弹簧钢方棒(硬质合金木工圆锯片的CAD设计方法探究)

硬质合金圆锯片是一种效率很高的切割刀具。因其切割锯路窄、效率高和切割面质量好而广泛应用于切割木材、塑料、铝型材、有机玻璃以及家俱等行业中。本文通过介绍硬质合金圆锯片各部分的名称，了解锯片的组成结构以及CAD软件设计锯片参数的选定。

1 硬质合金圆锯片各组成部分名称及介绍

硬质合金圆锯片由合金刀头和本体构成。本体是钢板，材质大都为合金工具钢、弹簧钢等优质钢板。由于锯片在工作中切削速度快，会产生大量的热。为更好的散热，可以在本体上设计若干个散热线、散热孔等。因锯片工作时的转速高，产生的噪音很大，可以根据锯片加工的对象不同，设计不同的消音槽，尽可能减少噪声污染。安装孔可根据机床设备主轴直径大小以及安装方式来设计，有光孔、键槽孔和带小圆孔等。刀头材质为硬质合金，刀头需要经过银焊焊接在本体上。焊接采用人工焊接和机器自动焊接。硬质合金圆锯片结构，如图1所示。

图1 硬质合金圆锯片结构

2 硬质合金刀头的选择

硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。由于具有硬度高、耐磨的特点，被广泛应用于刀具材料。

硬质合金有钨钴类（YG）和钨钛类（YT）两种。钨钴类的硬质合金抗冲击性较好，广泛应用于木材加工。常用的型号有YG8～YG15，YG后面的数字表示钴含量的百分数。合金的抗冲击韧性和抗弯强度随着钴含量的增加而提高，但硬度和耐磨性却会有所下降。因此，选用刀头材质的牌号时要根据切割对象不同加以选用。例如，纵切软木可以选择牌号大些的，横切实木的刀头需要高的硬度而选择小牌号。

3 本体各参数的选择

3.1 本体材质的选择

65Mn弹簧钢因弹性和塑性好、热处理淬透性好以及材料经济，广泛被国内锯片厂家做为本体使用。又因其具有受热温度低、易变形的缺点，所以被用于切削要求不高的锯片。

50Mn2V合金钢，由于其添加了0.08%～0.16%的钒，改善了淬火性能，同时增加了锰含量、降低了碳含量，改善了钢的各项力学和机械性能，提高了耐热性，使耐热变形温度在300～400℃，延长了锯片寿命。此材料适合于制造高档硬质合金圆锯片。我国较常使用的本体材质牌号有45Mn2V、50Mn2V等，日本锯片本体牌号为SKS5。

3.2 本体厚度的选择

锯片的厚度决定了锯片刀头的宽度，刀头的宽度一般比本体厚度尺寸大1mm左右。虽然本体厚度越厚其强度越高，但刀头宽度也会相应增加，导致锯缝变宽，材料消耗量增大。合金锯片的厚度是由锯片本体的材质和制造锯片的工艺决定的。厚度过薄，锯片工作时容易摆动，影响切削的质量。锯片厚度的选择要考虑其工作的稳定性以及节省锯切材料，而有些锯片厚度是特定的，如开槽锯片、划线锯片等。

3.3 本体直径的选择

锯片直径与所锯切工件的厚度及设备有关。锯片厚度一定时，直径越小，强度就越高。根据加工对象的厚度，通常可选的锯片直径有：110、150、180、200、205、250、255、300、305、350、355、400、500（单位：mm）。精密裁板锯底槽锯直径大多为120mm。设计本体厚度与直径间对应的经验参考，如表1所示。

表1 锯片本体设计厚度与直径间的关系

3.4 齿数确定

锯片的齿数是由切削对象以及切削方式决定，通常齿间距为15～25mm。比如，切削材料致密且很硬，设计齿数就要要多些；相反，切割材料疏松，容屑槽要大，齿数就相应减少些。

切割相同的木材，纵剖和横切方式的不同，齿数也是不同的。纵剖材料稀疏，齿数就少；横切材料纤维多，齿数就多。当然齿数多，所需的硬质合金刀头量就会增加，锯片价格就会增高，所以说齿数需要考虑的因素较多。

3.5 锯片齿形的选择

常见锯片齿形的几种形式，如图2所示。平齿修磨较为简单，且成本较低，主要用于普通木材的锯切，或用于开槽锯片以保持槽底平整。左右齿形应用最为广泛，其切削速度快，修磨也较简单，适用于多片锯、实木纵剖、齐边锯、强化地板和铝合金贴面等。左右平齿形多用于胶合板、相框和刨花板贴面开槽。梯平齿修磨比较复杂，因锯切时可减少贴面崩边现象和防止铝合金粘连和锯痕，通常用于裁板锯、铝合金。由于电子开料锯所用直径和厚度都较大，一般直径在350～450mm，厚度在4.0～4.8mm之间，也多数采用梯平齿。

图2 常见锯片齿形形式

3.6 锯片刀刃角度的设计

锯片切削刃角度有六种，分别是径向前角、径向后角、横向前角、先端倾角、侧面后角和侧面向心角。其中，对切削性能影响最大的是径向前角和径向后角。径向前角越大锐度越好，切削速度越快，一般在10°～20°。加工材料较软或实木纵剖时，径向前角选择应该大些；反之，材质较硬角度就小些。径向后角作用是防止锯齿与已加工表面之间发生摩擦，后角越大则摩擦越小，加工的产品越光洁。但径向前角一定，径向后角越大，刀头就会越薄，导致强度降低。硬质合金锯片的径向后角一般取值在10°～15°。各角度如图3所示。

图3 锯片切削刃角度示意图

3.7 散热线的设计

散热线是为了使锯片在加工中快速散热。如果不及时散热，锯片就会变形，从而影响锯片的切削质量，严重时会导致加工不能正常进行。散热线是由光滑的曲线组成，由激光直接切割而成，两端是小圆孔或椭圆小孔，直径约为0.5mm。图4为常见散热线形状。散热线的数量一般由锯片的大小和刀头的数量来决定。直径在300mm或300mm以上的锯片本体大都采用散热线，设计数量为刀头数量的倍数，一般是3～5条。多片锯或薄片锯因其锯片直径不大，不建议用散热线，大多设计成散热孔。

图4 常见散热线形状

3.8 消音槽的设计

锯片在高速切削时，会产生噪音污染。90dB以上的噪声会影响人的听力，所以在设计锯片时要采用消音槽结构，从而降低噪声。消音槽的三种结构，如图5所示。多片锯大都采用B图消音槽，直径大于250mm的多采用A图消音槽。若在消音孔内嵌入紫铜棒，如C图，减少噪音效果更好，一般在大直径的锯片中使用。

消音槽的长度M根据锯片直径来确定，小直径的锯片消音槽长度M就短，锯片直径大消音槽长度M就长，具体尺寸参考表2。

图5 消音槽的三种结构

表2 锯片不同外径相对应消音槽的长度（mm）

3.9 安装孔的类型及大小

锯片中心孔是锯片的安装孔，其直径大小与木工锯床设备安装轴粗细有直接关系。所以在设计中心孔时一定要询问客户安装孔的尺寸。安装孔的形式有光孔、带有矩形键槽的安装孔（有一个或两个键槽）和带有小圆孔的安装孔（有一个或两个圆孔）。目前，国内设计的锯机标准件的孔径，锯片直径在120mm及以下安装孔直径多为20mm；锯片直径在120～230mm的多为25.4mm安装孔；锯片直径在250mm以上多为30mm安装孔径；部分进口设备也有15.875mm安装孔。多片锯安装孔一般带有键槽以保证其稳定性。

4 锯片CAD的设计画法

硬质合金木工圆锯片设计过程依据前面所述参数来进行CAD画图。首先画出水平和垂直中心线，根据要设计锯片的直径画出刀头所在的圆和安装孔所在的圆。其次，选择合适的硬质合金刀头，依据切割不同的材料选择径向前角和径向后角，用角度线命令画出刀头和齿座的轮廓。

再次画齿槽和齿背。锯片直径与本体直径的差值一般在3mm左右。刀头悬出本体的长度大约1.5mm，刀头不能悬出太多，否则合金刀头焊接强度达不到；也不能悬出太少，否则刃磨时容易碰伤本体。通过偏移命令向内偏1.5mm。根据刀头数量用圆形阵列命令阵列出锯片所有的齿座。接着画出齿槽直径所在的圆。该圆直径与本体齿间距有关，CAD量出齿间距a，查看表3对应的齿槽深h，本体直径圆偏移h就是齿槽直径所在的圆。锯片本体齿间距a与本体齿槽深h的关系由齿背上的斜线视径向前角大小而定，一般将齿座线拷贝后旋转15°左右作为齿背斜线，图6为齿座和齿槽。齿槽圆弧捕捉齿座线、齿槽圆和齿背斜线三点切圆而成，再做适当调整，使齿槽与齿座的面积大致相当。删除多余的线，只保留一个完整的齿座、齿槽、齿背和合金刀头轮廓。再一次使用圆形阵列命令完成齿形轮廓，并依据消音槽和散热线参数，设计并画出消音槽和散热线。最后填写标题栏，完成锯片设计要求。图7为硬质合金木工圆锯片各部分结构名称。

图6 齿座和齿槽图

表3 本体齿间距与齿槽深对应的尺寸数值

图7 硬质合金圆锯片设计各结构名称

硬质合金木工圆锯片用CAD软件设计，根据锯切环境与对象，首先要掌握锯片所需大小，所用齿形，安装孔尺寸等，然后再具体到各个锯片参数，经过调整优化，设计出适合锯切要求的合格锯片。

刘勇