一种二维梯度的模切刀辊的制作方法

本实用新型涉及模切加工技术领域，尤其涉及一种二维梯度的模切刀辊。

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(俗称老虎机)存在安全性差、自动化程序低、能量消耗高等系列问题，正在被市场淘汰(欧洲市场已明令禁用该机型)，因此旋转模切装备的市场急剧扩大。

旋转模切设备的核心部件为模切刀架，由模辊、圆辊和模架组成。其中模辊辊体上按照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的接触。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，便可加工出形状相同的产品。目标产品的质量和精度主要决定于模辊刀刃制造精度。

从现有的铣削成型工艺和镶装成型工艺这两类模辊刀刃成型工艺技术来看，其技术缺点分别是：①铣削成型工艺所采用的整体铣削、热处理刀刃成型技术，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，只能在直径Φ200mm以下模辊制造中，该技术才具有性价比优势；②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，只有在在直径Φ500mm以上模辊制造中，该技术才具有性价比优势。但实际生产中，直径范围在Φ200mm～Φ500mm内模辊，约占市场的60％～70％份额，若采用上述任何一种，都存在着上述问题。另外，由于刀辊精度要求很高，所以最后的成型加工都是在热处理之后，这种超硬加工技术对刀具的选择，加工工艺的选择都是需要经过科学的探索，要求技术人员对刀具和设备都具有非常高的认知度；以及，刀具加工成型后刃宽仅有0.005mm～0.02mm，模切产品时底辊是刚性物质，对于解决刀具高硬度、高韧性、低变形的矛盾，刀辊的热处理工艺也是十分困难的技术。

在2015年02月11日申请的申请号为201510072031.2的中国发明，公开了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。该发明还提供一种旋转模切设备模辊刀刃的成型方法，该发明不支持刀刃内部二维梯度设置，不能实现二维梯度设置带来的功能。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题，在于提供一种二维梯度的模切刀辊，使得刀辊的加工具有更高的效率、更低的成本、更高的装配精度以及更高的精度保持性。

本实用新型是这样实现的：

一种二维梯度的模切刀辊，包括棍体，所述棍体上设有刀刃，所述棍体采用激光熔覆工艺形成由外到内依次为熔覆层、过渡层及基层的层状结构，所述熔覆层构成所述刀刃，所述过渡层连接所述刀刃和所述基层；所述刀刃的刀刃夹角α的范围是：20度＜α＜40度；位于所述刀刃与所述过渡层的交界处，且与所述刀刃底面相切的方向为x方向，与所述棍体外表面垂直的方向为y方向，x方向与y方向的交点为0点，所述刀刃沿着y方向对称设置，所述刀刃内部设有复数个区域，不同的区域上设有不同硬度的激光熔覆粉末，从0点到x方向或-x方向上激光熔覆粉末的硬度逐渐变大，从0点到y方向上激光熔覆粉末的硬度逐渐变大。

进一步地，所述熔覆层包括高速钢层、镍基合金钢层以及硬质合金钢层；所述基层的形状为圆柱形，所述基层为普通碳素合金钢层；所述过渡层为所述熔覆层和所述基层的冶金结合层。

进一步地，所述刀辊的直径为Φ200mm～Φ500mm；所述刀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；所述刀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端部，保护环外径大于刀刃到辊体轴心的最大距离。

进一步地，所述刀刃包括第一左刀面、第二左刀面、第三左刀面、第四左刀面、第一右刀面、第二右刀面、第三右刀面、第四右刀面和刀尖，所述第一左刀面、所述第二左刀面、所述第三左刀面及所述第四左刀面依次并排设置，所述第一右刀面、所述第二右刀面、所述第三右刀面及所述第四右刀面依次并排设置，且所述刀尖连接所述第一左刀面和所述第一右刀面，所述第一左刀面及所述第一右刀面均连接至所述过渡层。

本实用新型具有如下优点：本实用新型采用激光熔覆工艺和刀刃的功能梯度概念相结合，在普通合金钢棍体上，由合金刀具材料粉末直接成型二维功能梯度材料的刀刃，刀刃为不同合金刀具材料粉末的冶金结构结合；本实用新型充分发挥激光熔覆技术的工艺特点，将多种性能不同的刀刃粉末材料前后预置于基材表面上，通过激光扫描让粉末与基材充分地实现冶金结合，在保证模辊机械性能的基础上，解决现有铣削模辊和镶装模辊的刀刃成型技术缺点，对于直径范围在Φ200mm～Φ500mm内模辊，可实现高效、高质、低价的模辊制造目标；本实用新型用激光熔覆技术结合功能梯度概念，实现了：①多种合金粉末与辊体基层良好的冶金结合，稀释率小，获得了刃体在横向、纵向上“内柔外刚”的梯度功能，提高了辊体的硬度、耐磨性、柔韧性；②实现刃体截面形状的进净成型，减少后续精密加工量，节约材料，降低成本，缩短周期；③根据加工的要求实现任意复杂曲线的刃体；④结合机器人设备，激光熔覆技术可达到自动化生产。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型一种二维梯度的模切刀辊的结构示意图。

图2为图1中A处的截面放大图。

图3为本实用新型其中一种横向送粉方式的结构示意图。

图中标号说明：

100-刀辊、1-棍体、11-熔覆层、12-过渡层、13-基层、2-刀刃、2a-刀刃底面、21-第一左刀面、22-第二左刀面、23-第三左刀面、24-第四左刀面、25-第一右刀面、26-第二右刀面、27-第三右刀面、28-第四右刀面、29-刀尖、3-转轴、31-左半轴、32-右半轴、4-保护环。

具体实施方式

为使得本实用新型更明显易懂，现以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

请参阅图1和图2所示，本实用新型的一种二维梯度的模切刀辊100，包括棍体1，所述棍体1上设有刀刃2，所述棍体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及基层13的层状结构，所述熔覆层11构成所述刀刃2，所述过渡层12连接所述刀刃2和所述基层13；所述刀刃的刀刃夹角α的范围是：20度＜α＜40度；位于所述刀刃2与所述过渡层12的交界处，且与所述刀刃底面2a相切的方向为x方向，与所述棍体1外表面垂直的方向为y方向，x方向与y方向的交点为0点，所述刀刃2沿着y方向对称设置，所述刀刃2内部设有复数个区域，不同的区域上设有不同硬度的激光熔覆粉末，从0点到x方向或-x方向上激光熔覆粉末的硬度逐渐变大，从0点到y方向上激光熔覆粉末的硬度逐渐变大。

进一步地，所述刀刃2包括第一左刀面21、第二左刀面22、第三左刀面23、第四左刀面24、第一右刀面25、第二右刀面26、第三右刀面27、第四右刀面28和刀尖29，所述第一左刀面21、所述第二左刀面22、所述第三左刀面23及所述第四左刀面24依次并排设置，所述第一右刀面25、所述第二右刀面26、所述第三右刀面27及所述第四右刀面28依次并排设置，且所述刀尖29连接所述第一左刀面21和所述第一右刀面25，所述第一左刀面21及所述第一右刀面25均连接至所述过渡层12。

激光熔覆技术通过金属合金或其它类型材料在基层上沉积，实现熔覆层和基层之间的冶金结合，获得无孔、晶粒细小的显微组织，以及机械性能良好的熔覆层。激光熔覆技术同激光烧结成型以及涂覆工艺(如：离子喷涂(APS，Atmospheric Plasma Spraying)和高速火焰喷涂(HVOF，High Velocity Oxy-Fuel Spraying)等)相比，其熔覆层的结合性能和摩擦性能更优；激光熔覆技术同其他冶金结合工艺(如：电弧堆焊等)相比，其激光熔覆热影响区(HAZ，heat affected zone)较小、基层变形较少。基于上述优点，激光熔覆工艺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来看，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，其金属熔覆层力学性能完全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。若选择合适的熔覆刀具材料和基层，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“内柔外刚”的效果。另外，激光熔覆工艺的存在成本越来越低趋势，也为该工艺的工程应用提供了可能性。

进一步地，所述熔覆层11包括高速钢层、镍基合金钢层以及硬质合金钢层；所述基层13的形状为圆柱形，所述基层13为普通碳素合金钢层；所述过渡层12为所述熔覆层11和所述基层13的冶金结合层。

进一步地，所述刀辊100的直径为Φ200mm～Φ500mm；所述刀辊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的两端部，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；

所述刀辊100还包括用于保护刀刃的保护环4，所述保护环4位于辊体1圆周面两端部，增加保护环4，可以起到保护刀刃2的效果，使得刀辊100在运输、存储和安装过程中更加安全，保护环4外径大于刀刃2到辊体1轴心的最大距离。

本实用新型的一种二维梯度的模切刀辊的刀刃成型方法，在刀刃2不同区域上涂上不同硬度的激光熔覆粉末，使得从0点到x方向或-x方向上激光熔覆粉末的硬度逐渐变大，从0点到y方向上激光熔覆粉末的硬度逐渐变大；然后在辊体1的基层13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11和过渡层12，所述熔覆层11构成刀刃2，所述过渡层12连接所述刀刃2和所述基层13。

众所周知，构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力集中，无论该应力是内部的还是外加的。人们同样知道，如果从一种材料过渡到另一种材料是逐步进行的，这些应力集中会大幅度的降低，从而使材料性能得到显著改善。具体地说，梯度功能材料有如下特点：①热应力值可减至最小；②对于一给定的热机械载荷，梯度功能材料可推迟塑性屈服和失效的发生；③抑制自由边界与界面接合处的严重的应力集中和奇异性；④与突变的界面相比，可以通过在成分中引入连续的或逐级的梯度来提高不同固体(如金属和陶瓷)之间的界面结合强度；⑤可以通过对界面的力学性能梯度调整来降低裂纹沿着或穿过一个界面扩展的驱动力；⑥通过逐级的或连续的梯度可以方便的在延性基底上沉积厚的脆性涂层；⑦通过调整表面层成分中的梯度，可消除表面锐利压痕根部的奇异场，或改变压痕周围的塑性变形特征。

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2结构，对所述刀刃2的轨迹进行离线方式编写数控程序；

步骤2、将棍体1与要熔覆的样件进行预热，然后将刀辊100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2熔覆成型过程；

步骤4、成型后的刀辊100进行热处理；

步骤5、检验刀刃2成型情况，等待进入后续刀辊加工程序。

进一步地，所述基层13为普通碳素合金钢，所述基层13形状为圆柱形，其外圆柱面进行粗加工和精加工，所述加工精度不低于IT7。对所述基层13外圆柱面进行粗加工和精加工，可以使得激光熔覆时可以获得更高的精度，且有利于提升所述熔覆层11与所述基层13的结合度。

进一步地，所述激光熔覆粉末为高速钢、镍基合金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，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”。

进一步地，所述激光熔覆工艺的送粉方式为横向扫描送粉方式或纵向扫描送粉方式；所述横向扫描送粉方式具体为横向地从左到右的扫描方式或者横向地从中间到两边的扫描方式，左右扫描方式遵循热传递变化规律，使激光辐射产生的热量能较均匀地分布在熔覆区上，削弱了在温度降低过程中产生的内部残余应力，使得刃体制造区域较光滑。

成型刀刃技术特征主要表现为：刀刃2和辊体1的连接采用冶金方式结合，在刀刃2和基层13之间存在着冶金结合过渡层12。通过材料和组织检测可以发现，①刀刃2的刃体材料为高速钢、Ni60A、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；②辊体1的基层13材料为40Cr钢，组织结构为普通冶金金属金相特征；③过渡层12位于刀刃2和基层13之间，材料为刀刃2和基层13的两种混合材料，即在过渡层12内，既可以检测刀刃2材料的组成元素成份，也可以检测到基层13材料的组织元素成份；④刀刃2的左右成分对称，所以选择其中的二分之一进行说明，本实用新型重在实现刀刃2的“内柔外刚”，因此刀刃2在X轴方向上的材料性能0～X_n呈现功能梯度性变化，图2中为a～c、d～f、j～k、l～m、n之间的合金粉末性能不一致，在Y轴方向上的材料性能0～Y_n呈现功能梯度性变化，图2中为a～n、b～m、c～i之间的合金粉末性能不一致，刀刃2的硬度呈现梯度性，从a部位较软刃体到c、f、i、k、m、n刃体的外部位实现硬度的强化。另外，材料成份从刀刃2到基层13方向上呈一定的梯度变化，即越接近刀刃2部分的过渡层12，刀刃2材料的组成元素成分越高，而越接近基层13部分的过渡层12，基层13材料的组织元素成份越高。组织结构具有激光熔覆层11与过渡层12金属金相特征。

具体的实施方式为：

根据基层13材料为普通碳素合金钢的要求，本次试验选择40Cr钢为基层13。毛坯用圆钢或钢管，根据工艺设计先将外圆柱面进行粗、精加工，获得尺寸精度、位置精度和表面粗糙度要求为IT7的外圆柱面。

激光熔覆合金粉末为Ni60A、合金工具钢W6Mo5Cr4V2、8％Co的硬质合金粉末。粉末颗粒平均尺寸为150目。将粉末按横向从中间到两边扫描的送粉方式(如图3所示)预置于外圆柱面上，先进行中间的“M1”粉末扫描，再分别向两边扫描“M2”、“M3”粉末层，从而获取粉末与棍体良好的冶金结合。

根据预设计的刀刃2结构，离线方式编写数控程序。运动控制对象选用六轴NC熔覆设备，主要熔覆工艺参数可选择为激光功率2000W、扫描速度为35cm/min、送粉厚度2mm、光斑直径3mm、保护气体25L/min。

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。保证机器人所走的轨迹即为刀刃2的设计轨迹，且其精度能达到设计要求。

在熔覆前，将棍体1与要熔覆的样件预热至200℃，之后进行数控程序调试。用三爪卡盘和顶尖，将10Cr辊体安装定位到六轴NC熔覆设备上。调试六轴NC熔覆设备(不熔覆)，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，确保机器人在棍体1上所走的轨迹即为设计的刀刃2轨迹。

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。

熔覆后，将样件在700℃下进行回火2小时，随后在空气中淬火，让应力释放。

检验后，转入刀刃2的刀面精加工，以及后序组织结构、力学性能检测程序。

本实用新型通过采用激光熔覆技术解决了目前铣削成型工艺与镶装成型工艺存在的缺点，同时也解决了刀辊在加工时材料浪费的问题，从而降低了模辊的制造成本以及缩短了制造周期，为中等尺寸的模辊制造提供了一种工艺方法。

本实用新型采用激光熔覆工艺和刀刃的功能梯度概念相结合，实现了：①多种合金粉末与辊体基层良好的冶金结合，稀释率小，获得了刃体在横向、纵向上“内柔外刚”的梯度功能，提高了辊体的硬度、耐磨性、柔韧性；②实现刃体截面形状的进净成型，减少后续精密加工量，节约材料，降低成本，缩短周期；③根据加工的要求实现任意复杂曲线的刃体；④结合机器人设备，激光熔覆技术可达到自动化生产。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，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，而不是用于对本实用新型的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本实用新型的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本实用新型的权利要求所保护的范围内。