程巨強(qiáng)++汪學(xué)軍++沈勁松

摘 要：針對(duì)銑刨機(jī)刀具在實(shí)際施工中產(chǎn)生的刀具斷裂問題，通過觀察銑刨機(jī)刀具在使用過程中發(fā)生磨損和斷裂失效的形貌，測(cè)試實(shí)體取樣刀具的沖擊功、硬度、金相組織，分析其磨損和斷裂的原因，并提出提高耐磨性和防止斷裂的措施，為提高銑刨機(jī)刀具的使用壽命提供了理論依據(jù)

關(guān)鍵詞：銑刨機(jī)刀具；斷裂；硬度；措施

中圖分類號(hào)：U415.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Analysis and Prevention of Cutter Fracture of Milling Machine

CHENG Juqiang1， WANG Xuejun2， SHEN Jinsong2

（1. School of Materials Science and Chemical Engineering， Xian Technological University， Xian 710032， Shaanxi， China； 2. Hubei Milalion Metallurgical Machinery Technology Co. Ltd.， Huanggang， 438000， Hubei， China）

Abstract： Aimed at the cutter fracture problem of milling machine during the construction， the causes of abrasion and fracture were analyzed by observing the shapes and testing the impact work， stiffness and metallographic structure of the cutter. Measures were proposed in order to improve the abrasive resistance and prevent the fracture， and theoretic basis for durability improvement was put forward.

Key words： milling machine cutter； fracture； stiffness； measure

0 引 言

路面銑刨機(jī)是公路及城市道路養(yǎng)護(hù)施工的專用機(jī)械，由于該設(shè)備具有效率高、施工工藝簡(jiǎn)單、銑刨深度易于控制、操作靈活、機(jī)動(dòng)性能好、銑刨的舊料能直接回收利用等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于公路、道路、機(jī)場(chǎng)路面等瀝青混凝土層的開挖翻修等養(yǎng)護(hù)施工中[12]。銑刨機(jī)施工時(shí)機(jī)械或液壓傳動(dòng)帶動(dòng)銑鼓高速旋轉(zhuǎn)，通過安裝在銑鼓上的刀頭切削路面以達(dá)到銑刨的目的。銑刨機(jī)的刀頭在銑刨路面時(shí)會(huì)受到一定的沖擊和磨料磨損，因此它是銑刨機(jī)主要的耐磨件和損耗件。為了提高銑刨機(jī)刀頭的使用壽命，就要求其具有較高的強(qiáng)度、硬度、彎曲強(qiáng)度和耐磨性，以防止刀頭在使用過程產(chǎn)生早期斷裂、彎曲、變形和磨損失效。本文觀察了銑刨機(jī)刀頭工作時(shí)的失效形式，進(jìn)行了試驗(yàn)與分析后，提出提高刀頭耐磨性和防止斷裂的措施。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為商用銑刨機(jī)刀頭，刀頭材料為42CrMo。刀頭的沖擊試樣取自刀頭實(shí)體，試件的截取方法參考采掘機(jī)用截齒行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的取樣要求，將試件加工成10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)U形缺口，缺口深度2 mm。沖擊試驗(yàn)在HR150型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，用洛氏硬度儀測(cè)定刨路機(jī)刀頭的硬度。金相組織觀察采用NIKON EPIHOT300型金相顯微鏡，組織腐蝕液采用4%的硝酸酒精溶液。

圖1 銑刨機(jī)刀頭斷裂及其磨損形貌

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 銑刨機(jī)刀頭的失效形式

圖1是銑刨機(jī)路面施工時(shí)刀頭磨損及其斷裂的形貌照片。從圖中可以看出，銑刀體的失效形式主要為磨損和斷裂。磨損主要包括刀頭頭部的硬質(zhì)合金磨損和包覆硬質(zhì)合金部分的刀頭褲體磨損。從圖1（a）可以看出，在使用過程中刀體材料的磨損較為嚴(yán)重，由于包覆硬質(zhì)合金褲體部分的磨損，使硬質(zhì)合金的刀頭完全外露，甚至硬質(zhì)合金脫落。在實(shí)際工作時(shí)，刨路齒的磨損為刀頭主要的失效形式，除此之外還有銑刨刀體和齒體的斷裂，雖然刀體斷裂所占比例較小，但也會(huì)經(jīng)常發(fā)生。圖1（b）是銑刨刀頭斷裂的照片，從圖可以看出刨路齒的斷裂部位主要在卡環(huán)與耐磨刀體連接及裝配耐磨墊的過渡處，也有部分刀頭斷裂發(fā)生在尾部卡槽的圓角過渡處。圖1（c）是銑刨機(jī)刀頭頭部和柄部的過渡處產(chǎn)生的斷裂斷口，從圖中可以看出，其斷裂形貌具有典型的疲勞斷口特征。疲勞裂紋產(chǎn)生在刀柄的表面，表面裂紋形成后，裂紋以放射狀向內(nèi)部擴(kuò)展，最后發(fā)生斷裂。刨路齒的斷裂位置，基本上在裝配卡環(huán)與刀體臺(tái)階處（見圖1（d）），該位置為柄部與頭部的過渡處，正好擋住卡環(huán)。而從施工現(xiàn)場(chǎng)失效的銑刨機(jī)齒斷裂的位置看出，大部分的斷裂位置在柄部與頭部的過渡處和柄部尾部卡槽的圓角過渡處，這些臺(tái)階會(huì)形成應(yīng)力集中，再加之圓角半徑設(shè)置不當(dāng)或機(jī)械加工的表面質(zhì)量不好時(shí)，銑刨機(jī)刀頭在施工過程中的應(yīng)力集中容易使該處產(chǎn)生表面裂紋，最后發(fā)生斷裂。

2.2 銑刨機(jī)刀頭組織和力學(xué)性能分析

對(duì)新生產(chǎn)的一批銑刨機(jī)刀頭進(jìn)行隨機(jī)實(shí)體取樣，加工成標(biāo)準(zhǔn)缺口沖擊試樣，再進(jìn)行沖擊值測(cè)定及其硬度檢測(cè)。結(jié)果為：實(shí)體取樣的沖擊值為189 J·cm-2，硬度為HRC53～54。從測(cè)試結(jié)果可以看出，銑刨機(jī)刀頭的沖擊值偏低，低于采掘機(jī)用截齒行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（MT/T 246—2006）規(guī)定的齒體沖擊值≥49 J·cm-2的要求，而硬度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)齒柄部分硬度的要求（HRC38～42）。齒體材料的沖擊韌性低，硬度偏高，銑刨機(jī)刀頭在使用過程雖然耐磨，但由于脆性較大，容易發(fā)生刀頭的斷裂。因此針對(duì)硬度偏高而沖擊值偏低的問題，測(cè)試并改進(jìn)熱處理工藝，調(diào)整淬火后的回火溫度，由以前的400 ℃，增加到450 ℃，再測(cè)試刀體，得到結(jié)果為：沖擊功75 J·cm-2，硬度為HRC46～47，沖擊值超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度也高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。endprint

圖2是銑刨機(jī)刀頭實(shí)體取樣沖試試樣的低倍夾雜物和組織形貌。從圖2可以看出，沖擊功為18.9 J·cm-2的銑刀實(shí)體的取樣試樣拋光后不腐蝕的低倍形貌上存在較多的夾雜物（圖2（a）），且試樣上的夾雜物形貌具有一定的幾何形狀和群聚分布的特點(diǎn)。分析認(rèn)為，夾雜物主要為FeO·Cr2O3等金屬氧化物。沖擊功為75 J·cm-2的銑刀實(shí)體取樣試樣拋光后，不腐蝕的低倍形貌同樣存在較多的夾雜物（見圖2（c）），根據(jù)夾雜物在拋光面存在拖尾的特點(diǎn)，可知夾雜物應(yīng)為Al2O3[3]。試樣拋光面用4%的硝酸酒精腐蝕，發(fā)現(xiàn)氧化物夾雜依然存在。

圖2 刨路機(jī)刀頭實(shí)體取樣的夾雜物和金相組織形貌

沖擊功為18.9 J·cm-2的試樣，淬火后回火溫度為400 ℃，由于回火溫度較低，其試樣的金相組織應(yīng)為回火屈氏體，其組織形貌為鐵素體和彌散分布的細(xì)小的碳化物，板條束較細(xì)。在該溫度回火，鐵素體還未發(fā)生再結(jié)晶，組織仍保持著板條馬氏體的形狀（見圖2（b））。沖擊功為75 J·cm-2的試樣，淬火后的回火溫度為450 ℃，回火溫度較高，金相組織為回火索氏體組織，即為粒狀碳化物和鐵素體組織（見圖2（d）），和典型調(diào)質(zhì)鋼的回火溫度相比，該試樣的回火溫度偏低，形成索氏體組織碳化物比較細(xì)小。

從上述沖擊數(shù)據(jù)和金相組織可以看出，通過調(diào)整刀具釬焊后熱處理的回火溫度，雖然可以提高刀具的沖擊值，但材料中存在較多夾雜物，也會(huì)損害刀具的韌性，容易使銑刀發(fā)生斷裂。

2.3 銑刨機(jī)刀頭失效原因分析

從上述銑刨機(jī)刀頭的斷裂和磨損失效形貌來(lái)看，刀頭磨損屬于施工過程刀具的正常磨損現(xiàn)象。而要防止刀具過早的磨損失效，最有效的方法是提高刀具工作部分的硬度。因此，實(shí)際生產(chǎn)中銑刨機(jī)的刀頭及掘進(jìn)機(jī)截齒類構(gòu)件的頭部都要釬焊或鑲嵌硬質(zhì)合金，以提高刀頭工作部分的硬度和耐磨性。但在實(shí)際工作中，包覆硬質(zhì)合金部分的刀體先期產(chǎn)生的磨損，往往容易使刀體包覆硬質(zhì)合金部分的強(qiáng)度降低，造成硬質(zhì)合金脫落，使刀具失效。在實(shí)際生產(chǎn)中為防止這種情況出現(xiàn)，可增加包覆硬質(zhì)合金部分的刀體的表面硬度。增加包覆硬質(zhì)合金刀體表面硬度的常用方法主要有局部感應(yīng)淬火或在其表面堆焊或熱噴涂硬質(zhì)合金[4]。

結(jié)合銑刨機(jī)刀頭金屬組織觀察結(jié)論、力學(xué)性能測(cè)試及刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后得出產(chǎn)生刀具斷裂的原因主要有三個(gè)方面：一是刀頭材料中夾雜物過多造成材料的脆性增加，產(chǎn)生早起斷裂；二是刀頭生產(chǎn)過程中熱處理工藝不當(dāng)，造成齒體本身硬度偏高，材料的韌性降低，產(chǎn)生斷裂；三是斷裂刀頭位置一般在刀具截面的過渡處，由于結(jié)構(gòu)的原因，該處過渡圓角設(shè)計(jì)過小，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋而發(fā)生斷裂。

根據(jù)材料質(zhì)量防止刀體斷裂的方法主要如下。

（1） 提高材料質(zhì)量。應(yīng)加強(qiáng)刀具用鋼的質(zhì)量，提高鋼的純凈度，減少鋼中夾雜物的含量，這對(duì)提高材料的韌性尤為重要。

（2） 改進(jìn)熱處理工藝。在滿足性能要求的前提下，盡可能提高齒體的沖擊韌性，如在銑刨機(jī)刀體毛坯模鍛過程應(yīng)嚴(yán)格控制鍛造溫度，防止模鍛毛坯因終鍛溫度過高而產(chǎn)生組織粗大；感應(yīng)加熱釬焊硬質(zhì)合金時(shí)同樣要嚴(yán)格控制加熱溫度，避免齒體組織粗大；熱處理淬火后要根據(jù)刀體硬度要求選擇合適的回火溫度。

（3） 改進(jìn)刀體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。刀體過渡區(qū)圓角半徑要適當(dāng)增加，減小應(yīng)力集中程度，同時(shí)在機(jī)械加工時(shí)盡可能提高產(chǎn)品過渡區(qū)和刀體表面的光潔度等級(jí)，減少疲勞裂紋源產(chǎn)生。

（4） 提高力學(xué)性能檢測(cè)要求。銑刨機(jī)刀體的檢驗(yàn)可參考國(guó)家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如采掘機(jī)用截齒MT/T 246-2006）的規(guī)定，即齒體表面硬度和齒體的沖擊韌性值應(yīng)滿足：齒頭部分硬度HRC不小于40，齒柄部分硬度在HRC38～42之間，必要時(shí)在包覆硬質(zhì)合金刀體表面堆焊硬質(zhì)合金，齒體的沖擊韌性值不小于49 J·cm-2。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1） 銑刨機(jī)刀頭斷裂，大部分是由于生產(chǎn)刀具的熱處理工藝制定不當(dāng)，造成實(shí)體刀體的硬度偏高，沖擊韌性偏低。同時(shí)，選用的刀具材料的低倍組織中金屬氧化物夾雜物過多導(dǎo)致沖擊韌性偏低，也是原因之一。

（2） 要改善銑刨機(jī)刀頭耐磨性，應(yīng)從制定合適的熱處理工藝，或者刀頭包覆硬質(zhì)合金的部分堆焊或熱噴涂硬質(zhì)合金考慮。防止刀具早期斷裂應(yīng)從提高鋼的冶金質(zhì)量，減少夾雜物的含量，選擇合適的熱處理工藝，適當(dāng)增加刀具過渡部分圓角半徑及改善機(jī)加工表面質(zhì)量等方面考慮。

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]endprint