剪切机刀具失效分析研究
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的前 、 后 刀面 在 高 温 高压 作 用 下与切 屑 、 工 件 发 生 接触 与 摩 擦 而产 生 的［ ３ ］ 。刀 具 磨损 一般 可 以分 为前刀 面磨损 和后 刀面磨 损 。前刀 面 磨损 也称 为月 牙 洼磨 损 ， 是 由于 刀具 前 刀 面 与切 屑 之 间 的剧烈 摩擦 ， 在 距 离切 削 刃较 近 的地 方形 成 月 牙
剪切 机 刀具 失效 分 析研 究米
王 昆 ， 邹 树 梁 ， 唐 德 文
（ １ ． 南 华 大 学 机 械 工程 学院 ，湖 南 街 阳 ４ ２ １ ０ ０ １ ；２ ． 南 华 大 学 核 能 经 济 与 管 理 研 究 中心 ，湖 南 衡 阳 ４ ２ １ ０ ０ １ ）
摘 要 ： 剪切 机 是核 燃 料 处 理 工 程 的关 键 设 备 ， 其 剪 切 刀 具 用 于 剪 切 复 合 材 料 组 件 ， 剪切 刀具 的工 况 直接 影 响
洼； 后 刀 面磨损 是 由于 被切 削 的工 件 发 生 弹性 变形 从 而摩 擦 刀具后 刀 面造 成 的 。实际 上 ， 无论 工 件 的 材料 性能 如何 ， 刀具 的前 、 后刀 面上都会 有磨损 。
表 １ 不 同 刀具 材 料 的 主 要 失效 形 式
刀 具 材 料 碳 素 工 具 钢 合 金 工 具钢 钨 系 高 速 钢 Ｐ类 硬 质 合 金 陶 瓷 金 刚 石 立 方 氮 化硼 主 要失 效 形 式 热 变形 热 变形 热 变形 弯 曲 变形 、 脆 断 弯 曲变 形 、 脆 断 热变形、 弯 曲变 形 、 脆 断 脆 断
整个 剪切 工 作 的 效 率 。 由于 实 际 生 产 过 程 中刀 具 的 磨 损 非 常 严 重 ．导 致 刀 具 过 早 失 效 。 通过 分 析 在 实 际 生 产 过 程 中刀 具 出现 的 主 要 失效 形 式— — 磨 损 ，从 而 为 提 高 刀 具 使 用 寿 命 提 供 一定 的理 论 依 据 。 关键 词 ：剪 切 机 ； 刀具 失效 ；刀 具 磨 损 中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｇ３ ３ ３ ． ２ ｌ 文 献标 识 码 ：Ａ
第３ 期（ 总第 １ ７ ８期 ）
２ ０ １ ３年 ６月
机 械 工 程 与 自 动 化 ＭＥ ＣＨ ＡＮＩ ＣＡＬ Ｅ ＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴ（ ） Ｍ ＡＴＩ （ ） Ｎ
Ｎｏ． ３
Ｊ ｔ ｉ ｎ ．
文章编 号 ： １ ６ ７ ２ — ６ ４ １ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ — ０ １ １ １ ～ ０ ２
剪 切机 工作 时 ， 由压紧装 置 中的主 、 副压 紧机构将 组 件压 紧 ， 使 得组 件 中的各燃 料棒 间的空 间被压 实 ， 然 后 刀具 以一定 的速 度 剪切 伸 出压 紧部 分 的组 件 ， 被 剪 下 的小段 则掉 人接 收漏 斗 中。剪切刀 具是 剪切 系统 的
核 心部件 ， 起 着关 键作 用 。剪 切 刀 具 的使 用 情 况 及 寿 命 长短将 直 接影 响被 剪 下小 段 的 开 口率 ， 从 而 影 响 到 整 个系统 的工作效 率 ， 所 以有 必 要 对 刀具 工 作 状 况 以 及 失效原 因进行分 析 。 １ 刀具 失效 标准 的金属切削作业 是一种损耗过程 ， 其 会产 生明 显 的切 削力并产生 大量的热 。磨损 、 机 械力 以及过 多的 热量会 导致切 削刃 受到磨 蚀并 最终 造 成刀 具失 效 。刀 具很少 由于单独 的某 种机 理 而失效 ， 通 常情 况下 ， 是 多 种失效机 理 同时在 金属 切削 过程 中起 作用 。刀具 在 生 产使用过 程 中一般分 为正常失效和非正 常失效 ［ １ ］ 。 １ ． １ 刀 具 失 效 形 式 刀具 主要 有脆 断 、 磨损、 热 变形 等几 种 失 效形 式 ， 由 于刀具 材料 、 加工 条件 、 加工 环境和 加工 工艺 的不 同 会 产 生不 同 的刀具 失效 形式 ， 如表 １ 所示。
＊ ｝国防 基 础 科 研 基 金 资 助 项 目 （ ２ ０ １ １ ＧＨＮ ０ ２ 一Ｚ ０ ３ ） 收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ — １ １ — ２ ０ ｛修 回 日期 ：２ ０ １ ２ — １ ２ — ２ ３
刀具 磨损 的原 因一般 有 以下几 种 ： （ １ ）硬质 点磨 损 ， 又称为磨 料磨 损 。一 般说来 ， 工 件 材料 的硬度 远小 于 刀具 材 料 的硬 度 ， 但 是工 件 材 料 中一些 硬质点 和 积屑 瘤却 具 有很 高 的硬 度 ， 在 切 削 过 程 中这些 物质 会在 刀 具表 面 上 留下 沟槽 ， 从 而 使 刀 具 磨 损 。磨料磨 损一 般对 高速钢刀 具和硬 质合金 钢刀 具 的影 响 比较大 。 （ ２ ）粘 结磨 损 。在 压 力 和温 度 作 用 下 ， 切 屑 与 刀 具表 面 、 加工 表面 紧密接 触发生粘 结 ， 由于接触 面的 滑 动， 刀具 表面上 的 部分材 料就会被 切屑带 走 ， 形 成粘 结 磨损 。粘结磨 损 的程 度与 压 力 、 温度 以 及材 料 间 的 亲 和程 度 有关 。 （ ３ ）扩 散磨损 。扩 散磨损 是 由于切 削 区域 为高 温 高压 状 态 ， 刀 具与 工件接 触面 间的分子能 量大 ， 会 出现 合金 元 素相互 扩散 置换 ， 这 就 使得 刀 具 表 面 的性 能 发 生 变化 ， 加速 刀具 的磨损 。 （ ４ ）化学 磨 损 ： 化学 磨 损 是刀 具 材 料 中的某 些 元 素与 空气 、 工件 材料 或切 削液 中 的一 些元 素 产 生化 学 反应 ， 形成 化合 物被 切 屑带 走 ， 使 刀具 表 面 硬度 降低 ， 加速刀 具 的磨损 。
０ 引 言
立式 送 料剪切 机 是 核燃 料后 处理 中的 核 心设 备 ， 其作 用是 将 核燃料 组件 剪切成 一定长 度 的小段 以便 于 下 一步 的溶 解 ， 是“ 切 断一 浸 取 法 ” 工 艺的关键步骤 。 立式 送料 剪 切机 由装 料 井 、 送料系统、 剪 切 系统 、 液 压 系 统和气 路 系统 等组成 。
剪切 机 刀具 失效 分 析研 究米
王 昆 ， 邹 树 梁 ， 唐 德 文
（ １ ． 南 华 大 学 机 械 工程 学院 ，湖 南 街 阳 ４ ２ １ ０ ０ １ ；２ ． 南 华 大 学 核 能 经 济 与 管 理 研 究 中心 ，湖 南 衡 阳 ４ ２ １ ０ ０ １ ）
摘 要 ： 剪切 机 是核 燃 料 处 理 工 程 的关 键 设 备 ， 其 剪 切 刀 具 用 于 剪 切 复 合 材 料 组 件 ， 剪切 刀具 的工 况 直接 影 响
洼； 后 刀 面磨损 是 由于 被切 削 的工 件 发 生 弹性 变形 从 而摩 擦 刀具后 刀 面造 成 的 。实际 上 ， 无论 工 件 的 材料 性能 如何 ， 刀具 的前 、 后刀 面上都会 有磨损 。
表 １ 不 同 刀具 材 料 的 主 要 失效 形 式
刀 具 材 料 碳 素 工 具 钢 合 金 工 具钢 钨 系 高 速 钢 Ｐ类 硬 质 合 金 陶 瓷 金 刚 石 立 方 氮 化硼 主 要失 效 形 式 热 变形 热 变形 热 变形 弯 曲 变形 、 脆 断 弯 曲变 形 、 脆 断 热变形、 弯 曲变 形 、 脆 断 脆 断
整个 剪切 工 作 的 效 率 。 由于 实 际 生 产 过 程 中刀 具 的 磨 损 非 常 严 重 ．导 致 刀 具 过 早 失 效 。 通过 分 析 在 实 际 生 产 过 程 中刀 具 出现 的 主 要 失效 形 式— — 磨 损 ，从 而 为 提 高 刀 具 使 用 寿 命 提 供 一定 的理 论 依 据 。 关键 词 ：剪 切 机 ； 刀具 失效 ；刀 具 磨 损 中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｇ３ ３ ３ ． ２ ｌ 文 献标 识 码 ：Ａ
第３ 期（ 总第 １ ７ ８期 ）
２ ０ １ ３年 ６月
机 械 工 程 与 自 动 化 ＭＥ ＣＨ ＡＮＩ ＣＡＬ Ｅ ＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴ（ ） Ｍ ＡＴＩ （ ） Ｎ
Ｎｏ． ３
Ｊ ｔ ｉ ｎ ．
文章编 号 ： １ ６ ７ ２ — ６ ４ １ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ — ０ １ １ １ ～ ０ ２
剪 切机 工作 时 ， 由压紧装 置 中的主 、 副压 紧机构将 组 件压 紧 ， 使 得组 件 中的各燃 料棒 间的空 间被压 实 ， 然 后 刀具 以一定 的速 度 剪切 伸 出压 紧部 分 的组 件 ， 被 剪 下 的小段 则掉 人接 收漏 斗 中。剪切刀 具是 剪切 系统 的
核 心部件 ， 起 着关 键作 用 。剪 切 刀 具 的使 用 情 况 及 寿 命 长短将 直 接影 响被 剪 下小 段 的 开 口率 ， 从 而 影 响 到 整 个系统 的工作效 率 ， 所 以有 必 要 对 刀具 工 作 状 况 以 及 失效原 因进行分 析 。 １ 刀具 失效 标准 的金属切削作业 是一种损耗过程 ， 其 会产 生明 显 的切 削力并产生 大量的热 。磨损 、 机 械力 以及过 多的 热量会 导致切 削刃 受到磨 蚀并 最终 造 成刀 具失 效 。刀 具很少 由于单独 的某 种机 理 而失效 ， 通 常情 况下 ， 是 多 种失效机 理 同时在 金属 切削 过程 中起 作用 。刀具 在 生 产使用过 程 中一般分 为正常失效和非正 常失效 ［ １ ］ 。 １ ． １ 刀 具 失 效 形 式 刀具 主要 有脆 断 、 磨损、 热 变形 等几 种 失 效形 式 ， 由 于刀具 材料 、 加工 条件 、 加工 环境和 加工 工艺 的不 同 会 产 生不 同 的刀具 失效 形式 ， 如表 １ 所示。
＊ ｝国防 基 础 科 研 基 金 资 助 项 目 （ ２ ０ １ １ ＧＨＮ ０ ２ 一Ｚ ０ ３ ） 收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ — １ １ — ２ ０ ｛修 回 日期 ：２ ０ １ ２ — １ ２ — ２ ３
刀具 磨损 的原 因一般 有 以下几 种 ： （ １ ）硬质 点磨 损 ， 又称为磨 料磨 损 。一 般说来 ， 工 件 材料 的硬度 远小 于 刀具 材 料 的硬 度 ， 但 是工 件 材 料 中一些 硬质点 和 积屑 瘤却 具 有很 高 的硬 度 ， 在 切 削 过 程 中这些 物质 会在 刀 具表 面 上 留下 沟槽 ， 从 而 使 刀 具 磨 损 。磨料磨 损一 般对 高速钢刀 具和硬 质合金 钢刀 具 的影 响 比较大 。 （ ２ ）粘 结磨 损 。在 压 力 和温 度 作 用 下 ， 切 屑 与 刀 具表 面 、 加工 表面 紧密接 触发生粘 结 ， 由于接触 面的 滑 动， 刀具 表面上 的 部分材 料就会被 切屑带 走 ， 形 成粘 结 磨损 。粘结磨 损 的程 度与 压 力 、 温度 以 及材 料 间 的 亲 和程 度 有关 。 （ ３ ）扩 散磨损 。扩 散磨损 是 由于切 削 区域 为高 温 高压 状 态 ， 刀 具与 工件接 触面 间的分子能 量大 ， 会 出现 合金 元 素相互 扩散 置换 ， 这 就 使得 刀 具 表 面 的性 能 发 生 变化 ， 加速 刀具 的磨损 。 （ ４ ）化学 磨 损 ： 化学 磨 损 是刀 具 材 料 中的某 些 元 素与 空气 、 工件 材料 或切 削液 中 的一 些元 素 产 生化 学 反应 ， 形成 化合 物被 切 屑带 走 ， 使 刀具 表 面 硬度 降低 ， 加速刀 具 的磨损 。
０ 引 言
立式 送 料剪切 机 是 核燃 料后 处理 中的 核 心设 备 ， 其作 用是 将 核燃料 组件 剪切成 一定长 度 的小段 以便 于 下 一步 的溶 解 ， 是“ 切 断一 浸 取 法 ” 工 艺的关键步骤 。 立式 送料 剪 切机 由装 料 井 、 送料系统、 剪 切 系统 、 液 压 系 统和气 路 系统 等组成 。