滾刀式切絲機切絲刀切削角度分析

劉志翎，郭 飚

昆明煙機集團二機有限公司，昆明市東郊金馬寺 650216

煙草制絲工藝中的切絲是將經(jīng)過前期處理后的片煙或煙梗切割成合格的葉絲或梗絲［1］，目前制絲生產線中大量采用的是滾刀式切絲機［2］。煙草切絲對切制下來的“切屑”是有質量要求的，而切絲刀是完成切絲功能的最終執(zhí)行零件，其刀刃的切削角度對切絲質量的影響較大。滾刀式切絲機的切絲刀安裝在刀輥上，刀輥的結構設計決定了切絲刀的切削角度，但目前對于煙草切絲的切削理論以及切絲刀切削角度的研究尚未有文獻報道。為此，根據(jù)滾刀式切絲機的工作原理［2］，借鑒金屬切削理論［3］以及木材切削理論［4］的研究方式，通過建立切絲刀切削角度的理論模型，研究分析切絲刀的切削角度、切屑的形成過程等，旨在為優(yōu)化切絲刀切削角度提供理論參考。

1 切絲刀切削角度的理論模型

1.1 滾刀式切絲機切絲原理

滾刀式切絲機切絲刀的運動形式為刀輥旋轉式［2，5］，見圖1。切絲刀1安裝在刀輥2上，刀輥2順時針旋轉，切絲刀1隨之作旋轉運動。上排鏈4和下排鏈6同時運動，帶動物料5向刀門系統(tǒng)運動，刀門系統(tǒng)由上刀門3、下刀門7、左右側刀門8組成。物料5向刀門系統(tǒng)運動的速度與刀輥2旋轉速度成比例［6］，并按煙絲寬度要求預先設置。上刀門3和上排鏈4是聯(lián)動的，當物料5流量變化時，上刀門3與上排鏈4一起上下浮動。切絲刀1刀刃運動的結果是將高出刀門系統(tǒng)的物料5切削并帶走，物料5被切絲刀1切削下來的切屑（即煙絲）要符合卷煙工藝規(guī)范的質量要求［1］。滾刀式切絲機中對切絲質量產生影響的因素很多，重點對切絲刀的切削角度進行研究。

圖1 滾刀式切絲機切絲原理示意圖

1.2 切絲機切削加工理論模型

切絲機是對煙草物料進行切削加工，與金屬切削的主要區(qū)別在于：煙草切絲對從被切物料上切下來的“切屑”有要求；金屬切削則是對切削后的被切工件本體有要求，“切屑”基本上按廢棄物對待。

研究切絲刀的切削角度，需要建立一個理論模型，在此借鑒引用了一些金屬切削理論的概念［3］，采用刀具的靜止基準系［3］中的（Pr-Ps-Po）主剖面系，各平面定義見表1。由切絲原理得知，在切削物料過程中，切絲刀的切削速度方向自上而下，設：過刀輥中軸線的平面為基面Pr，切削平面Ps垂直于基面Pr，且與基面Pr相交于切絲刀刀刃；主剖面Po是過刀刃任一點，垂直于基面Pr和切削平面Ps，即垂直于刀輥中軸線的平面；（Pr-Ps-Po）組成一個互相正交的主剖面坐標系。

表1 刀具靜止基準系的各坐標平面

表2是切絲刀的結構要素和在靜止基準系內的角度定義，圖2是靜止基準系的主剖面Po，即垂直于刀輥中軸線的切絲刀截面圖。圖2中，基面Pr垂直于切削速度方向，切削平面Ps垂直于基面Pr，且

1.3 計算模型的簡化

滾刀式切絲機刀輥的運動方式是以刀輥的中軸線為轉動中心，以切絲刀的刀刃為運動母線、切絲刀的寬度為運動母線長度，切絲刀的刀刃做旋轉運動，刀刃旋轉一周的運動軌跡是形成一個圓柱面。目前切絲刀的刀刃（即運動母線）相對于刀輥的旋轉中軸線有2種形式，一種是平行于中軸線的直線，稱為直刃刀輥，見圖3a；另一種是以中軸線為中心的圓柱曲線，稱為曲刃刀輥，見圖3b。垂直于刀輥中軸線的主剖面Po，若沿著刀輥中軸線方向在切絲刀寬度范圍內移動，對于直刃刀輥，在任意位置選取的主剖面Po，其切絲刀截面圖都是相同的；但對于曲刃刀輥，切絲刀截面圖是變化的。由于曲刃刀輥的切絲刀刀刃曲線的曲率半徑較大，刀刃曲線近似于直線，因此研究曲刃切絲刀切削角度時，刀刃曲線按直線處理。

表2 切絲刀在靜止基準系內的要素和角度

圖2 主剖面Po

圖3 直刃刀輥和曲刃刀輥示意圖

滾刀式切絲機切絲過程中被切削的物料面是圓弧面，為計算及表達方便，將被切削的物料面簡化為平面，即視為圖2中的切削平面Ps，切絲刀刀刃為直線，見圖4。其中，縱向箭頭是切絲刀片的切削方向，橫向箭頭是物料的進給方向，δ為切削角，θ為刃傾角，直刃切刀的θ刃傾角為零。

圖4 2種切絲刀在切削物料時的狀態(tài)

2 切絲刀的切削角度及切屑形態(tài)

2.1 切絲刀截面形態(tài)

滾刀式切絲機切絲刀切削煙葉(梗)時，切絲刀隨刀輥同時作旋轉切削運動，煙葉(梗)做直線進給運動［2］，2種運動在切削過程中合為一體且連續(xù)不斷［5］，見圖5。滾刀式切絲機在運行中為保持切絲刀刀刃的鋒利，切絲刀輥有切絲刀進刀系統(tǒng)，并配置有磨刀器［2］。在切絲機運行時，刀輥高速旋轉狀態(tài)下，刀輥進刀系統(tǒng)按設定方式驅動切絲刀進刀，磨刀器利用旋轉砂輪對切絲刀刀刃進行磨削，磨掉刀刃多余部分，除去粘滯在刀刃上的污垢，保證切絲刀的鋒利，保持刀輥外緣直徑。

圖5 切絲刀切削物料時的截面圖

切絲刀安裝在刀輥上，其幾何位置見圖6。其中，基面Pr是通過刀輥中心和刀刃的平面，切削平面Ps是通過刀刃并垂直于基面Pr的平面，前角γ為切刀底面（前刀面）與基面Pr的夾角。當?shù)遁伆霃絉為定值時，L值愈大，前角γ愈大。因此，當直刃刀輥L值是定值，前角γ也是定值；而當曲刃刀輥L值是一個與刃傾角θ相關的變量，前角γ也是變量。

圖7是將刀刃部分放大的截面圖，后刀面是一個圓弧面，圓弧面的半徑是刀刃軌跡外緣形成的圓的半徑R，即刀輥半徑。圖7可見，切絲刀的后角為0，即沒有后角，這是磨刀器不斷磨削切絲刀后刀面的結果，磨削后的切絲刀的后刀面是圓弧面，在刀刃處圓弧面與切削面Ps的夾角為0。

由式（1）得：δ=β

由式（2）得：γ＋δ=90°，γ＋β=90°

即切絲刀的角度由前角γ和楔角β組成，楔角β等于切削角δ?？梢?，設計刀輥結構時，切絲刀角度的關鍵在于前角γ的選擇，也就是選擇切削角δ。

圖6 切絲刀在刀輥上的幾何位置

圖7 切絲刀刀刃部分截面圖

2.2 切屑形態(tài)

切削過程形成的切屑形態(tài)，分為流線型(flow type)、折 斷 型 (split type)、壓 縮 型 (compressive type)、剪 切 型(shear type)和撕裂型(tear type)［4］。流線型切屑是沿切刀的前刀面呈流線狀生成，切屑幾乎沒有發(fā)生壓縮變形；剪切型切屑是在纖維傾角較大時的順紋切削，剪切滑移形成連續(xù)切屑，顯然與物料方向有關；折斷型、壓縮型、撕裂型的切屑形態(tài)都不好，造成這種情況的原因很多，如物料方向差異、柔韌性、含水率以及切削加工過程中的切削厚度、切削速度、切削角度等。圖8是以切削杉木氣干材為例說明加工條件與切屑形態(tài)的關系［4］，隨著切削角增大，切屑形態(tài)從流線型向折斷型，再向壓縮型轉變。

圖8 切削角、切削厚度與切屑形態(tài)的關系

煙絲質量就是“切屑”形態(tài)，切絲機的切絲要求是希望得到流線型和剪切型切屑。卷煙工藝規(guī)范［1］要求，切制梗絲厚度范圍為0.10～0.30 mm，切葉絲寬度為0.7～1.1 mm。圖8所示情況近似于切梗絲，圖中的切削厚度可認為是梗絲寬度，而對于切葉絲則不適用。

2.3 切削角度與切屑形態(tài)的關系

滾刀式切絲機切絲刀的刀具參數(shù)主要是切削角δ、前角γ、刃傾角θ，3個參數(shù)對切削狀況的影響不同。選擇了切削角δ，即確定了前角γ。圖8可見，切削角δ超過30°，對切出的煙絲形態(tài)不利；切削角δ小于15°，切屑效果較好，但由于刀輥結構的限制，切削角δ小于15°較難實現(xiàn)，且刀具的刀刃剛度和強度下降，切削過程中會產生振動，切削阻力會增大。

曲刃刀輥切絲刀存在刃傾角θ，θ在切削過程中會增加切屑變形。θ在10°以內，切削阻力會降低［4］。切絲刀的后角α為0時，后刀面與被切削物料摩擦產生切削阻力，從而擠壓物料產生變形，導致切絲質量下降。因此，后刀面要盡可能地小，圖7可見減小刀片厚度或加大切削角δ，均可減小切刀后面摩擦力的影響。但是，切削阻力會隨著切削角δ的增大而增加［4］。

3 實驗結果

以SQ34系列和SQ3系列水平滾刀式切絲機的刀輥為對象進行驗證分析，分別對直刃刀輥和曲刃刀輥的技術參數(shù)進行統(tǒng)計，見表3。可見，直刃刀輥的切削角為24°，曲刃刀輥的切削角在22～28°之間，切削角δ都小于30°；在實際應用中，煙梗切絲采用水平曲刃刀輥效果較好。該實驗結果與理論分析結果基本一致。

表3 刀輥及切絲刀的技術參數(shù)

［1］國家煙草專賣局.卷煙工藝規(guī)范［M］.北京：中央文獻出版社，2003.

［2］《卷煙機械》編寫組.卷煙機械［M］.北京：北京出版社，1989.

［3］機械工程手冊，電機工程手冊編輯委員會.機械工程手冊第8卷機械制造工藝（二）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1982.

［4］李黎.木材切削原理與刀具［M］.北京：中國林業(yè)出版社，2008.

［5］郭飚，劉志翎.一種滾刀式切絲機切削力及切削功率的計算方式［J］.煙草科技，2011（8）：21-23.

［6］郭飚，劉志翎.煙草切絲機排鏈氣動離合器的使用條件分析［J］.煙草科技，2010（4）：24-26.