机器人作业工具的切削刀片

本申请是申请日为2019年9月11日的题为“机器人作业工具的切削刀片”的中国专利申请201980049522.1的分案申请。

技术领域

本公开涉及一种用于诸如割草机(lawnmower)的机器人作业工具的切削刀片(cutting blade for robotic work tool)。

本公开还涉及一种用于制造诸如割草机的机器人作业工具的切削刀片的方法。

背景技术

机器人割草机用于在草坪上割草。通常而言，机器人割草机包括呈圆盘形式的刀片保持器，该刀片保持器旋转附接至草地表面上方的底盘下侧上。多个切削刀片附接至该盘的周边并定向使它们的切削刃切向地面向圆形盘的周边。

在割草机运行期间，切削刀片可能撞击坚硬的物体，如草坪上的石头。物体和刀片之间的冲击导致刀片边缘(blade edge，刀刃)磨损，并且由于刀片的相对较高的旋转速度，也可能导致刀片形成裂纹或碎裂。切削刀片的损坏可能会导致草坪的切削质量受损和割草机的运营成本增加。

机器人割草机切削刀片的磨损和破裂的问题已在WO 2016/150503中得到解决，该专利公开了一种具有带有长方形狭缝的切削刀片的割草机。该切削刀片附接至设置于工具支架(tool holder)上的相应销钉，使得该销钉延伸穿过长方形狭缝。该切削刀片可以围绕该销钉旋转并且还沿着由狭缝形成的路径相对于所述销钉移动。当所述切削刀片撞击物体时，销钉和长方形狭缝的布置允许刀片远离被撞击的物体移动并旋转，从而减少了刀片与物体之间的冲击，并由此降低了损坏刀片的风险。

然而，仍然需要提高机器人割草机的切削刀片的使用寿命。

发明内容

因此，本公开的目的是提供一种用于机器人割草机的切削刀片，其解决或至少减轻了至少一个上述问题。具体而言，本公开的目的是提供一种机器人割草机切削刀片，其具有对于由刀片与物体之间的冲击所引起的损坏的高耐受性。

根据本公开，这些目的中至少一个是通过一种切削刀片实现的，该切削刀片适配成由设置于机器人作业工具中的工具支架携带，该切削刀片包括刀片主体和沿着该刀片主体的至少一部分周边延伸的切削刃，以及布置成接受用于将该切削刀片附接至所述工具支架(tool holder)的销钉的狭缝，其中该切削刀片是可移动的，使得该销钉可以在狭缝内移位，其特征在于，所述切削刀片的硬度在从切削刃朝向刀片主体中心的方向上降低，使得所述切削刃的硬度高于刀片主体的至少中央部分的硬度。

在本公开的切削刀片中，切削刃和刀片主体之间的硬度差导致切削刃的高耐磨性和高耐冲击性。因此，切削刃具有良好的抗磨料磨损性和对于由刀片与障碍物之间的碰撞导致的裂纹形成的良好抗性。良好的抗磨料磨性主要是由于切削刃的高硬度所致。高抗刀片开裂性是由于刀片主体中央部分硬度较低所致，这是因为较软的刀片主体为硬而脆的切削刃提供了弹性支撑。因此，当切削刃碰到物体时，刀片和物体之间的冲击至少部分被刀片主体吸收，并且降低了刀刃破裂的风险。

在操作中，切削刀片的结构设计及其硬度分布的组合有助于在切削刀片中实现非常高的抗冲击性。即，当碰到物体时，刀片中的狭缝允许刀片移动，这导致刀片中形成裂纹的风险的得以降低。切削刀片中的硬度分布甚至进一步降低了裂纹形成的风险，并为切削刀片提供了长的使用寿命。

通常而言，切削刀片是细长的，并且包括彼此相对布置的第一和第二切削刃。狭缝由此可以在刀片主体内并在第一和第二切削刃之间延伸。该切削刃可以是斜面的(beveled)，并且刀片主体通常在斜面切削刃附近延伸。

根据该切削刀片的一个实施方式，切削刃与刀片主体成一体。这样的切削刀片可以以较少的生产步骤低成本制造。切削刃的硬度可以为650-850HV1，而至少刀片主体的中央部分的硬度为450-600HV1。据证实，这种硬度分布为刀片提供了良好的抗冲击性和耐磨性。根据一种替代方案，该切削刀片由弹簧钢制成。这类钢很容易获得，并且可以通过感应硬化(induction hardening)至足够高的硬度而硬化。根据一个实例，该切削刀片由钢材制成，该钢材包含：C：0.70-1.30；锰：0.30-0.90；Si：0.15-0.35；P：≤0.025；S：≤0.025；Cr：≤0.40；Mo：≤0.10；Ni：≤0.40。其余部分由铁和不可避免的或天然存在的杂质组成。

碳(C)和锰(Mn)可以提高钢材的硬度和硬化性(hardenability，淬透性)。因此，当钢材的碳含量为1.20wt％-1.30wt％，锰含量为0.3wt％-0.6wt％时，这是有利的。由这种钢制成的切削刀片在硬化之后会在硬切削刃和弹性刀片主体之间表现出良好的平衡。

另外，该切削刀片由表面硬化钢或氮化钢制成。这类钢可以通过在含碳或氮的气氛中进行扩散硬化而硬化。

根据第二实施方式，切削刃包含第一钢材，而刀片主体包含第二钢材，并且其中所述切削刃和所述刀片主体彼此接合。这是有利的，因为这会允许刀片具有优化的切削刃硬度和优化的刀片主体弹性。因此，有可能获得具有非常高的切削刃硬度与相对较软且有弹性的刀片主体的组合的切削刀片。通常而言，切削刃具有750-1000HV1的硬度，而刀片主体身具有450-600HV1的硬度。

第一钢材可以是高速钢。在这样的实施方式中，第二钢材可以是碳钢或合金碳钢。高速钢(HHS)具有非常高的硬化性和/或形成硬度增加的碳化物或其他颗粒的能力。因此高速钢可以具有非常高的最终硬度。

例如，第一钢材以wt％计含有：C：0.78-0.94；Mn：≤0.45；Si：≤0.45；Si：≤0.45；P：≤0.03；S：≤0.02；Cr：3.75-4.50；V：1.75-2.20；Mo：4.70-4.5；W：5.50-6.75；其余部分为铁和不可避免的或天然的杂质。Mn可以为0.15wt％-0.40wt％。

例如，第二材料可以是钢材，其(以wt％计)包含：

C：0.29-0.33；Mn：0.90-1.1；Si：0.20-0.35；P：≤0.02；S：≤0.01；

Cr：3.80-4.00；V：0.30-0.40；Mo：1.0-1.2；其余部分为铁和不可避免的或天然的杂质。

可选地，切削刀片可以包括包含TiN和/或CrN和/或DLC的耐磨涂层。通常该涂层至少涂施于切削刃上。涂层提高了耐磨性，从而增加了切削刀片的使用寿命。据证实，耐磨涂层与高速钢的切削刃相组合是特别有利的。由于高速钢切削刃的高硬度为耐磨性涂层构成了牢固的支撑，因此该涂层更牢固地附着于刀片上。

通常而言，切削刃是通体硬化的(through-hardened)。由此在切削刃中会获得最大硬度。

根据一个实施方式，切削刃包含硬质合金(cemented carbide)而刀片主体包含钢材，其中切削刃和刀片主体彼此接合。硬质合金会显著提高切削刃的耐磨性，因为硬度可以达到1000-1350HV1。

可选的是，该切削刃宽2毫米。

根据一个进一步的方面，本公开还涉及一种用于制造切削刀片的方法，该方法包括以下步骤：

-提供刀片前体，其包括具有边缘部分和主体部分的可硬化钢材；在刀片前体的主体部分中形成至少一个单独的狭缝；通过加热到奥氏体化温度然后淬火而硬化至少刀片前体的边缘部分；在刀片前体的至少一部分边缘部分上打磨斜面，从而形成具有切削刃的切削刀片。

该方法可以包括以下附加步骤：

-沿着刀片前体(200)的主体部分形成多个单独的狭缝，并将刀片前体分割成多个切削刀片，使每个切削刀片包括单独的狭缝。这是生产大量切削刀片的有效方法。

根据替代方案，刀片前体是连续整体的可硬化钢材条。刀片前体通常通过感应加热而加热到780-840℃，优选780-810℃。感应加热是一种可以进行局部加热的有效而节省空间的加热方法。因此，对于加热实质上是切削刀片的切削刃而言，是有利的。

根据替代方案，通过以下步骤提供刀片前体：

-提供第一钢材条和第二钢材条；将第一钢材条接合至第二钢材条，从而形成刀片前体，其中第一钢材条形成边缘部分，而第二钢材条形成主体部分。

可选的是，通过焊接将第一钢材条接合至第二钢材条。在一些实施方式中，其中当通过焊接将第一钢材接合至第二钢材条时形成焊接接头，该方法可以包括以下步骤：

-对焊接接头进行表面打磨。

因此，该刀片前体的边缘部分可以加热到1200-1250℃。

可选地，该方法可以包括以下步骤：

-将耐磨涂层涂施于至少该切削刀片的切削刃上。该耐磨涂层可以包含TiN和/或CrN和/或DLC。通常而言，耐磨涂层可以通过物理气相沉积(PVD)进行涂施。该涂层技术获得了非常薄且致密的涂层，因此会获得高度耐磨性涂层。

附图说明

图1：包括根据本公开的一个实施方式的切削刀片的机器人作业工具的示意图。

图2：图1中所示的机器人作业工具的工具支架的一部分的示意图。

图3a：根据本公开一个实施方式的机器人作业工具的切削刀片的示意性前视图。

图3b：根据本公开一个实施方式的机器人作业工具的切削刀片的截面示意图。

图4a-图4f：图示说明制造根据本公开的机器人作业工具的切削刀片的方法的步骤的示意图。

图5：显示制造根据本公开的机器人作业工具的切削刀片的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

现在将在下文中更全面地描述根据本公开的用于机器人作业工具的切削刀片。然而，根据本公开的用于机器人作业工具的切削刀片可以以许多不同的形式实施，而不应该解释为限于本文阐述的实施方式。相反，通过示例的方式提供这些实施方式，以使本公开将是彻底而完整的，并将本公开的范围充分传达给本领域技术人员。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。其中在上文或下文中，所指“切削刀片”，该特征可以称为“机器人割草机切削刀片”。

图1显示了实现为具有至少一个根据本公开的切削刀片100(即机器人割草机切削刀片100)的机器人割草机的机器人作业工具10。机器人作业工具10除了切削刀片100之外，与WO 2016/150503中公开的机器人作业工具是相同的。因此，下文中仅参照与切削刀片100有关的特征描述机器人作业工具10。因此，机器人作业工具10包括工具支架20，其实现为切削刀片架并且可以是圆盘。工具支架20旋转地附接至机器人作业工具10，并由切削器马达21驱动而绕其中心轴线旋转运动。工具支架20携带至少一个切削刀片100。然而，通常而言，工具支架20携带多个切削刀片100，如图2所示的三个或更多个切削刀片100。切削刀片100沿着工具支架20的周边附接。图2显示了图1的工具支架20的环绕部分的放大视图，以及在刀片100的切削路径上的障碍物40，如石头。因此，工具支架20包括至少一个从工具支架20的面上延伸的销钉30。销钉30布置于工具支架20的周边上或周边附近。下文中将要详细描述的切削刀片100包括狭缝113，销钉30接受于狭缝113中。因此，切削刀片100布置为能够绕销钉30旋转并且还能够沿着由狭缝113的延伸而限定的路径相对于销钉30进行移动。该切削刀片可以响应于对物体40的撞击而执行一个或两个这些运动。

图3a显示了根据本公开的切削刀片100。切削刀片100可以是矩形的并且包括刀片主体110，该刀片主体110可以是矩形的并且包括周边111，该周边111包括相对的长边111.1，111.2，和相对的短边111.3，111.4。切削刀片可以是平坦的，即它可以在单个平面内延伸。刀片主体110包括构造成接收工具支架20的销钉30的狭缝113。在图3a中，狭缝113平行于刀片主体110的长边延伸。然而，狭缝113的其他延伸是可能的，如弯曲或对角线延伸。在一些实施方式中，代替狭缝113，刀片100可以具有构造为接收销钉30的圆形孔。切削刀片100还包括分别地在刀片主体110的相对侧上在刀片主体110的长边部分111.1，111.2附近延伸的第一切削刃120和第二切削刃121。图3b显示了切削刀片的横截面。因此，刀片主体110构成切削刀片的中心，其可以具有均匀的横截面。第一和第二切削刃120，121分别沿着刀片主体110的周边111并且在刀片主体的相对侧上延伸。第一和第二切削刃120，121可以具有斜面122。因此，从切削刀片110的横截面看，斜面122的起点可以限定第一和第二切削刃120，121与刀片主体110之间的界面。因此，刀片主体110沿着切削刃120，121的斜面122延伸。

切削刀片可以是35.5毫米长，18.7毫米宽和0.6毫米厚。在刀片两个面上的切削刃可以是1-2毫米宽，斜面为30°。

返回至图3a，刀片主体110具有中心125，并且还可以具有中央部分126，该中央部分从刀片主体的中心125朝向第一和第二切削刃120，121延伸。刀片主体110还可以包括至少一个边界部分112，该边界部分112可以至少部分地在中央部分125与切削刃120，121之一或两者之间延伸。由于与切削刀片100的制造有关的原因，中央部分126和边界部分112可以具有不同的材料特性。例如，在本公开中，切削刃120，121可以进行硬化处理。在硬化工艺过程中，对切削刃进行加热，这可以导致一些热量散发到刀片主体110的边界部分126。这种散发的热可以导致边界部分局部硬化及其硬度增加。然而，当主体部分不受影响时，中央部分126具有与主体部分110相同的延伸。

根据本公开，切削刀片100的硬度在从切削刃120，121朝向刀片主体110的中心125的方向上降低，使切削刃120，121的硬度高于刀片主体110的中央部分126的硬度。

根据切削刀片100的第一实施方式，切削刃120，121与刀片主体110制成一体。因此，切削刃120，121和刀片主体构成单件材料，其间没有，即无，任何连接。由此切削刀片100可以由可硬化钢材如碳钢、低合金碳钢或弹簧钢构成。

这种钢可以通过将钢加热到预定温度以上而硬化，在该预定温度下，钢的微结构变为奥氏体，随后在例如油、水或气中快速淬火。在淬火期间，奥氏体微结构转变成马氏体或贝氏体或其混合物。

通常而言，切削刀片100经历切削刃120，121的局部硬化。刀片主体110不进行硬化，因此其硬度小于切削刀片。通常而言，至少刀片主体110的中央部分126具有铁素体和珍珠岩和/或渗碳体(cementite)的退火结构。

因此，切削刃120，121可以具有650-850HV1的硬度，而刀片主体110的至少中央部分126可以具有450-600HV1的硬度。切削刃120和121的最终硬度可以通过选择用于制造切削刀片的钢材而控制。通常而言，切削刃120和121是通体硬化的。

例如，切削刀片可以由钢材制成，该钢材以wt％计包含：

C：0.70-1.30；Mn：0.30-0.90；Si：0.15-0.35；P：≤0.025；S：≤0.025；

Cr：≤0.40；Mo：≤0.10；Ni：≤0.40。其余部分由铁和不可避免的或天然存在的杂质组成。

这种钢材的实例有钢标准SS-EN10132-4的C75S、C85S、C90S、C100S和C125S钢。

硬化性随碳(C)和锰(Mn)含量的增加而增加。因此，碳含量可以为1.20wt％-1.30wt％而锰含量可以为0.3wt％-0.6wt％。

根据切削刀片的第二实施方式，切削刃120，121包括第一钢材，而刀片主体110包括第二钢材。第一和第二钢材是具有不同组成的钢。由此，切削刃120，121和刀片主体110通过由例如焊接或铜焊形成的接头而彼此接合至一起。如果切削刃120，121和刀片主体110通过焊接彼此接合至一起，则可以产生焊接接头。在一些实施方式中，该焊接接头可以被打磨掉。

根据一个实例，构成切削刃120，121的第一钢材是高速钢(HHS)。例如，第一钢材可以是以wt％计包含以下元素的钢材：

C：0.78-0.94；Mn：≤0.45；Si：≤0.45；P：≤0.03；S：≤0.02；Cr：3.75-4.50；V：1.75-2.20；Mo：4.70-4.5；W：5.50-6.75；其余部分为铁和不可避免的或天然存在的杂质。Mn可以为0.15wt％-0.40wt％。

这种钢材的一个实例是ASTMI M2钢，其可以商购获自OTAI Special Steel公司。

根据另一个实例，该钢材以wt％计包含：

C：1.05-1.15；Mn：0.20-0.45；Si：≤0.7；P：≤0.03；S：≤0.02；Cr：3.50-4.50；V：0.95-1.5；Mo：9.0-10.0；W：1.15-2.0；Co：7.75-8.75；其余部分为铁和不可避免的或天然存在的杂质。

这种钢材的一个实例是AISI M42钢，其可以商购获自

构成刀片主体110的第二钢材可以是本公开的切削刀片的第一实施方式中描述的钢材之一。

另外，第二钢材可以是以wt％计包含以下元素的钢：

C：0.29-0.33；Mn：0.90-1.1；Si：0.20-0.35；P：<0.02；S：<0.01；Cr：3.80-4.00；V：0.30-0.40；Mo：1.0-1.2；其余部分为铁和不可避免的或天然存在的杂质。

通常而言，切削刃120，121进行硬化并且刀片主体处于退火状态。切削刃可以是通体硬化的。

切削刃120，121可以具有750-1000HV1的硬度，而至少切削主体的中央部分126可以具有450-600HV1的硬度。

根据第三实施方式，切削刃120，121包括硬质合金，而刀片主体110包括根据本发明的切削刀片的第一和第二实施方式所公开的钢材。硬质合金通常在金属合金如镍钴合金的粘结剂中包括碳化钨(WC)的颗粒。硬质合金的切削刃可以具有1000-1350HV1的硬度。合适的硬质合金的一个实例是HC40，其可以商购获自Ceratizit公司。

可选的是，上述三个实施方式的切削刀片可以包括耐磨表面涂层，该涂层至少涂施于切削刃120，121上。该涂层例如可以包括氮化钛(TiN)或氮化铬(CrN)或类金刚石碳(DLC)或其混合物，或由其组成。

以下是根据本公开的第一实施方式和第二实施方式的切削刀片的制造方法的描述。参考附图4a-图4f和图5的流程图。根据第一、第二和第三实施方式制造切削刀片的方法的多个步骤是相同的。因此，在下文中，将在适当的情况下连同制造根据第二实施方式和第三实施方式的切削刀片的方法的差别步骤一起详细描述制造根据第一实施方式的切削刀片的方法。

因此，转向图4a，在第一步1000(见图5)中，提供了刀片前体200。为了制造第一实施方式的切削刀片，可以将刀片前体提供为宽度和厚度等于最终切削刀片的尺寸的可硬化钢条。就长度而言，该条(即刀片前体)的长度可以等于最终切削刀片的长度。然而，为了高的生产率，该条的长度可以等于多个切削刀片的总长度。钢材可以选自上文公开的钢材。切削刀片具有边缘部分210，211，边缘部分210，211是前体200将形成最终切削刀片的切削刃120，121的部分。刀片前体200还具有主体部分220，其是刀片前体200将构成最终切削刀片的主体部分110的部分。

转到图4a″，显示了提供用于根据第二实施方式的切削刀片的刀片前体200的步骤1000。在这种情况下，在步骤2000中，提供了至少一个第一钢材条210，并且提供一个第二钢材条220。在图4a″中，提供了两个第一钢材条210，211。在随后的步骤3000中，将所述至少一个第一钢材条200和第二钢材条220彼此接合至一起。所述至少一个第一钢材条210的一个纵向边缘接合至第二钢材条220的一个纵向边缘。在图4a″中，提供了两个第一钢材条210，211。第一钢材的第一和第二条210，211的一个纵向边缘接合至第二钢材条220的相应纵向边缘。接合可以通过焊结如激光焊接或摩擦搅拌焊接，或通过铜焊而实现。根据一些实施方式，可以打磨掉两种材料接合时可能产生的焊接接头。因此，切削刀片100的表面可以变得完全光滑。这可以减少切削刀片100破碎或切削刃120，121碎片掉落的风险。

转向图4b，在随后的步骤4000中，在刀片前体200中形成至少一个单独的狭缝113，该狭缝通常在前体的主体部分220中形成。狭缝113可以通过冲压或切削或其他金属切削技术形成。如上所述，刀片前体200的长度可以等于多个切削刀片的长度。在这种情况下，可以沿着刀片前体200形成多个狭缝113。狭缝113被间隔开，使一个单独的狭缝113位于最终的切削刀片中。

转到图4c，在随后的步骤5000中，通过将刀片前体200的至少边缘部分210，211加热到奥氏体化温度然后淬火而硬化刀片前体200。奥氏体化温度是钢材的微结构转变为奥氏体的温度。对于不同的钢组成，该温度可能是不同的，并且该温度可以查阅公共参考文献得知，也可以通过常规实验确定。对于上文公开的弹簧钢和碳钢，奥氏体化温度为780-840℃，优选780-810℃。高速钢奥氏体化温度对于M42型钢为1169-1180℃，对于M2型钢为1200-1250℃。刀片前体的加热通常由感应加热装置400执行，因为感应加热允许局部加热预定边缘部分。淬火可以通过将流体喷射或喷雾于刀片前体的加热的边缘部分(未示出)上而进行。

转到图4d，在随后的步骤6000中，刀片前体200的边缘部分210，211的至少一部分进行打磨而形成切削刃120，121。由此，刀片前体200可以打磨以在刀片前体200的一个表面或两个表面上形成斜面。打磨可以通过具有旋转打磨盘的打磨机500进行。在刀片前体的尺寸对应于一个切削刀片的情况下，现在准备将刀片前体用作机器人割草机的切削刀片。

转到图4e，在可选的后续步骤7000中，耐磨涂层可以施加于刀片前体200的切削刃210，211的至少一部分上。耐磨涂层可以是TiN或CrN或类金刚石碳化物，并可以通过化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)提供。

转到图4f，在刀片前体200具有与多个切削刀片的总长度相对应的长度的情况下，在步骤8000中，刀片前体200分割成单独的切削刀片100。由此，该刀片前体进行分割，使每个单独的切削刀片100包括狭缝113和切削刃120，121。刀片前体200的分割可以通过金属切削工具如切剪机(shear)或剪刀完成。

尽管已经以一定顺序描述了上述方法步骤，但显而易见的是可以以另一顺序执行某些步骤。例如，在硬化刀片前体之前可以打磨刀片前体上的切削刃。还可以首先将刀片前体分割成单独的切削刀片，然后施加耐磨涂层。

在根据本发明的切削刀片的制造方法中，还有可能包括热处理的进一步的步骤。例如，在硬化之后，可以对钢前体进行回火步骤以使硬化的边缘部分脆度降低。回火可以在250-350℃的温度范围内进行。还有可能的是对整个刀片前体进行硬化，然后将该刀片前体的主体部分回火，以便在刀片前体和最终切削刀片的边缘部分和主体部分之间获得硬度差。

还有可能使用其他硬化方法。例如，刀片前体可以由氮化钢制成并进行氮化硬化。还可能由表面硬化钢制造刀片前体，并使刀片前体进行表面硬化。还有可能通过遮盖主体部分而局部硬化刀片前体的边缘部分，从而防止氮或碳扩散到刀片前体的主体部分中。

关于制造根据本公开的第三实施方式的切削刀片。根据第三实施方式的切削刀片包括碳钢刀片主体和硬质合金切削刃。切削刀片可以通过包括以下步骤的方法形成：

提供刀片前体200，刀片前体包括：主体部分220，其包含钢材；和边缘部分210，211，其包含硬质合金。通常而言，通过以下步骤提供刀片前体：提供钢材条和硬质合金条。在随后的步骤中，将钢材条和硬质合金条彼此接合至一起。该接合可以通过铜焊而实现。任何合适的钎焊材料，例如，银基铜焊材料，都可以使用。

在根据第三优选实施方式的切削刀片的制造方法中，省略了硬化刀片前体200的步骤。然而，如第一和第二实施方式中公开的其他制造步骤可以应用于制造根据第三实施方式的切削刀片。