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    機械刀片刃口產品的鋒利性能

    文字:[大][中][小] 2010-12-27

    前言
      鋒利刃口產品在使用過程中變鈍,逐漸失去原來的鋒利性,鈍化是這類產品失效的主要形式。五金產品中的民用剪刀、菜刀、刀片……等這類產品的失效形式多屬于鈍化失效。甚至機用刀具切削性能的下降也與刃口的鈍化(變形、磨損、崩刃、組織改變等)也有著直接的關系,如何評判鋒利性能高低,是一個有待解決的課題。以往人們通常憑借手感目測等方法來判別刃口是否鋒利或變鈍,80年代初用刃口切三角皮帶后再切老生姜,看生姜片切面上是還起絲,來粗略判明是還鋒利。但這種方法由于手工操作,不僅用力大小因人而異,即令同一人操作也不會先后一致,因而帶來了極大的主觀隨意性,不屬于一種科學的測試法。后來有人改用食品機械進行鋒利度測試法,這就大大前進了一步,由于鋒利度受諸多因素的影響,這種測試的結果常常與人們的感覺效果也不完全相一致。
      作者曾研制出菜刀鋒利度測試機,測量切割過程中用于克服阻力消耗的功大小作為度量鋒利度值。刃口完成一次切割用于阻力消耗的功愈小,則刃口愈鋒利。反之消耗的功愈大則刃口愈鈍。
    2 鋒利度的物理意義及測試方法
      “鋒利度:指刃具分割物體時,所受阻力大小,阻力小,鋒力度高。” 
    2.1 根據這一觀點,即以阻力的大小度量鋒利度的測試儀有不少,例如日本(JISO201-1976)規定的醫療用刀類鋒利度測試儀,這種測試儀采用天平作主體,在天平的一端加上一盛水箱,另一端則裝一掛具,掛具上有一張緊的尼龍絲,刀具被固定在尼龍絲上方。測試時緩慢向水箱注水直到尼龍絲被切斷,此時水箱中的水的重量即表征鋒利度值。日本的拉切鋒利度測試儀是測量垂直方向及水平方向阻力大小來表征鋒利度。此外被日本工業標準(JIST0202)規定的醫療剪刀鋒利度測試儀,它以剪斷銅絲的力來表征鋒利度的值。
    2.2 剃須刀片鋒利度測試儀
      沈陽二輕研究所標準化室研制的刀片鋒利度測試儀,食品的橫梁上固定一根標準尼龍絲,下端懸掛一重物,刀懲被固定在可作水平移動的工作臺上,調整工作臺位置使刀片刃口剛好接觸尼龍絲,測試時電機驅動工作臺水平運動,在刀片切斷尼龍絲的瞬間重物下落撞擊開關斷電。此時測量工作臺移動距離X;重物(W),刀片距尼龍絲固定點的距離L,可換算尼龍絲所受的切斷力:
    p=WX/L
    令W=L,則p=X(克力)
    于是可通過工作臺水平移動的距離表征鋒利度的值。
      以上的測量方法都存在其各自的弊端:
     ?。╝)尼龍絲等被切割材料的不均勻性。
     ?。╞)刃口與被切材料的點接觸方式使測量值只能表征一個點上的性能,不具普遍性。即使不斷改換測試點也很難測得刃口處鋒利性能的連續數據。
      (c)難于從材料方面判定刃口持久鋒利性能。
    2.3 切割標準試樣鋒利度測試機。
      本文作者研制的一種鋒利度測試裝置,這種測試儀是從切割過程中阻力所消耗的功來定義鋒利度值。從廣義的角度來看:鋒利度的物理意義應該是表征切割過程中克服阻力的功耗。它是阻力(F)在切割行程中(L)的累積效果,它是標量,它應具有能量量綱。
      上述以力來表示鋒利度值的測試儀中,不難看出,完成切斷的過程中,既有力(F)作用于被切物質(尼龍絲等),同時也有位移(L)的發生,才完成切割過程。故用能量(功)來表征鋒利度比用力來表示鋒利度值,更具普遍意義。上述測得的阻力(F)是指切斷所需克服的量大阻力(Fmax)來表征鋒利度值。但Fmax大,未必用于克服阻力的功(W)耗也大。
      將被測刃口產品(菜刀)按一定的方法固定在刀架上,使刀及裝刀系統的總重量P=1200g(或600g),被切割材料是82-9型膠棒,試棒直徑? 50mm,硬度為邵化70,以一定的轉速(60r/min或40r/min)繞定軸旋轉。刃口觸及試棒進行切割時,實現壓切和拉切,即可測出每切一片試棒(膠片)消耗的W,并記錄時間t。
      為了測量功耗設計出一套電路,采用小型并激直流電機,電子電位差計及穩壓器。當菜刀沒有加壓在膠棒上時,直流電機通過減速器使膠棒轉動時,此時調節直流可變穩壓電源使
    I1R1=I2R2
    選擇R1=R2=0.38Ω
    則I1=I2,則電子電位差計所測得的電壓即輸出電壓為:
    u=u1-u2=I1R1-I2R2=0
    電位差計示值為零
      當菜刀在膠棒上進行切割時,由于電機輸出軸(膠棒)上的阻力(矩)增加,電機的電流I1,增加到I1+△I1,下時輸出電壓不再為零。
      u=0.38△I1;△I1=u/0.38
      當電機輸入電壓Um不變時,輸入電機的功率增加了△p
      △p=Um△I1=Um*u/0.38
      由此式可知,已將功率的變化的測量轉化為對電壓的測量。
      電機輸入功率△p,減去由于制動力矩的增加而引起的功率損耗Σ△p損應該等于菜刀切割膠棒所消耗的功率Mω
      即 △p-Σ△p損=Mω
      式中ω膠棒的角速度
      M作用在膠棒的上力矩(菜刀切割膠棒時所產生的阻力矩)
      Σ△p損=△p銅+△p鐵+△p機
      △p銅 電機銅損耗的增加量
      △p鐵 電機鐵損耗的增加量
      △p機 電機機械損耗的增加量
      由于Um不變,并激直流電機的轉速隨負載的變化極微,且本實驗中負載變化也不大,因此轉速ω可視為常數。由于△p鐵 與磁感應強度B和轉速有關,△p機只與轉速有關,因此△p鐵 和△p機均可視為不隨負載的增加而變化,即△p鐵 =0 △p機=0
    Σ△p損=△p銅=△I21r r為電樞電阻
    因而得△p-△I21r=Mω (1)
      由于△I1變化不大(幾十毫安),r很小,△I21·r可忽略,則
      △P=Um·u/0.38=Mω (2) 
      電子電位差計的記錄曲線(圖5),縱坐標代表u,橫坐標代表時間t(t1為切割一片膠棒的時間),從(2)式可知u的大小正比于△p,也正比于M,故u的大小實際上可以表示△p或制動M=△p/ω或M=Um/0.38ω·u式中Um=100伏,ω=2π/1.5孤度/秒
      實測的u-t曲線可知,M和△P是隨切割過程而變化的,從而測得的u值可代表各瞬間的M的大小。
      對公式(2)進行積分即可以計算出切割一片膠棒的功耗W
      W=∫?△pdt=Um/0.38∫?udt (3)
      ∫?udt代表電子電位差計記錄下來的u-t曲線所包圍的面積??捎们蠓e儀測出,這樣就解決了菜刀每切割一片膠棒的功耗。
      曾對17#菜刀經磨鋒利后進行連續切割8片棒片,進行實測W及完成切割一片所需的時間t,則結果列于表1。
    表1 W與t的實測結果
    片數 切一片所需時間(秒/片) 切一片所消耗的功(焦耳/片) 
    1 27.8 19.9 
    2 33.8 26.4 
    3 38.3 29.4 
    4 42.4 34.0 
    5 49.5 36.0 
    6 60 54.3 
    7 74.3 58.8 
    8 109.9 85.3 
      從表中列出的數據中可以看出每切一片的功耗與相應所需的時間,隨著切片數的增加,功耗增切割過程的進行,刃口功耗的增加使其刃口鈍化。從各種試驗結果綜合分析得t=(1.1-1.3)W ,由于測定W較麻煩,故在上述測試條件下就采用時間t來表示鋒利度,與習慣相一致以1/t或W-t曲線即稱之為鈍化曲線。不同質量刃口產品有不同的鈍化曲線。
    3 結語
     ?。?)刃口產呂鋒利度以阻力大小及以克服阻力的功耗來表示是目前兩種表征的方法,但以功耗來標定物理意義更確切、更廣泛。
     ?。?)在本測試條件下以功耗來表征鋒利度和以時間來標定鋒利度都準確可靠,但以時間計算更簡捷。
     ?。?)連續切割過程中,每切一片功耗與時間的不斷增加正好表明刃口產品在使用過程中的鈍化過程,這種表示方法確切地反映刃口鈍化的物理本質。不同的質量的刃口產品測出的鈍化曲線N-t(片——時間曲線)或N-W(片——功耗)曲線不同,正好反映了刃口產品的質量。

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