剪切機(jī)刀具失效分析研究?

王 昆，鄒樹梁，唐德文

（1.南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學(xué) 核能經(jīng)濟(jì)與管理研究中心，湖南 衡陽 421001）

0 引言

立式送料剪切機(jī)是核燃料后處理中的核心設(shè)備，其作用是將核燃料組件剪切成一定長度的小段以便于下一步的溶解，是“切斷—浸取法”工藝的關(guān)鍵步驟。立式送料剪切機(jī)由裝料井、送料系統(tǒng)、剪切系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)等組成。

剪切機(jī)工作時，由壓緊裝置中的主、副壓緊機(jī)構(gòu)將組件壓緊，使得組件中的各燃料棒間的空間被壓實(shí)，然后刀具以一定的速度剪切伸出壓緊部分的組件，被剪下的小段則掉入接收漏斗中。剪切刀具是剪切系統(tǒng)的核心部件，起著關(guān)鍵作用。剪切刀具的使用情況及壽命長短將直接影響被剪下小段的開口率，從而影響到整個系統(tǒng)的工作效率，所以有必要對刀具工作狀況以及失效原因進(jìn)行分析。

1 刀具失效

標(biāo)準(zhǔn)的金屬切削作業(yè)是一種損耗過程，其會產(chǎn)生明顯的切削力并產(chǎn)生大量的熱。磨損、機(jī)械力以及過多的熱量會導(dǎo)致切削刃受到磨蝕并最終造成刀具失效。刀具很少由于單獨(dú)的某種機(jī)理而失效，通常情況下，是多種失效機(jī)理同時在金屬切削過程中起作用。刀具在生產(chǎn)使用過程中一般分為正常失效和非正常失效［1］。

1.1 刀具失效形式

刀具主要有脆斷、磨損、熱變形等幾種失效形式，由于刀具材料、加工條件、加工環(huán)境和加工工藝的不同會產(chǎn)生不同的刀具失效形式，如表1所示。

1.2 刀具磨損

刀具磨損是切削時刀具的前、后刀面在高溫高壓作用下與切屑、工件發(fā)生接觸與摩擦而產(chǎn)生的［3］。刀具磨損一般可以分為前刀面磨損和后刀面磨損。前刀面磨損也稱為月牙洼磨損，是由于刀具前刀面與切屑之間的劇烈摩擦，在距離切削刃較近的地方形成月牙洼；后刀面磨損是由于被切削的工件發(fā)生彈性變形從而摩擦刀具后刀面造成的。實(shí)際上，無論工件的材料性能如何，刀具的前、后刀面上都會有磨損。

表1 不同刀具材料的主要失效形式［2］

刀具磨損的原因一般有以下幾種：

（1）硬質(zhì)點(diǎn)磨損，又稱為磨料磨損。一般說來，工件材料的硬度遠(yuǎn)小于刀具材料的硬度，但是工件材料中一些硬質(zhì)點(diǎn)和積屑瘤卻具有很高的硬度，在切削過程中這些物質(zhì)會在刀具表面上留下溝槽，從而使刀具磨損。磨料磨損一般對高速鋼刀具和硬質(zhì)合金鋼刀具的影響比較大。

（2）粘結(jié)磨損。在壓力和溫度作用下，切屑與刀具表面、加工表面緊密接觸發(fā)生粘結(jié)，由于接觸面的滑動，刀具表面上的部分材料就會被切屑帶走，形成粘結(jié)磨損。粘結(jié)磨損的程度與壓力、溫度以及材料間的親和程度有關(guān)。

（3）擴(kuò)散磨損。擴(kuò)散磨損是由于切削區(qū)域?yàn)楦邷馗邏籂顟B(tài)，刀具與工件接觸面間的分子能量大，會出現(xiàn)合金元素相互擴(kuò)散置換，這就使得刀具表面的性能發(fā)生變化，加速刀具的磨損。

（4）化學(xué)磨損：化學(xué)磨損是刀具材料中的某些元素與空氣、工件材料或切削液中的一些元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成化合物被切屑帶走，使刀具表面硬度降低，加速刀具的磨損。

除上述4種原因外，還存在相變磨損、熱電磨損等。刀具磨損是一個在機(jī)械、熱、化學(xué)、物理等各種條件共同作用下的結(jié)果，加工材料、刀具材料、工作環(huán)境的差別使得刀具磨損的形式和程度都不盡相同。

2 剪切機(jī)刀具失效分析

2.1 剪切機(jī)刀具材料和結(jié)構(gòu)

剪切機(jī)刀具的材料是鋼結(jié)硬質(zhì)合金GW30。剪切裝置由數(shù)把剪切刀呈階梯形排列，如圖1所示。

圖1 剪切機(jī)刀具結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 剪切機(jī)刀具工作原理

剪切刀具的工作過程分為3個階段［4］，如圖2所示。

第一階段，刀具小車在液壓系統(tǒng)推動下接近組件，如圖2（a）所示。首先，組件在送料機(jī)構(gòu)的推動下進(jìn)入剪切口并伸出一定的剪切長度，此時副刀與壓緊機(jī)構(gòu)將組件壓緊；然后，刀具在液壓缸的推動下開始接觸已經(jīng)被壓緊的組件，組件的被剪切部分在剪切力作用下發(fā)生輕微翹起，如圖2（b）所示。

圖2 刀具工作過程

第二階段，被剪切的部分翹起后，刀具前刀面與組件的接觸面減小，使刀刃切入組件，如圖2（c）所示。隨著刀刃切入，翹起角增大。

第三階段，隨著刀具的進(jìn)給運(yùn)動，組件被剪切段發(fā)生塑性變形。刀具的不斷運(yùn)動造成組件被剪切段的裂口不斷增大，而且翹起角也不斷變大，最后在剪應(yīng)力作用下組件被剪斷，如圖2（d）所示。

2.3 剪切機(jī)刀具失效機(jī)理

通過對剪切機(jī)刀具的工作原理以及實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問題進(jìn)行分析，刀面磨損是剪切刀具的主要失效形式，磨料磨損是其主要的表現(xiàn)形式［5］，如圖3所示。由圖3可知在刀具表面上存在有大量的劃痕和溝槽，同時也存在因磨粒的犁鏵作用和塑性擠壓形成的犁溝兩側(cè)的隆起。

圖3 刀具磨損形態(tài)

通過分析刀具的工作過程可以看出，磨料磨損始終存在于剪切組件的過程中。剪切刀面始終與組件的表面相接觸，在刀面與組件的表面之間還存在一些小顆粒（這些顆粒是切屑與組件中的陶瓷填充物和放射性物質(zhì)），而且在切入、切出組件的過程中，刀具還要受到其后的液壓系統(tǒng)推力的沖擊作用，那么刀具、組件和小顆粒在剪切過程中不斷摩擦發(fā)熱，其中一些小顆粒在法向載荷作用下會切入刀具表面，最終導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重而失效。同時，由于在實(shí)際的剪切過程中剪切刀具是不能進(jìn)行潤滑與冷卻的，這就加大了刀面磨損，嚴(yán)重影響了剪切刀具的使用壽命。

3 結(jié)論

剪切機(jī)刀具的磨損主要是磨料磨損，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于立式送料剪切機(jī)工作環(huán)境的特殊性，不可能經(jīng)常地對刀具進(jìn)行維護(hù)與更換，為了提高生產(chǎn)效率和企業(yè)效益，就必須使剪切機(jī)刀具的使用壽命盡可能地延長，因而，提高刀具的耐磨性能就是一種行之有效的方法，這也有待于我們進(jìn)一步研究。

［1］ 敖曉春，孫鳳蓮，李振加，等.切削難加工材料刀具失效機(jī)理及其材質(zhì)優(yōu)選的實(shí)驗(yàn)研究［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報，2004，18（3）：29－31.

［2］ 田育.現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中的刀具失效形勢分析［J］.價值工程，2011，26（1）：54.

［3］ 孫智，江利，應(yīng)鵬展.失效分析基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］ 張慶.刀具材料的應(yīng)用與發(fā)展［J］.熱處理，2006，21（4）：8－11.

［5］ 陳寧寧.復(fù)合材料用剪切機(jī)刀具材料的優(yōu)化選擇［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007：6－8.