CN104126360A - 仿生农用机械动刀片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生农用机械动刀片及其制造方法，旨在克服现有技术存在刀片齿形结构参数不够合理而导致刀片使用寿命缩短的问题。仿生农用机械动刀片由安装部分与工作部分组成：安装部分为矩形的设置2个安装通孔的板类结构件；工作部分为等腰梯形形状的板类结构件；其长底边与安装部分的长边相等并连成一体呈左右对称地平板式结构件。工作部分的2个腰边为仿生农用机械动刀片的2个刃口(4)，在2个刃口(4)里侧的刃面上加工有的相互平行的刀片齿，各刀片齿的对称面与等腰梯形形状的工作部分的长底边平行。在仿生农用机械动刀片的底面上从2个刃口(4)往里侧加工2个高硬度与高耐磨的喷涂区。还提供了一种加工仿生农用机械动刀片的方法。

Description

仿生农用机械动刀片及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于农用机械上的刀片，更确切地说，本发明涉及一种仿生农用机械动刀片及其制造方法。

背景技术

国产农用机械动刀片原产品设计为便于机械加工齿形，齿形截面呈三角形尖齿，齿形结构参数不够合理，影响刀片的强度和抗磨损性能，经常出现断齿尖、崩口、断齿根、裂纹等失效形式，导致使用寿命缩短。另外，由于采用传统机械加工的方法生产制造产品，刀片齿形不整，金属纤维结构被切断，更使刀片产品各种性能下降，使用寿命缩短。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在刀片齿形结构参数不够合理、经常出现断齿尖、崩口、断齿根、裂纹而导致刀片使用寿命缩短的问题，提供了一种仿生农用机械动刀片及其制造方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的仿生农用机械动刀片为板式结构件，由安装部分与工作部分组成。

所述的安装部分为矩形的板类结构件，其上对称地设置2个结构相同的安装通孔，2个结构相同的安装通孔的中心连线与矩形的安装部分的长边平行。

所述的工作部分为等腰梯形形状的板类结构件，或更准确地说，工作部分为倒置的等腰梯形形状的板类结构件；等腰梯形形状的工作部分的长底边与矩形的安装部分的长边相等并连成一体呈左右对称地平板式结构件。

等腰梯形形状的工作部分的2个腰边为仿生农用机械动刀片的2个结构相同的刃口，在2个结构相同的刃口里侧的刃面上加工有的相互平行的刀片齿，形成左齿纹面、右齿纹面，左齿纹面与右齿纹面结构相同，左齿纹面与右齿纹面中的各刀片齿的对称面与等腰梯形形状的工作部分的长底边平行。

在仿生农用机械动刀片的底面上从2个结构相同的刃口往里侧加工2个喷涂区。

技术方案中所述的刃面和仿生农用机械动刀片的底面之间夹角为刃面角λ，刃面角λ设置为20～23°，即λ＝20～23°。

技术方案中所述的刀片齿的齿面形状由平面优化为三维仿生曲面，刀片齿的横截面形状由三角形优化为三维仿生圆弧尖角形，仿生圆弧的半径R为6～7毫米，即R＝6～7毫米；对齿尖角进行优化设计，即β＝50～55°；齿间距设置为1.8～2mm，即t＝1.8～2mm，齿纹角为0～5°，即δ＝0～5°。

技术方案中所述的在仿生农用机械动刀片的底面上从2个结构相同的刃口往里侧加工2个喷涂区是指：喷涂区宽度H为10～15毫米，喷涂区所喷涂的金属层的厚度为0.2～0.3毫米。

一种制造仿生农用机械动刀片的方法的步骤如下：

1.下料：

选用45#钢板并将其加工成条料；

2.采用精密冲裁复合工艺加工仿生农用机械动刀片外形及两安装孔：

采用落料冲孔复合模，一次冲裁可实现仿生农用机械动刀片外形落料和2个安装通孔的冲制；

3.采用冷体积精密成形方法加工仿生农用机械动刀片齿形：

采用模压齿形和打印商标文字图形的复合模，在常温下实现齿形的冷体积成形和商标文字图形的成形；

4.采用局部感应淬火方法对仿生农用机械动刀片齿形进行热处理：

淬火区控制在10毫米以内，淬火硬度控制在HRC48-52，非淬火区硬度不大于HRC35；

5.采用初磨工序主要是将模压产生的多余金属毛刺磨削去除，再采用刃磨工序解决等离子喷涂前去除表面的污染，使喷涂层能与基体结合牢固；

6.采用等离子喷涂技术将含锰、錋、硅的铁基合金粉即Fe450喷涂在仿生农用机械动刀片的底面，生成一种合金化的结合牢固、硬度高、耐磨损的金属层。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的仿生农用机械动刀片及其制造方法主要体现在齿形工作部分强度提高，抗磨损能力提高，使用寿命增长。原因是齿形结构经仿生优化后，由三角形尖齿形改为三维弧面齿形，结构强度提高，产生控制楔面或棱边的磨损速率的效应，齿面抗磨损能力提高，且有利于冷体积精密成形。

2.本发明所述的仿生农用机械动刀片及其制造方法由于采用冷体积精密成形工艺加工三维弧面齿形，齿形部分金属纤维保持完整细密，不被切断，产品齿形工作期间崩齿现象大大减少。对刀片的齿纹角、刃面角进行优化调整，有助于齿槽的延伸和齿纹刀片的自磨锐，切割锋利，切割效率提高，减少整机能源消耗。

3.本发明所述的仿生农用机械动刀片及其制造方法对刀片刀口区采用等离子喷涂技术制备高硬度、高耐磨涂层，提高其耐磨损性能，不宜崩刃，刃口锋利，提高切割效率；

4.本发明所述的仿生农用机械动刀片及其制造方法中的刀片基体材料可选用塑性、韧性好的优质碳素钢材料，便于齿形的冷体积压制成形，提高冷体积成形的模具寿命，降低材料成本和生产成本；

5，本发明所述的仿生农用机械动刀片及其制造方法采用精密冲裁技术使落料、冲孔一次完成的复合工艺，装配定位尺寸精度提高，断面粗糙度降低；

6.采用等离子喷涂技术在刀片底面喷涂一层高硬度、高耐磨金属层，宽度为10到15毫米，厚度为0.2到0.3毫米，保护刃口。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的仿生农用机械动刀片的结构组成的主视图；

图2为图1中A-A处刃面角λ局部放大剖面图；

图3为图1中I处局部放大视图；

图4为图3中C-C处局部放大视图；

图中：1.安装孔，2.喷涂区，3.右齿纹面，4.刃口，5.刃面角，6.齿纹角，7.齿尖角，8.仿生圆弧，9.齿间距。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

为解决现有技术存在刀片齿形结构参数不够合理而导致刀片使用寿命缩短的问题，本发明应用机械仿生学对产品齿形进行优化仿生设计，齿面为三维弧形曲面，不仅提高了齿形强度，抗磨损性，而且便于实施齿形的冷体积精密成形工艺，提高了生产效率和产品质量。

仿生农用机械动刀片(简称为仿生动刀片)以三叶草(车轴草)为仿生对象，利用扫描电子显微镜对三叶草进行观察，获得三叶草叶缘锯齿形状，利用逆向工程学原理使用专用三维造型软件提取曲面特征模型，生成实体模型，依据有限元分析的理论结果，以及3D模型实际加工出的刀片进行磨损试验的结果，进行齿形的优化选择。

仿生农用机械动刀片产品采用机械仿生优化设计，对传统动刀片齿形及齿纹角、刃面角进行了调整，使产品结构更加科学、合理、实用，全面提升了产品性能和质量。

参阅图1，所述的仿生农用机械动刀片为板式结构件，由安装部分与工作部分连成一体；所述的安装部分为矩形的板类结构件，其上对称地设置2个结构相同的安装通孔，2个结构相同的安装通孔的中心连线与矩形的安装部分的长边平行。所述的工作部分为等腰三角形形状的板类结构件，或更准确地说，工作部分为倒置的等腰梯形形状的板类结构件；等腰梯形形状的工作部分的长底边与矩形的安装部分的长边相等并连成一体呈左右对称地平板式结构件。

等腰梯形形状的工作部分的2个腰边为仿生农用机械动刀片的2个结构相同的刃口4，从2个结构相同的刃口4开始(往里侧)在刃面上加工有的相互平行的刀片齿，形成左齿纹面、右齿纹面3，左齿纹面与右齿纹面3结构相同，左齿纹面与右齿纹面3中的各刀片齿的对称面与等腰梯形形状的工作部分的长底边平行。

为提高刀片的使用性能、加工性能、使用寿命：

本发明采用了机械仿生学对刀片齿形进行了仿生优化，齿形优化为三维弧形齿面，并对齿纹角、齿尖角、刃面角进行优化调整，提高其自刃磨效应和抗磨损能力，切割锋利，并有利于齿形的冷体积精密成形。

采用了板料冷体积精密成形工艺加工齿形，使齿形部分金属纤维完整、细密，不被切断，大大提高了齿形的强度。

采用等离子喷涂技术，在两个结构相同的刃口4所在的底面从刃口往里侧喷涂一层高硬度、高耐磨的金属层，即形成宽度为H的2个喷涂区，喷涂区宽度H为10～15毫米，金属层的厚度为0.2～0.3毫米，喷涂区对刀片刃口进行保护，提高其耐磨损性能，不宜崩刃，刃口锋利。

参阅图4，对刀片齿的齿形进行优化设计，具体说：对刀片齿的齿面形状进行优化设计，刀片齿的齿面形状由平面优化为三维仿生曲面，刀片齿的横截面形状由三角形优化为三维仿生圆弧尖角形，仿生圆弧8的半径R为6～7毫米，即R＝6～7毫米。对齿尖角7进行优化设计，即β＝50～55°，齿间距9设置为t＝1.8～2mm。使齿形截面增厚，可以使刀片齿形结构强度大大提高。依据刃口齿面形状的变化，决定于楔面棱边的磨损特性和磨损速率，同时依据茎杆被切割后其茬口在动刀片顶面上相对运动轨迹和磨损痕迹，可达到自磨锐和控制动刀片棱面、棱边磨损率的效果。解决了传统产品崩齿、刃口变钝、切割效率降低、磨损失效等问题，延长了产品使用寿命。

所述的加工有相互平行的刀片齿的刃面和仿生农用机械动刀片的底面之间夹角即刃面角λ，本发明对刃面角λ进行机械仿生优化调整，刃面角调整为λ＝20～23°，本发明对传统的动刀片齿纹角δ进行机械仿生优化调整，所述的齿纹角δ为刀片齿的纵向对称面与动刀片工作部分的长底边的夹角,齿纹角调整为δ＝0～5°。有助于齿形冷体积成形，有助于齿槽的延伸和齿纹刀片自磨锐，更重要的是使刀片保持切割锋利，切割效率提高，减少整机能源消耗。

刀片采用优质碳素结构钢，塑性、韧性好，有利于压齿成形。

采用精密冲裁技术使落料、冲孔一次完成的复合工艺，装配定位尺寸精度提高，断面粗糙度降低。

经装机试验考核，仿生动刀片产品与传统动刀片产品使用寿命对比由原来15到20天延长到20-25天。

总之，这种仿生动刀片产品不仅实现了产品的升级换代，而且集各种先进制造技术为一体，形成了生产制造农机刀片的一整套新工艺。

传统农用机械动刀片加工方法的步骤如下：

下条料—落料—冲孔—打字—铣斜面1—铣斜面2—铣齿1—铣齿2—淬火—刃磨

本发明所述的仿生农用机械动刀片加工方法的步骤如下：

下条料—精冲(落料、冲孔复合工艺)—压齿、打字复合工艺—刃磨—等离子喷涂

1.下料

本发明所述的仿生农用机械动刀片选用45#钢板，取代了传统农用机械动刀片采用的工具钢T9，其目的是利用其良好的塑性实现精密冲裁和实现齿形的冷体积精密成形，同时可大大降低刀片的材料成本；将45#钢板加工成条料。

2.采用精密冲裁复合工艺加工仿生农用机械动刀片外形及两安装孔：

精密冲裁工艺是冲压分离工序中的新方法，其特点是断面质量好，光亮带较长，本发明所述的加工方法中采用落料冲孔复合模，一次冲裁可实现仿生农用机械动刀片外形落料和2个直径5.5毫米孔的冲制，生产效率高；其关键是掌握好精密冲裁时冲裁模具间隙的选择。本发明采用精密冲裁复合工艺取代普通冲裁工艺加工仿生机械动刀片外形及两安装孔，使产品装配定位尺寸精度提高，断面粗糙度降低。

3.采用冷体积精密成形方法加工仿生农用机械动刀片齿形：

本发明所述的仿生农用机械动刀片加工方法采用模压齿形和打印商标文字图形的复合模，在常温下实现齿形的冷体积成形和商标文字图形的成形，齿形压出后，连续完整，光洁无毛刺，无缺齿、弯齿等缺陷。

本发明采用冷体积精密成形方法取代机械切削加工方法，经冷体积精密成形工艺压制的齿形，金属纤维完整细密连续，不被切断，大大提高了齿形强度，硬度和耐磨性，减少了加工工序，节省设备，提高了生产效率。

4.采用局部感应淬火方法对仿生农用机械动刀片齿形进行热处理：

淬火区控制在10毫米以内，淬火硬度控制在HRC48-52，非淬火区硬度不大于HRC35。

5.采用初磨工序主要是将模压产生的多余金属毛刺磨削去除，再采用刃磨工序解决等离子喷涂前去除表面的污染，使喷涂层能与基体结合牢固。

6.采用等离子喷涂技术，将含锰、錋、硅的铁基合金粉(Fe450)喷涂在仿生农用机械动刀片的底面，生成一种合金化的结合牢固、硬度高、耐磨损的金属层，对刀片刃口进行保护，提高其耐磨性能，使刃口保持锋利，延长使用寿命。该工艺操作实施简单方便，涂层平整光滑，可精确控制厚度(本产品为0.2到0.3毫米)，工件热变形影响小，基体组织不会发生变化，工件受热温度可控制在200度以下。喷涂材料Fe450耐粘着磨损性能优异，并有一定的耐颗粒磨损和耐颗粒冲蚀能力，与使用工况相同。

Claims (5)

1.一种仿生农用机械动刀片，其特征在于，所述的仿生农用机械动刀片为板式结构件，由安装部分与工作部分组成；

所述的安装部分为矩形的板类结构件，其上对称地设置2个结构相同的安装通孔，2个结构相同的安装通孔的中心连线与矩形的安装部分的长边平行；

所述的工作部分为等腰梯形形状的板类结构件，或更准确地说，工作部分为倒置的等腰梯形形状的板类结构件；等腰梯形形状的工作部分的长底边与矩形的安装部分的长边相等并连成一体呈左右对称地平板式结构件；

等腰梯形形状的工作部分的2个腰边为仿生农用机械动刀片的2个结构相同的刃口(4)，在2个结构相同的刃口(4)里侧的刃面上加工有的相互平行的刀片齿，形成左齿纹面、右齿纹面(3)，左齿纹面与右齿纹面(3)结构相同，左齿纹面与右齿纹面(3)中的各刀片齿的对称面与等腰梯形形状的工作部分的长底边平行；

在仿生农用机械动刀片的底面上从2个结构相同的刃口(4)往里侧加工2个喷涂区。

2.按照权利要求1所述的仿生农用机械动刀片，其特征在于，所述的刃面和仿生农用机械动刀片的底面之间夹角为刃面角λ，刃面角λ设置为20～23°，即λ＝20～23°。

3.按照权利要求1所述的仿生农用机械动刀片，其特征在于，所述的刀片齿的齿面形状由平面优化为三维仿生曲面，刀片齿的横截面形状由三角形优化为三维仿生圆弧尖角形，仿生圆弧(8)的半径R为6～7毫米，即R＝6～7毫米；对齿尖角(7)进行优化设计，即β＝50～55°；齿间距(9)设置为1.8～2mm，即t＝1.8～2mm，齿纹角为0～5°，即δ＝0～5°。

4.按照权利要求1所述的仿生农用机械动刀片，其特征在于，所述的在仿生农用机械动刀片的底面上从2个结构相同的刃口(4)往里侧加工2个喷涂区是指：

喷涂区宽度H为10～15毫米，喷涂区所喷涂的金属层的厚度为0.2～0.3毫米。

5.一种制造仿生农用机械动刀片的方法，其特征在于，所述的制造仿生农用机械动刀片的方法的步骤如下：

1)下料：

选用45#钢板并将其加工成条料；

2)采用精密冲裁复合工艺加工仿生农用机械动刀片外形及两安装孔：

采用落料冲孔复合模，一次冲裁可实现仿生农用机械动刀片外形落料和2个安装通孔的冲制；

3)采用冷体积精密成形方法加工仿生农用机械动刀片齿形：

采用模压齿形和打印商标文字图形的复合模，在常温下实现齿形的冷体积成形和商标文字图形的成形；

4)采用局部感应淬火方法对仿生农用机械动刀片齿形进行热处理：

淬火区控制在10毫米以内，淬火硬度控制在HRC48-52，非淬火区硬度不大于HRC35；

5)采用初磨工序主要是将模压产生的多余金属毛刺磨削去除，再采用刃磨工序解决等离子喷涂前去除表面的污染，使喷涂层能与基体结合牢固；

6)采用等离子喷涂技术将含锰、錋、硅的铁基合金粉即Fe450喷涂在仿生农用机械动刀片的底面，生成一种合金化的结合牢固、硬度高、耐磨损的金属层。