍与分析。设计出了等温淬火的热处理工艺，与传统淬火获得马氏体和残余奥氏体相比，它获得的下贝氏体组织具有较高的硬度和韧性、良好的弹性与塑形的配合及抗回火稳定性，从而提高了圆锯片的使用性能和使用寿命。关键性：圆锯片；热处理工艺；等温淬火；下贝氏体Abstract: The service conditions, patterns of losing effect, performance requirement, materials
2、-choosing, whole processing craft, possible defect and remedies and quality inspection of circular saw web has been introduced and analyzed. The heat treatment has been designed to not only make the work piece have more toughness, but also improve the performance and operation life. Key words: circu
3、lar saw web; heat treatment; isothermal quenching; low bainite1.1.概述概述1.11.1 圆锯片的定义圆锯片的定义圆锯片是用于切割固体材料的薄片圆形刀具的统称，由基体和刀头两部分组成，被广泛应用于石材，木材，金属材料及其合金的切割。圆锯片的实物图和零件图如图 1 和图 2 所示。图 1 圆锯片实物图 图 2 圆锯片零件图1.2 圆锯片的分类圆锯片的分类按材质不同可以分为：用于石材切割的金刚石锯片；用于金属材料切割的高速钢锯片（即 HSS 锯片，不镶嵌硬质合金刀头） ；用于实木、家具、人造板、铝合金、铝型材、散热器、塑料、塑钢等切割
4、的硬质合金锯片； 钨钢锯片；镶齿合金锯片等。按应用场合分为：铣刀锯片、机用锯片、手动锯片、金属专用锯片（铝业锯片，切铜锯片，不锈钢锯片等） 、切管圆锯片、木用锯片、石材锯片、切亚克力锯片等。按表面涂层分为：白钢锯片（本色） 、氮化锯片（黑色） 、镀钛锯片（金色） 、氮化铬（彩色）等。按齿形分为左右齿(交替齿)、平齿、梯平齿(高低齿)、倒梯形齿(倒锥形齿)、燕尾齿(驼峰齿)、以及并不多见的工业级的三左一右、左右左右平齿等。各种齿形示意图如图 3 所示。左右齿运用最为广泛，切削速度快，修磨相对简单。适用于开料和横锯各种软、硬实木型材和密度板、多层板、刨花板等。装有防反弹力保护齿的左右齿即为燕尾齿，
5、适用于纵向切割各种有树节的板材；带有负前角的左右齿锯片由于锯齿锋利、锯切质量好，通常用于贴面板的锯切。图 3 各种齿形示意图平齿锯口较粗糙，切削速度较慢，修磨最为简单。主要用于普通木材的锯切，成本较低，多用于直径较小的铝用锯片，以保持切削时减少粘连，或用于开槽锯片以保持槽底平整。梯平齿是梯形齿和平齿的组合，修磨比较复杂，锯切时可减少贴面崩裂现象，适用于各种单双贴面人造板、防火板的锯切。铝用锯片为了防止粘连也多用梯平齿的齿数较多的锯片。倒梯齿常用于裁板锯底槽锯片中，在锯切双贴面的人造板时，槽锯调整厚度完成底面的开槽加工，再由主锯完成板材的锯切加工，以防止锯口出现崩边现象。综上所述，锯切实木、刨花
6、板、中密板应选左右齿，能锐利地将木纤维组织切断，切口平滑；为了保持槽底平整的开槽，则用平齿齿形或者用左右平组合齿；锯切贴面板、防火板一般选择梯平齿，电脑开料锯由于锯切切率大，用的合金锯片直径和厚度都比较大，直径在 350-450mm 左右，厚度在 4.0-4.8mm之间，多数采用梯平齿，以减少崩边、锯痕。2.服役条件、失效形式和性能要求服役条件、失效形式和性能要求2.1.服役条件服役条件圆锯片的运动形式比较单调，但由于长时间高速旋转并受到振动和冲击作用，其服役条件一般比较苛刻1。我们将从受力特点和振动特性两个方面进行分析。2.1.1 受力特点：圆锯片在工作时，主要受到转动产生的离心应力、周期性
7、工作和材料不均匀导致的冲击力、切削时受到的切削力、摩擦力及热应力的影响。离心力：圆锯片转动时，受到的离心力分布为：切向应力在中心孔边缘最大，锯片外缘最小，且皆为拉应力；径向应力在中心孔边缘和锯片外缘为零，最大值大约在半径的 13 处，为拉应力。冲击力：由于圆锯片是一种多刃刀具，在切削过程中刃部的线速度很高，而刃部的受力是不连续的。刃部周期性受力，由零瞬间变化至最大，受到较大的冲击载荷并发生振动。圆锯片刃部的前刃面上的应力分布如图 4 所示。图 4 圆锯片刃部的前刃面上的应力分布 图 5 锯切状态下温度场分布除此之外，如果被锯切材料不均匀，硬度存在差异时，会导致圆锯片两侧受到大小不一的轴向冲击载
8、荷。 摩擦力：圆锯片工作时刃部与表面均会同被锯切材料产生强烈摩擦作用。热应力：圆锯片在工作时，切削刃与被锯切材料之间、锯片与被锯切材料锯路表面之间均会产生剧烈摩擦而产生热温度最高的区域在锯片的外边缘。木工圆锯片工作时与木材摩擦发热一般不超过 250。图 5 为锯切状态下温度场分布。切削力：在锯片的高速切削过程当中，锯齿会受到锯切力的作用，这个力的大小往往与锯齿的结构参数、锯片的转速和被锯切材料等有关2。不考虑冲击载荷时，圆锯片在高速回转切削时受离心力和切削力及不均匀温度场的综合因素影响,会在内部产生较大的应力。应力分布特点是：锯片外边缘处切向压应力最大,中心孔附近切向拉应力最大；径向应力皆为拉
9、应力,在约半径二分之一处出现最大值；中心孔附近与锯片外边缘径向应力值降为零。同时,沿径向温度梯度太高时,外边缘切向压应力值过大,将引起锯片失稳,产生边缘压曲现象,从而导致锯切精度和加工表面质量降低,锯路损失增大,出材率降低,锯片磨损加剧,使用寿命缩短等一系列后果3。2.1.2 振动特性：圆锯片工作时会有连续不断的振动，当圆锯片的转动速度接近或达到临界速度时，它就变得不稳定并呈蛇状运行，这是一种共振现象。共振现象能使一个较小的力引起较大的振动，导致锯片失稳变形。由于圆锯片工作时受力条件复杂、圆锯片本身直径与厚度比较大及紧固不劳等原因，会产生比较复杂的振动特性：通常认为主要包括三种振动形式，分别为
10、：扭转振动、径向振动和横向振动。圆锯片以其中心线为轴心所做的往复扭转位移运动即为圆锯片的扭转振动，周期性的切向反力是造成圆锯片扭转振动的主要原因；圆锯片沿其直径方向所做的伸缩振动即为圆锯片的径向振动形式，锯齿冲击摩擦工件时所受到的径向反力是产生径向振动的主要原因；圆锯片基体沿转轴轴向所做往复位移振动即为其横向振动；对于大面积的薄板来说扭转刚度和径向刚度比其弯曲刚度要高，故横向振动对圆锯片的动态稳定性影响最为显著，横向振动会给圆锯片基体带来不同程度的轴向变形，其振动形式最能反映旋转圆锯片的振动特性。圆锯片工作的不稳定性是指锯片的横向振动，它影响木材的加工质量、使锯路宽度增大，增加了锯切阻力，消耗
11、功率大；轴向分力和不同的锯切参数都有可能使得圆锯片在锯切过程中产生横向振动，从而引起圆锯片的轴向变形，这也是锯片的主要失效形式之一4。2.2 失效形式失效形式通过以上对服役条件的分析可知，木工圆锯片的主要失效形式为：连续切削与摩擦导致刃部及表面的磨损。冲击与振动导致弯曲变形、开裂。2.32.3 性能要求性能要求为防止锯片失效破坏，应对其机械性能有如下要求：锯片有足够的抗弯强度，较高的屈服极限，保证受到正应力的做用下不破坏。锯片有足够的韧性，以抵抗工作过程中的振动和冲击，冲击韧性 ak 值高。锯片具有足够的硬度，硬度一般为 HRC4448，保证耐磨性，防止磨钝失效。工作时锯片刃部温度打到 200
12、以上，需要锯片刃部具备一定热强度和红硬性。锯片有较高的疲劳强度。锯片应平整，减少横向变形量。3.3.圆锯片材料尺寸选择圆锯片材料尺寸选择3.13.1 圆锯片材料选择圆锯片材料选择根据圆锯片的工作条件和技术要求，圆锯片材料的选择原则为：材料应该具有一定的硬度和耐磨性、良好的弹性和塑形、淬透性，部分使用温度较高的圆锯片需要有一定的红硬性。选择的材料应该在热处理后能达到 HRC4448 的硬度值。木工圆锯用材料：可选用的材如下：碳素工具钢，如 T8，T10。合金工具钢，如 8MnSi，钨合金工具钢。弹簧钢，如 65Mn, 60Si2Mn。选择 65Mn 的原因：Mn 元素可以提高钢的淬透性并降低脱碳
13、倾向，可以在热处理后获得理想的硬度。另外，弹簧钢在淬火加中温回火后可以得到较好的弹性和塑性的配合，切削性能好，价格低廉。65 钢和 65Mn 钢的 TTT 曲线如图 6 和图 7 所示，可以看出与 65 钢相比，Mn元素的加入是提高了钢的淬透性与强度，降低了钢的脱碳敏感性，并且使奥氏体区域扩大，奥氏体等温转变曲线右移，Ms 点下降，这样淬火后有较多的残留奥氏体，有利于校直压平5。图 6 65 钢的 TTT 曲线 图 7 65Mn 钢的 TTT 曲线但它有过热敏感性，易产生淬火裂纹，并有回火脆性，故对热处理工艺要求非常严格。65Mn 钢的化学成分如表 1 所示，力学性能参数如表 2 所示，临界点
14、温度如表 3 所示。表 1 65Mn 钢锯基的化学成分(质量分数)w（） 化学成分（熔炼成分） ，%牌号CSiMnPS65Mn0.640.6 80.200.2 80.901.1 00.0200.015表 2 65Mn 钢锯基的原材料硬度及力学性能 硬度 HRCSMPabMPa5（） 21245306307358501730表 3 65Mn 钢的临界点温度Ac1Ac3Ar1Ar3Ms 7267656897412703.23.2 圆锯片规格选择圆锯片规格选择表 4 GB/T 21680-2008/ISO2935:1974 圆锯片尺寸规格根据表 4 我们选择外径 400mm，内径 60mm,厚度 2
15、.5mm 作为最终加工尺寸。4.4.整体加工工序整体加工工序综合考虑到基体材料性能、简化加工工序、提高生产效率及节约成本等问题，以提高产品质量为主要原则，最终决定选择如下冷热加工工序：下料-预备热处理（均匀化退火+完全退火）-粗加工（冲中心孔-校平-冲齿）-热处理（等温淬火+中温回火）-精加工（粗校平-粗磨平面-孔加工-精磨平面-精校平）-去应力退火-涂油入库下料：使用剪床将原料热轧钢板加工成圆片，留出加工余量。预备热处理：包括均匀化退火和扩散退火，后面我们会详细介绍。粗加工：首先使用压力机在圆形板料中心冲出定位孔。然后进行校平，此处的校平可以采用手工锤击校平，也可使用校直机进行校平。接着在压
16、力机上用冲齿模具冲出基体周边工作齿形，并用锯片磨齿机磨齿。热处理：包括等温淬火和中温回火，后面我们会详细介绍。精加工：使用校直机进行粗校直，然后用立轴磨床进行粗磨，对孔进行精加工，接着用卧轴磨床精磨平面，用锯片研磨机对齿形进行精磨，并使用校直机进行精校直。去应力退火：消除加工过程引起的残余应力，减小变形，防止开裂。涂油入库：将工件涂油，放入库中存放。5.5.热处理工艺热处理工艺热处理设备：130KW 箱式炉。内热式淬火盐浴槽。夹具。200t 校直床。井式回火炉。5.15.1 预备热处理预备热处理我们采用的材料是 65Mn 热轧钢板, 基体原始组织如图 8 所示，合金元素Mn 会降低钢的熔点,在钢锭凝固过程中, 随温度下降, 剩余钢液内的含 Mn 量会相对增加, 从而降低钢液的凝固温度, 使钢液中的成分扩散速度减慢, 这样就会形成枝晶偏析, 在枝间含 Mn 量高, 最
