路面銑刨刀具的結(jié)構(gòu)與工藝分析

畢鳳陽，郝晨生，齊曉杰，宮 瑩，劉文劍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，150001哈爾濱，bfy952421@163.com;2.黑龍江工程學(xué)院機電工程學(xué)院，150050哈爾濱)

隨著我國大規(guī)模公路建設(shè)及城市道路養(yǎng)護(hù)作業(yè)的迅速發(fā)展，國內(nèi)對路面銑刨機的使用和需求量正急劇上升.目前主要引進(jìn)一些國外先進(jìn)的大型路面銑刨機，如德國維特根公司生產(chǎn)的2000DC、W1900、W2000等，瑞典戴納派公司生產(chǎn)的PL2000S和意大利瑪連尼公司生產(chǎn)的SF200L等.同時國內(nèi)也開始批量制造，主要生產(chǎn)企業(yè)和產(chǎn)品型號如陜建股份公司生產(chǎn)的CM2000、西安宏大股份公司生產(chǎn)的CM1900、徐州工程機械公司生產(chǎn)的RH210和沈陽北方交通公司生產(chǎn)的KFX2200[1].根據(jù)不完全統(tǒng)計，近年來國內(nèi)對這些大型路面銑刨機的年需求已超過300臺.隨著進(jìn)口設(shè)備的大量增加，以及國產(chǎn)路面銑刨機的批量生產(chǎn)，這種設(shè)備的社會保有量已超過千臺，它的關(guān)鍵消耗性配件——銑刨刀具的需求量也隨之急劇上升.由于銑刨刀具的進(jìn)口價格十分昂貴，國內(nèi)一些廠家正在試制一些相關(guān)產(chǎn)品，作為工程急需以及進(jìn)口產(chǎn)品的替代品，以降低路面維修成本和提高設(shè)備的利用率.然而，由于缺乏對這種刀具生產(chǎn)技術(shù)的系統(tǒng)研究，國產(chǎn)刀具質(zhì)量還不穩(wěn)定，在實際使用中主要存在的問題是硬質(zhì)合金刀頭經(jīng)常非正常脫落，造成刀具的早期失效，嚴(yán)重阻礙了銑刨機刀具國產(chǎn)化的進(jìn)程.

為了提高國產(chǎn)路面銑刨機刀具的質(zhì)量，本文對幾種國外銑刨機刀具和部分國產(chǎn)刀具進(jìn)行了實物解剖，對比分析了刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計、選材與制造工藝，在此基礎(chǔ)上提出了幾種可行的技術(shù)改進(jìn)措施.

1 實驗

從6個不同廠家生產(chǎn)的路面銑刨刀具實物中隨機抽取試樣，分別編號為1#～6#，其中1#、2#、3#、4#為進(jìn)口刀具，5#、6#為國產(chǎn)刀具，除 2#樣品為已使用過的刀具外，其他樣品均為未使用的新刀具.所有樣品均采用線切割沿中心線做縱向剖開，切割過程中保持充分冷卻防止組織變化.樣品剖開后，先用不同標(biāo)號的金相砂紙逐號對表面進(jìn)行機械磨平，再用金剛石研磨膏(0.5 μm)對樣品表面進(jìn)行金相拋光，在低倍金相顯微鏡下觀察無任何劃痕后，用水和乙醇充分清洗，冷風(fēng)吹干后，表面用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%硝酸酒精進(jìn)行腐刻，最后用水徹底沖洗表面，并用無水乙醇脫水后，吹干備用.分別在掃描電子顯微鏡下觀察樣品剖面，包括硬質(zhì)合金刀頭、鋼制刀體以及釬焊縫等區(qū)域的各種微觀組織，并用掃描電鏡中附帶的能譜儀檢測釬焊縫合金的化學(xué)成份，最后用洛氏硬度計測量樣品鋼制刀體各部分的實際硬度值.

2 結(jié)果與討論

2.1 刀頭部分結(jié)構(gòu)形式對比

6種實物刀具刀頭樣品的縱向剖面照片見圖1，很明顯，盡管4種進(jìn)口產(chǎn)品的刀頭結(jié)構(gòu)并不相同，但除4#樣品外，它們的焊縫設(shè)計均十分相似，即以硬質(zhì)合金刀頭的底部焊接為主，輔之以很淺的(約2 mm)側(cè)面連接，3種樣品的焊縫質(zhì)量均很好，未見有肉眼可見缺陷.從3種硬質(zhì)合金刀頭外型來看，2#刀頭相對較短且粗，適用于切削負(fù)載較大的情況，3#樣品硬質(zhì)合金刀頭細(xì)而長，這種刀頭比較鋒利，適用于切削負(fù)載較小，切削速度較大的場合;1#樣品的刀頭設(shè)計居于兩者之間.從已使用過的2#樣品剖面來看，由于鋼的硬度遠(yuǎn)低于硬質(zhì)合金刀頭，故在實際路面銑刨時，原有刀頭兩側(cè)的鋼制刀體側(cè)壁很快被磨損消耗，刀具工作時抵抗磨損主要由硬質(zhì)合金刀頭承擔(dān)，石英等路面材料中的硬質(zhì)組成物在鋼制刀體和硬質(zhì)合金刀頭的結(jié)合界面處劃出明顯的溝槽.這時硬質(zhì)合金刀頭與鋼制刀體的連接主要由底部的焊縫承擔(dān)，這要求焊縫的連接強度較高，焊縫的寬度也控制在0.10～0.15 mm合適的釬焊縫隙尺寸范圍.即這種焊接接頭設(shè)計，對釬焊技術(shù)要求較高，否則，刀頭易于早期整體脫落，而非正常磨損失效.4#樣品的焊接結(jié)構(gòu)是一種獨特的設(shè)計，由于路面銑削刀具的受力狀態(tài)十分復(fù)雜，刀頭同時承受包括沖擊、擠壓和彎曲等多種復(fù)雜的載荷形式，刀具內(nèi)部形成復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài).由于路面砂石的強烈磨擦和刮削，刀頭的外緣部分最易于磨損，為了改進(jìn)1#、2#、3#樣品的鋼制刀體先行磨損，使硬質(zhì)合金刀頭完全暴露的缺點，4#樣品的刀頭設(shè)計成平底V型槽，這種設(shè)計的主要優(yōu)點是:1)增大底部實際釬焊面積，提高連接強度;2)刀頭的外緣直接用硬質(zhì)合金替代不耐磨的鋼制刀體，因而可大大提高刀具的抗磨損性能.這種焊接結(jié)構(gòu)的主要缺點是硬質(zhì)合金刀頭要特別加工，并且對尺寸精度要求較高，同時刀具鋼制刀體頂部的平底V型槽加工精度也必須較高，否則有可能出現(xiàn)底部虛焊而造成連接不良的情況.

圖1 6種路面銑刨刀具頭實物解剖結(jié)構(gòu)

與國外刀具相比，兩種國產(chǎn)刀具的焊接結(jié)構(gòu)完全不同.其中5#樣品為采用長圓柱硬質(zhì)合金刀頭，釬焊在鋼制刀體的深圓柱孔中，硬質(zhì)合金刀頭的連接主要靠厚度為2 mm左右的鋼制刀體側(cè)壁.在路面銑刨過程中，工作條件極為惡劣，路面砂石會強力刮削刀體側(cè)壁，當(dāng)鋼制刀體側(cè)壁被磨損消耗到較薄時，就缺乏足夠的強度連接來支撐硬質(zhì)合金刀頭，將直接導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀頭從刀體中脫落失效.因此，這種結(jié)構(gòu)刀具的使用壽命將主要取決于鋼制刀體本身的硬度和耐磨性.6#樣品是一種改進(jìn)型的刀頭焊接結(jié)構(gòu)，鋼制刀體上加工一種U型凹槽與硬質(zhì)合金刀頭連接，與進(jìn)口產(chǎn)品4#樣品近似，采用硬質(zhì)合金外緣抵抗路面銑刨過程中劇烈的邊緣磨損.6#樣品的主要缺陷是鋼制刀體的U型凹槽加工尺寸過大，而釬焊時填裝釬料過少，使釬料聚集在U型槽底部，而兩側(cè)根本無釬料，形成0.5 mm以上的空隙帶，相當(dāng)于未焊透.硬質(zhì)合金刀頭與鋼制刀體的連接主要靠U型槽頂部1 mm左右寬的釬焊縫，連接強度大大降低，在路面銑刨過程中大的沖擊載荷下硬質(zhì)合金刀頭易于整體脫落.改進(jìn)這種刀具結(jié)構(gòu)，提高刀具壽命的主要方法之一是提高鋼制刀體U型焊槽的加工精度，使之深度和直徑都控制在許可的范圍(一般0.1～0.2 mm).通過釬料的鋪展和流動，充分充填其預(yù)制間隙，才能獲得牢固的焊接接頭[2－3].

對比分析國內(nèi)外刀具結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)刀具使用壽命較低的主要原因之一，是刀具的刀頭與刀體焊接結(jié)構(gòu)形式設(shè)計不合理，通過改進(jìn)刀頭形狀并提高刀體焊縫連接處加工精度，就有可能大幅度改善國產(chǎn)刀具的產(chǎn)品質(zhì)量，延長刀具的使用壽命.

2.2 硬質(zhì)合金刀頭差異

國內(nèi)產(chǎn)品和進(jìn)口產(chǎn)品比較，刀具硬質(zhì)合金刀頭的質(zhì)量有顯著的差別.

圖2(a)為2#樣品硬質(zhì)合金刀頭的金相照片，致密度高，晶粒均勻度較好，有細(xì)小的發(fā)紋.2#樣品硬質(zhì)合金的電子探針化學(xué)成分分析結(jié)果(輕元素 C等不能分析):wW=91.82%，wCo=8.18%，成分與國標(biāo)牌號YG8相近.

圖2(b)為5#樣品硬質(zhì)合金刀頭的金相照片，晶粒均勻度較差，顆粒間十分疏松且有較多空隙.5#樣品硬質(zhì)合金的電子探針化學(xué)成分分析(輕元素C等不能分析):wW=95.11%，wCo=4.89%，相當(dāng)于國標(biāo)牌號YG3.對比兩種刀頭材料，Co元素在硬質(zhì)合金中主要起粘接硬質(zhì)相的作用，較多的Co含量有利于提高刀頭韌性，因此選用YG8具有相應(yīng)的合理性[4－5].國內(nèi)材質(zhì)明顯在粒度、致密度等方面不如國外產(chǎn)品，這也解釋了為什么國產(chǎn)刀具刀頭更容易折斷.

圖2 2#和5#樣品硬質(zhì)合金刀頭的金相照片

2.3 釬焊料

對部分試樣釬焊焊縫的電子探針化學(xué)成分分析結(jié)果見表1.參照GB/T6418—2008銅基釬料國家標(biāo)準(zhǔn)成分對比，國外4#刀具所用釬料沒有國標(biāo)牌號與其成分相近，國內(nèi)5#刀具釬料應(yīng)為H62黃銅，國產(chǎn)6#刀具釬料成分未查到成分符合的國標(biāo)牌號，應(yīng)為借鑒國外釬料成分自制的釬料，含有較多的Ni和Mn，在一定程度上能夠提高釬料抗剪切強度，但需要更高的加熱溫度(應(yīng)在900℃以上)[6－7].圖 3(a)所示為 4#樣品釬焊縫的掃描電鏡背散射電子像，單相組織均勻;圖3(b)所示為6#樣品釬焊縫的掃描電鏡背散射電子像，呈多相組織且不均勻，有孔洞.對比兩種刀具釬焊焊縫，國內(nèi)產(chǎn)品明顯在致密度上不如國外產(chǎn)品，反映我國生產(chǎn)企業(yè)在釬焊材料使用及焊接過程質(zhì)量控制方面與國外產(chǎn)品還有一定差距[8－9].

表1 三種釬焊料的電子探針化學(xué)成分分析結(jié)果%

圖3 4#和6#樣品釬焊縫的掃描電鏡背散射電子像

2.4 鋼制刀體的顯微組織

對部分刀具刀體材料進(jìn)行能譜分析結(jié)果如表2所示.2#刀具刀體材料用的是德國DIN標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的鋼材4OCrMnMo7，成分與國標(biāo)牌號5CrMnMo相近，國內(nèi)6#刀具所用材料是國標(biāo)鋼材4OCr.4OCr是一種低淬透性的合金調(diào)質(zhì)鋼，碳含量僅為0.40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，主要合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)也在2.0%以下，工藝性能良好，綜合力學(xué)性能較好，一般適于制作軸類、連桿、螺栓等機械零件.但其本不很高的淬火硬度值在高溫回火后急劇下降，僅為210 HBS左右，不可能具有路面銑削刀具所要求的耐磨性.其根本原因在于該材料的成分組成上，平均含碳量較低且不含強碳化物和中碳化物形成的合金元素，因此并不是一種理想的路面銑削刀具刀體制作材料.相比之下，國外刀具選用40CrMnMo7作為刀體材料更具合理性，該材料是一種熱作模具鋼，平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～0.6%，合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)3%左右.其中Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.20% ～1.60%，Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60% ～0.90%，Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15% ～0.35%，較高的含Cr量保證其較好的淬透性，一定的含碳量和含錳量保證其較高硬度，中碳化物形成元素Mo的存在保證了一定數(shù)量合金碳化物的形成，因此在相應(yīng)的熱處理工藝的支持下，可滿足刀體高硬度和耐磨性的要求，以及可承受較高的擠壓力、彎曲力和沖擊力等載荷[10].各刀頭金相結(jié)果如圖4所示，刀體各部分硬度見表3，從刀體組織來看國外產(chǎn)品(1#～4#)熱處理組織均勻，均為回火馬氏體，熱處理后洛氏硬度在37～51 HRC，保證了刀體有較高的強韌性，有利于抵抗磨損防止刀具過早失效.而國內(nèi)產(chǎn)品(5#和6#)熱處理后組織以鐵素體加珠光體為主，洛氏硬度30 HRC左右，且越靠近釬焊焊縫硬度越低，應(yīng)該是受釬焊加熱影響產(chǎn)生了部分退火所致，較低的整體硬度且越靠近刀頭硬度越低，這都使國產(chǎn)刀具整體的強韌性較差[11].

表2 3種鋼制刀體成分(激光能譜儀分析結(jié)果)%

表3 6種刀具鋼制刀體的洛氏硬度 HRC

圖4 1#～6#樣品刀體顯微組織掃描電鏡背散射電子像

3 結(jié)論

1)刀體的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計十分重要，平底V型槽式可以增大焊縫面積，形狀比較合理，同時合金鋼刀體與硬質(zhì)合金刀頭的配合間隙對保證牢固的焊接也很關(guān)鍵.

2)硬質(zhì)合金刀頭應(yīng)選用韌性好、抗沖擊較好的品種，含Co量不宜低于8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，熱壓燒結(jié)制品較好.

3)刀體材料應(yīng)選擇易于處理獲得回火馬氏體組織且具有較高抗回火溫度的合金鋼種;

4)建議采用高頻感應(yīng)加熱釬焊，有利于提高加熱和冷卻速度，減小退火軟化區(qū)，使刀體保持足夠的強韌性.

5)釬料應(yīng)選用含有一定量Ni、Cr的熔點適中、流動性較好和室溫塑性良好的釬料，以保證刀頭刀體的連接強度.

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