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刃口产品的锋利性能

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                    1 前言
  锋利刃口产品在使用过程中变钝,逐渐失去原来的锋利性,钝化是这类产品失效的主要形式。五金产品中的民用剪刀、菜刀、刀片……等这类产品的失效形式多属于钝化失效。甚至机用刀具切削性能的下降也与刃口的钝化(变形、磨损、崩刃、组织改变等)也有着直接的关系,如何评判锋利性能高低,是一个有待解决的课题。以往人们通常凭借手感目测等方法来判别刃口是否锋利或变钝,80年代初用刃口切三角皮带后再切老生姜,看生姜片切面上是还起丝,来粗略判明是还锋利。但这种方法由于手工操作,不仅用力大小因人而异,即令同一人操作也不会先后一致,因而带来了极大的主观随意性,不属于一种科学的测试法。后来有人改用食品机械进行锋利度测试法,这就大大前进了一步,由于锋利度受诸多因素的影响,这种测试的结果常常与人们的感觉效果也不完全相一致。  
  作者曾研制出菜刀锋利度测试机,测量切割过程中用于克服阻力消耗的功大小作为度量锋利度值。刃口完成一次切割用于阻力消耗的功愈小,则刃口愈锋利。反之消耗的功愈大则刃口愈钝。  
2 锋利度的物理意义及测试方法  
  “锋利度:指刃具分割物体时,所受阻力大小,阻力小,锋力度高。”   
2.1 根据这一观点,即以阻力的大小度量锋利度的测试仪有不少,例如日本(JISO201-1976)规定的医疗用刀类锋利度测试仪,这种测试仪采用天平作主体,在天平的一端加上一盛水箱,另一端则装一挂具,挂具上有一张紧的尼龙丝,刀具被固定在尼龙丝上方。测试时缓慢向水箱注水直到尼龙丝被切断,此时水箱中的水的重量即表征锋利度值。日本的拉切锋利度测试仪是测量垂直方向及水平方向阻力大小来表征锋利度。此外被日本工业标准(JIST0202)规定的医疗剪刀锋利度测试仪,它以剪断铜丝的力来表征锋利度的值。  
2.2 剃须刀片锋利度测试仪  
  沈阳二轻研究所标准化室研制的刀片锋利度测试仪,食品的横梁上固定一根标准尼龙丝,下端悬挂一重物,刀惩被固定在可作水平移动的工作台上,调整工作台位置使刀片刃口刚好接触尼龙丝,测试时电机驱动工作台水平运动,在刀片切断尼龙丝的瞬间重物下落撞击开关断电。此时测量工作台移动距离X;重物(W),刀片距尼龙丝固定点的距离L,可换算尼龙丝所受的切断力:  
p=WX/L
令W=L,则p=X(克力)  
于是可通过工作台水平移动的距离表征锋利度的值。  
  以上的测量方法都存在其各自的弊端:  
  (a)尼龙丝等被切割材料的不均匀性。  
  (b)刃口与被切材料的点接触方式使测量值只能表征一个点上的性能,不具普遍性。即使不断改换测试点也很难测得刃口处锋利性能的连续数据。  
  (c)难于从材料方面判定刃口持久锋利性能。  
2.3 切割标准试样锋利度测试机。  
  本文作者研制的一种锋利度测试装置,这种测试仪是从切割过程中阻力所消耗的功来定义锋利度值。从广义的角度来看:锋利度的物理意义应该是表征切割过程中克服阻力的功耗。它是阻力(F)在切割行程中(L)的累积效果,它是标量,它应具有能量量纲。  
  上述以力来表示锋利度值的测试仪中,不难看出,完成切断的过程中,既有力(F)作用于被切物质(尼龙丝等),同时也有位移(L)的发生,才完成切割过程。故用能量(功)来表征锋利度比用力来表示锋利度值,更具普遍意义。上述测得的阻力(F)是指切断所需克服的量大阻力(Fmax)来表征锋利度值。但Fmax大,未必用于克服阻力的功(W)耗也大。  
  将被测刃口产品(菜刀)按一定的方法固定在刀架上,使刀及装刀系统的总重量P=1200g(或600g),被切割材料是82-9型胶棒,试棒直径? 50mm,硬度为邵化70,以一定的转速(60r/min或40r/min)绕定轴旋转。刃口触及试棒进行切割时,实现压切和拉切,即可测出每切一片试棒(胶片)消耗的W,并记录时间t。  
  为了测量功耗设计出一套电路,采用小型并激直流电机,电子电位差计及稳压器。当菜刀没有加压在胶棒上时,直流电机通过减速器使胶棒转动时,此时调节直流可变稳压电源使
I1R1=I2R2
选择R1=R2=0.38Ω  
则I1=I2,则电子电位差计所测得的电压即输出电压为:  
u=u1-u2=I1R1-I2R2=0
电位差计示值为零
  当菜刀在胶棒上进行切割时,由于电机输出轴(胶棒)上的阻力(矩)增加,电机的电流I1,增加到I1 △I1,下时输出电压不再为零。
  u=0.38△I1;△I1=u/0.38
  当电机输入电压Um不变时,输入电机的功率增加了△p
  △p=Um△I1=Um*u/0.38
  由此式可知,已将功率的变化的测量转化为对电压的测量。  
  电机输入功率△p,减去由于制动力矩的增加而引起的功率损耗Σ△p损应该等于菜刀切割胶棒所消耗的功率Mω
  即 △p-Σ△p损=Mω

  式中ω胶棒的角速度
  M作用在胶棒的上力矩(菜刀切割胶棒时所产生的阻力矩)
  Σ△p损=△p铜 △p铁 △p机
  △p铜 电机铜损耗的增加量
  △p铁 电机铁损耗的增加量
  △p机 电机机械损耗的增加量  
  由于Um不变,并激直流电机的转速随负载的变化极微,且本实验中负载变化也不大,因此转速ω可视为常数。由于△p铁 与磁感应强度B和转速有关,△p机只与转速有关,因此△p铁 和△p机均可视为不随负载的增加而变化,即△p铁 =0 △p机=0
Σ△p损=△p铜=△I21r r为电枢电阻
因而得△p-△I21r=Mω (1)
  由于△I1变化不大(几十毫安),r很小,△I21·r可忽略,则
  △P=Um·u/0.38=Mω (2)

  电子电位差计的记录曲线(图5),纵坐标代表u,横坐标代表时间t(t1为切割一片胶棒的时间),从(2)式可知u的大小正比于△p,也正比于M,故u的大小实际上可以表示△p或制动M=△p/ω或M=Um/0.38ω·u式中Um=100伏,ω=2π/1.5孤度/秒  
  实测的u-t曲线可知,M和△P是随切割过程而变化的,从而测得的u值可代表各瞬间的M的大小。  
  对公式(2)进行积分即可以计算出切割一片胶棒的功耗W
  W=∫?△pdt=Um/0.38∫?udt (3)  
  ∫?udt代表电子电位差计记录下来的u-t曲线所包围的面积。可用求积仪测出,这样就解决了菜刀每切割一片胶棒的功耗。  
  曾对17#菜刀经磨锋利后进行连续切割8片棒片,进行实测W及完成切割一片所需的时间t,则结果列于表1。  
表1 W与t的实测结果  



片数
切一片所需时间(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
  从表中列出的数据中可以看出每切一片的功耗与相应所需的时间,随着切片数的增加,功耗增切割过程的进行,刃口功耗的增加使其刃口钝化。从各种试验结果综合分析得t=(1.1-1.3)W ,由于测定W较麻烦,故在上述测试条件下就采用时间t来表示锋利度,与习惯相一致以1/t或W-t曲线即称之为钝化曲线。不同质量刃口产品有不同的钝化曲线。  
3 结语  
  (1)刃口产吕锋利度以阻力大小及以克服阻力的功耗来表示是目前两种表征的方法,但以功耗来标定物理意义更确切、更广泛。  
  (2)在本测试条件下以功耗来表征锋利度和以时间来标定锋利度都准确可靠,但以时间计算更简捷。  
  (3)连续切割过程中,每切一片功耗与时间的不断增加正好表明刃口产品在使用过程中的钝化过程,这种表示方法确切地反映刃口钝化的物理本质。不同的质量的刃口产品测出的钝化曲线N-t(片——时间曲线)或N-W(片——功耗)曲线不同,正好反映了刃口产品的质量。   
                  
                  
                     
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