CN113100013B - 一种两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及橡胶切割生产领域，具体涉及一种具有两段切削刃的割胶刀具，利用电机控制自动化地对橡胶树进行高质量、高效并具有保护性地切割。本发明提供与电机配套的镶嵌式两段切削刃割胶刀具，所述刀具由铣刀头、刀杆和刀片组成。镶嵌式设计能适应不同的割胶环境，灵活选择不同结构与角度的刀片，满足割胶需求；所述刀具采用小楔角、大前角、大后角和圆弧导屑结构设计，以满足木材的切割要求，得到光滑平整的切割平面，便于出胶、散热和排屑；两段切削刃的设计同时保证了切割平面和侧面的光滑平整并使橡胶树不受损伤；切削刃的倾斜角使得胶液不从侧面流失，保证了产量。

Description

一种两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的设计方法

技术领域

本发明涉及一种割胶刀具，具体涉及一种同时具备端面切削与侧面切削加工方式的多切削作用面的割胶刀具。

背景技术

天然橡胶是重要的战略资源，在军事国防上应用十分广泛。目前天然橡胶生产主要靠人力手工割胶，使用传统的“V”型割胶刀对橡胶树进行切割，同时割胶工作只能在凌晨进行，工作强度大，而且需要工人有丰富的经验，准确切割粗皮、砂皮和部分黄皮层，并保证不切到形成层伤害树木。同时工人操作效率不高，切割一棵树超过30s时间，低效率导致成本过高，且现在割胶工人数量越来越少，橡胶树的资源得不到有效利用，橡胶产量受到很大影响。

橡胶切割过程十分复杂：①橡胶树表层树皮分为5层，从外到内依次是粗皮、砂皮、黄皮、水囊皮和形成层。橡胶树中主要产胶功能的乳管在黄皮层，而黄皮层距离形成层极近，切割过浅导致产胶量小，因此需要准确控制切割深度。②胶液从乳管渗出后，沿着切割面流至收集容器。切割面的表面形貌影响胶液的流动状态，不光滑的表面会阻塞胶液流动，边缘处的凹凸不平会导致切削液从侧面流失，因此需要保证切削面的光滑平整。③橡胶树切割周期为两天一次或三天一次，随着已切割面上新的保护物质生成，胶液渗出逐渐停止，最终在表面形成一层较厚的胶状物，该胶状物韧性大，粘于割胶刀具上影响切割性能，因此需要确保切屑以及胶状物顺利排出。发明专利CN105075799A公开了一种由圆柱形刀体，轴向螺旋刀片组、径向螺旋刀片组和电机轴固定孔组成的橡胶电动割胶刀旋转刀体，可以在纵向和横向上切割橡胶树皮，但是其刀具结构难以较好的控制割胶宽度，且侧面没有切削刃，导致与橡胶树侧面的切割质量难以保证；发明专利CN1010558198A公开了一种包括刀柄、直槽铣刀和椭圆槽铣刀的新型割胶刀具，铣刀前端安装有限位滚珠，限制铣刀进入树干的深度。但其圆弧槽结构无法很好的控制割胶宽度，难以切入足够深度的黄皮层，且过大的楔角强度有余，锋利不足，难以切断木质纤维，螺纹连接传递载荷时同轴度难以保证，同时在装夹中由于切削力作用导致难以拆卸；发明专利CN107278807A公开了一种电动割胶刀及其旋切刀头，包括具有刀连接端和安装端的刀柄，设于刀柄安装端的刀体，刀体具有刀刃，刀刃包括依次相连的第一刀刃、第二刀刃和第三刀刃，可以实现推割或拉割，但切削轴线方向与树的轴线相同，导致电机主轴与树皮可能发生干涉，倾斜旋转轴则会导致切割面向外倾斜使胶液从侧面流出，且切割面是圆弧面，不利于木质纤维的去除，且无法使切屑往刀柄方向排出，容易导致切屑在刀头处堆积影响切削，且方形的装夹头设计导致加工难度大并在轴线方向难以限位，同时在工作过程中的磨损产生缝隙影响转动精度。

总之，上述专利揭示的现有技术存在的不足有：①现有的割胶刀具大多基于铣刀改造而成，未考虑树木纤维与金属材料组织差异导致的切削特性的不同；②现有的割胶刀具由于角度参数设计不合理，切削表面不够光滑，切割面的方向不利于胶液的流动与收集；③现有割胶刀具多数装夹结构设计不合理，同轴度不高、拆装性能差和加工难度大；④现有割胶刀具多数为一体式，一个刀刃破损后需要更换整个刀具，增加成本造成浪费，且不能随温度、湿度、季节等环境变化引起的流胶状态的不同适时改变刀具角度与安装结构；⑤现有割胶刀具多数只有侧面切削刃，未刀具端面较钝的切削刃对树干侧面的损伤，不利于可持续生产。

因此，需要一种能够高效高质量的进行橡胶树割胶的电动割胶刀。要求在切割时能够得到光滑的切割平面，切割面具有一定的倾斜角，便于胶液的流出；切屑能够朝刀柄方向顺利排出；能够控制切割宽度，保证树干侧面不受损；装夹方便可靠，通用性强。

发明内容

本发明提供了一种新型两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的设计方法，在电机带动下自动切割橡胶树。通过本发明提出的割胶刀具，实现对橡胶树的切割，保证胶液流入收集容器；刀具方便装夹并能准确控制切割宽度，保证树干侧面不受到损伤并能适应不同的环境情况合理选择不同结构与角度的刀片，满足生产需求。

为了实现上述目的，本发明提出以下方案：

①基于实际割胶去除量对两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的刀片角度进行设计；

一种新型的可用于电机控制的自动割胶的两段刃镶齿式专用高速割胶刀具，包括刀杆、刀头、刀片。刀头一端与刀片相连接，连接方式为螺钉连接或焊接，另一端与电机主轴刀柄锥孔相连。所述刀杆装夹于自动割胶装置的刀柄上，刀杆的轴线始终与橡胶树的树干轴线垂直且相交，所述铣刀片直接作用在橡胶树上。所述的一种两段刃镶齿式专用高速割胶刀具，设有第一切削刃，第二切削刃，第一切削刃前刀面和第二切削刃前刀面；

第一切削刃切出流胶表面，第二切削刃靠近树干一侧，切出光滑的树干侧面。建立割胶去除效率的计算过程，根据第一切削刃和第二切削刃的切削量比例，指导第一切削刃和第二切削刃的相关参数的设计。以割胶去除效率为目标函数，根据第一切削刃和第二切削刃的切削量比例，确定第一切削刃和第二切削刃的刀具参数；

两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的整体去除效率由式(一)确定：

式(一)中，P为两段切削刃割胶刀具整体去除效率，α_p为切削深度，α_e为切削宽度，α_f为进给量，V_f为切削速度，h为实际切深，α₂为第二后角，d为实际切宽，λ为第一刃倾角。

第一切削刃的去除效率由式(二)确定：

式(二)中，P₁为第一切削刃的去除效率。

第二切削刃的去除效率式(三)确定：

式(三)中，P₂为第二切削刃的去除效率。

第一切削刃与第二切削刃切割材料去除量的比例为：

式(四)中，K为第一切削刃与第二切削刃切割材料去除量的比例。

结合实际割胶过程中对割胶效率的要求，并保证充分利用第一切削刃与第二切削刃，使第一切削刃与第二切削刃均在高效高利用率的情况下工作的前提下，确定第一切削刃的第一刃倾角和第二切削刃的第二后角，故第一切削刃的第一刃倾角2～5°、第二切削刃的第二后角5～10°。

随着实际切深h的变化，第二切削刃工作前角γ_h的变化为：

式(五)中，γ₂为第二前角；

第二切削刃工作后角α_h的变化为：

式(六)中，α₂为第二后角。

进一步地，第一切削刃充分考虑了刀具角度的设计合理性，在提高刀片切削刃锋利的同时满足刚度需求，确定刀尖的第一楔角10～20°，第一前角50～55°，第一后角20～25°。

进一步地，第二切削刃的刀尖部分向靠近树干方向倾斜，刀尖的第二楔角10～20°，第二前角65～70°。第一切削刃前刀面为圆弧面，半径R₁为5mm；第二切削刃前刀面为圆弧面，半径R₂为10mm；第一切削刃与第二切削刃之间以圆弧过渡。

进一步地，在刀具设计时将第一切削刃前刀面和第二切削刃前刀面设计为曲面，第一切削刃前刀面与刀柄轴向方向有一个3～5°的夹角，使得切出的橡胶导引槽有一定倾斜的角度。

②刀头与刀杆的设计；

根据割胶过程中对割胶面深度的要求，确定刀头最大半径7.5mm；在刀头上通过焊接安装刀片，刀头与刀片焊接在一起后的最大半径为10mm，刀片厚度3mm，刀片宽度9mm；刀杆直径＜7mm，长度为34.5mm。

确定所述铣刀刀片与刀头镶嵌连接，镶嵌角度为75°，连接方式为焊接或螺钉连接；刀片靠近刀杆一侧的平面与刀头靠近刀杆一侧的平面对齐；刀片厚度H2大于实际割胶深度h。

本发明相对现有技术取得了以下技术效果：

本发明设计了一种新型的两段切削刃割胶刀，通过电机带动刀具旋转对橡胶树进行切削，提高了割胶质量和效率。本发明采用两段切削刃设计，第一切削刃为主要切削刃，高效的切割橡胶树，第二切削刃为辅助切削刃，保证了切割平面和侧面的光滑平整并使橡胶树不受损伤；第一切削刃与第二切削刃同时作用，按特定系数K的比例进行割胶量去除工作，提高了材料去除效率的同时保护橡胶树的侧面，以利于多次循环割胶；本发明采用镶嵌式刀片设计，能适应不同的环境情况合理选择不同结构与角度的刀片，满足割胶生产需求；本发明楔角范围为10～20°，属于小楔角设计，根据木材与金属的材料塑性与强度不同，切割出光滑平整的切割平面，便于流胶；本发明第二切削刃前角范围为65～70°，属于大前角设计，有利于散热和切屑流出；本发明第二切削刃后角范围为5～10°，属于大后角设计，保证了已切割表面不受到后刀面的挤压而影响胶液流出；本发明采用切削刃倾斜设计，使得胶液不从侧面流失，保证了产量；本发明采用刃倾角与圆弧导屑结构设计，使木屑与胶状物顺利的排出，不影响已切割表面的光滑度，保证胶液顺利流出；本发明采用通用夹头设计，避免了加工困难、拆卸不变等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的整体装配结构示意图；

图2为两段刃镶齿式专用高速割胶刀具刀架的结构示意图；

图3为两段刃镶齿式专用高速割胶刀具刀片的结构示意图；

图4为两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的整体装配结构的端面示意图；

图5为两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的整体装配结构的侧面示意图；

图6为两段刃整体式专用高速割胶刀具的结构示意图。

其中，1两段刃镶齿式专用高速割胶刀具、101刀杆、102刀头、103刀片、103a第一切削刃、103b第二切削刃、101c第一切削刃前刀面、101d第二切削刃前刀面、γ₁第一前角、β₁第一楔角、α₁第一后角、R₁第一切削刃前刀面圆弧半径、H₂刀片厚度、R_a装夹最大半径、λ第一刃倾角、γ₂第二前角、β₂第二楔角、α₂第二后角、R₂第二切削刃前刀面圆弧半径、D₁刀头厚度、D₂刀片宽度、L刀杆长度、D刀杆直径、2两段刃整体式专用高速割胶刀具。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施例1(两段刃镶齿式专用高速割胶刀具1)

建立割胶去除效率的计算过程，确定第一切削刃103a和第二切削刃103b的切削量比例，用于指导第一切削刃103a和第二切削刃103b的相关参数的设计。

两段刃镶齿式专用高速割胶刀具1整体去除效率由式(一)确定：

式(一)中，P为两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的整体去除效率(mm³/min)α_p为切削深度(mm)，α_e为切削宽度(mm)，α_f为进给量(mm/z)，V_f为切削速度(z/min)，h为实际切深(mm)，α₂为第二后角，d为实际切宽(mm)，λ为第一刃倾角。

第一切削刃103a的去除效率由式(二)确定：

式(二)中，P₁为第一切削刃的去除效率。

第二切削刃103b的去除效率由式(三)确定：

式(三)中，P₂为第二切削刃的去除效率。

第一切削刃103a与第二切削刃103b切割材料去除量的比例为：

式(四)中，K为第一切削刃103a与第二切削刃103b切割材料去除量的比例。

结合实际割胶过程中对割胶效率的要求，并保证充分利用第一切削刃103a与第二切削刃103b，使第一切削刃103a与第二切削刃103b均在高效高利用率的情况下工作的前提下，可确定第一刃倾角λ为2～5°、第二后角α₂为5～10°。

按实际割胶去除量计算，两刃割胶去除量比值为3时效率最高，则确定：第一切削刃103a的第一刃倾角λ为3°，第二切削刃103b的第二后角α₂为68°；

计算得出

与理论值较接近。

随着实际切深h的变化，第二切削刃工作前角γ_h的变化为：

式(五)中，γ₂为第二前角；

第二切削刃工作后角α_h的变化为：

式(六)中，α₂为第二后角。

为保证割胶刀刀片刃口的强度和耐用度，确定第一前角γ₁为22°、第一楔角β₁为12°、第一后角α₁为53°，如图4所示；第二前角γ₂为7°、第二楔角β₂为13°，如图5所示。

根据割胶过程中对割胶面深度的要求，本发明的两段刃镶齿式专用高速割胶刀具1的刀杆101长度L为34.5mm，直径D为7mm，如图5所示。

如图3和图4所示，在刀头上通过焊接安装刀片，刀头与刀片焊接在一起后的最大半径R_a为10mm，刀片厚度H₂为3mm；刀片103的第一切削刃103a和第二切削刃103b直接接触切割橡胶树皮，顺着第一切削刃前刀面103c和第二切削刃前刀面103d流出。其中刀片宽度D₂为9mm，刀片厚度H₂为3mm，其比值与3，与K值相近，说明第一切削刃与第二切削刃利用比合适。

如图1和图2所示，本发明的两段刃镶齿式专用高速割胶刀具1由刀杆101、刀头102、刀片103组成，所述刀杆101、刀头102以及刀片103由焊接加工相互连接，在割胶作业时，电机连接刀柄，刀柄通过锥孔与刀杆101连接，带动整个刀头102逆时针旋转进行切割，刀杆101的轴向与树干轴向垂直。在刀头102上通过焊接方式安装刀片103；刀片103安装在刀头102上后最大半径R_a为10mm；焊接时第二切削刃103b远离刀杆101所在一侧；切削时，第一切削刃103a垂直于树干方向，第二切削刃103b水平于树干方向，并且靠向树干一侧，刀片103上第二切削刃103b所在一侧朝向树干，自第二切削刃103b的刀尖方向至刀柄轴线方向倾斜。

具体实施例2(两段刃整体式专用高速割胶刀具2)

如图6所示，两段刃整体式专用高速割胶刀具2的几何特征与两段刃镶齿式专用高速割胶刀具1相同，割胶刀由电机带动旋转，两段切削刃与橡胶表皮接触，从前刀面流出。使用整体式的设计，在制造过程中，通过毛坯下料，车削、磨削工艺直接成型，避免了镶嵌过程的繁琐；材料的浇铸或粉末冶金的过程使得刀片与刀头之间不存在缝隙，保证了刀具整体的强度与稳定性，并避免了木屑流进缝隙中污染或影响装配过程。

该割胶刀具的材料为高速钢，也可采用其他满足切割要求的材料。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的设计方法，其特征在于其采用如下步骤：

①基于实际割胶去除量对两段刃镶齿式专用割胶刀具的刀片角度进行设计：

101所述的一种两段刃镶齿式专用高速割胶刀具(1)的刀片(103)包含第一切削刃(103a)，第二切削刃(103b)，第一切削刃前刀面(103c)和第二切削刃前刀面(103d)；

102以割胶去除效率为目标函数，根据第一切削刃(103a)和第二切削刃(103b)的切削量比例，确定第一切削刃(103a)和第二切削刃(103b)的刀具参数；

103两段刃镶齿式专用高速割胶刀具(1)的整体去除效率由式(一)确定：

式(一)中，P为两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的整体去除效率，α_p为切削深度，α_e为切削宽度，α_f为进给量，V_f为切削速度，h为实际割胶深度，α₂为第二后角，d为实际切宽，λ为第一刃倾角；

104第一切削刃(103a)的去除效率由式(二)确定：

式(二)中，P₁为第一切削刃(103a)的去除效率；

105第二切削刃(103b)的去除效率由式(三)确定：

式(三)中，P₂为第二切削刃(103b)的去除效率；

106第一切削刃(103a)与第二切削刃(103b)切割材料去除量比例为：

式(四)中，K为第一切削刃(103a)与第二切削刃(103b)切割材料去除量的比例；

107结合步骤101-106，确定第一切削刃(103a)的第一刃倾角和第二切削刃(103b)的第二后角；

②刀头与刀杆的设计；

确定刀片厚度H₂，刀片镶嵌至刀头后，最大半径为R_a；通过与割胶铣刀的割胶装置刀柄相配套，确定刀杆的直径D与长度L。

2.根据权利要求1中所述的一种两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的设计方法，其特征在于，随着实际割胶深度h的变化，第二切削刃工作前角γ_h的变化为：

式(五)中，γ₂为第二前角；

第二切削刃工作后角α_h的变化为：

式(六)中，α₂为第二后角。

3.根据权利要求1中所述的一种两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的设计方法，确定两段刃镶齿式专用高速割胶刀具(1)的参数，其特征在于：所述刀片(103)的第一切削刃(103a)的特征为第一前角γ₁为50～55°、第一后角α₁为20～25°、第一楔角β₁为10～20°和第一刃倾角λ为2～5°；第二切削刃(103b)的特征为第二前角γ₂为65～70°、第二后角α₂为5～10°、第二楔角β₂为10～20°；第一切削刃前刀面(103c)为圆弧面，半径R₁为5mm；第二切削刃前刀面(103d)为圆弧面，半径R₂为10mm；第一切削刃(103a)与第二切削刃(103b)之间以圆弧过渡。

4.根据权利要求1所述一种两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的设计方法，所述刀片(103)与刀头(102)镶嵌连接，镶嵌角度为75°，连接方式为焊接或螺钉连接；刀片(103)靠近刀杆(101)一侧的平面与刀头(102)靠近刀杆(101)一侧的平面对齐；刀片(103)厚度H₂大于实际割胶深度h。

5.根据权利要求3所述的一种两段刃镶齿式专用高速割胶刀具的设计方法，其特征在于：所述专用高速割胶刀具包括刀杆(101)、刀头(102)和刀片(103)，所述刀杆(101)装夹于自动割胶装置的刀柄上，刀杆(101)的轴线始终与橡胶树的树干轴线垂直且相交，所述刀片(103)直接作用在橡胶树上。

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