【推薦】復(fù)合式刀盤刀具磨損的分析2

1、第一章 盾 構(gòu) 機(jī) 刀 具 磨 損 地 分 析1第二章 常見(jiàn)切削刀具材料的磨損現(xiàn)象及原因分析8第三章 盾構(gòu)刀具磨損14第四章 刀具使用維護(hù)及更換17第五章 盾構(gòu)機(jī)刀具刀盤配置對(duì)扭矩、刀頭磨損及掘進(jìn)速度的影響21第一章 盾 構(gòu) 機(jī) 刀 具 磨 損 地 分 析概述：土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的刀盤根據(jù)地質(zhì)條件的不同一般分軟土和硬巖兩種刀盤布置形式,軟土區(qū)刀盤的布置形式是以齒刀為主輔以邊緣滾刀和刮刀，硬巖刀盤的布置形式是以滾刀為主輔以刮刀。刀具是盾構(gòu)機(jī)的一個(gè)非常重要的組成部分，對(duì)刀具地合理選擇、使用 、維護(hù)和更換，直接決定盾構(gòu)掘進(jìn)工程的質(zhì)量、進(jìn)度和工程成本。所以對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具磨損情況地分析尤為必要。刀具的結(jié)構(gòu)和切

2、削機(jī)理：21刮刀刮刀用來(lái)切削各種砂土、粘土等較松散的地層及全風(fēng)化巖層等其它未固結(jié)的土體，刮刀上裝有碳化鎢刀刃，目的是為了更好的防止掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的磨損。22齒刀用來(lái)先行松散各種砂礫層、粘土層及全風(fēng)化層，使其固結(jié)性能變差，然后由刮刀將其刮掉。23滾刀滾刀在推力的作用下貫入巖層，同時(shí)在開(kāi)挖面巖石阻力的作用下隨刀盤做同心圓滾動(dòng)，巖石被擠壓，形成擠壓切槽，并在小半徑范圍內(nèi)將擠壓裂紋延伸到周圍的巖石，最終在刀盤推力作用下擠壓切槽兩邊的巖石呈片狀破碎。滾刀于對(duì)各種強(qiáng)、中、微風(fēng)化巖進(jìn)行擠壓破碎，滾刀安裝在刀盤的刀座上，這些刀座也可以安裝焊接在特殊支架上的齒刀。滾刀設(shè)計(jì)最大破巖能力為80mpa，廣州地鐵三號(hào)線

3、客大區(qū)間巖石的最大單軸抗壓強(qiáng)度為62.3mpa。24邊緣刮刀用來(lái)校準(zhǔn)盾構(gòu)的開(kāi)挖直徑。25超挖刀用于盾構(gòu)曲線施工時(shí)的超挖及盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整，由液壓油缸操縱伸縮，其行程為0100mm(各級(jí)分別為626062806300632063406360)。不同地質(zhì)條件刀具的選擇：31刀盤布局盾構(gòu)機(jī)刀盤分為三個(gè)區(qū)域：中心區(qū)、正面區(qū)和邊緣區(qū)。311中心區(qū)該區(qū)是刀盤布局的關(guān)鍵，既要考慮對(duì)砂土、粘土和較為破碎巖層的開(kāi)挖和出土的適應(yīng)性，又要兼顧到整個(gè)區(qū)間圍巖的強(qiáng)度，因此該區(qū)采用齒刀和滾刀可以互換的方案，刀座設(shè)計(jì)成既可以安裝齒刀，又可以安裝滾刀，而且設(shè)計(jì)成背裝式，即可以在刀盤后面對(duì)刀具進(jìn)行更換。該區(qū)布置有6把雙刃滾刀（或

4、6把雙刃齒刀），硬巖用滾刀，軟土用齒刀。6把雙刃滾刀的刀間距為180mm.。312正面區(qū)該區(qū)采用刮刀與雙刃滾刀（或單刃齒刀）組合的布局方式，共設(shè)64把刮刀和8把雙刃滾刀（或單刃齒刀），刮刀在刀盤的四個(gè)方向分兩列布置，其寬度使得每把刀的切割軌跡有所重疊，可使開(kāi)挖土體清除干凈。滾刀安裝高度超刮刀高度35mm，雙刃滾刀和單刃齒刀可以互換，硬巖用滾刀，軟土用齒刀。313邊緣區(qū)該區(qū)設(shè)置了5把雙刃滾刀、8把邊緣刮刀和1把超挖刀。雙刃滾刀用于對(duì)該區(qū)圍巖的破壞，邊緣刮刀用來(lái)校準(zhǔn)洞徑的尺寸，超挖刀則是用于盾構(gòu)曲線施工和盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整。在開(kāi)挖時(shí)，刀盤邊緣的線速度較高，磨損快，故而配置了8把邊緣刮刀、5把雙刃滾刀，且

5、滾刀也因?yàn)榈侗P在旋轉(zhuǎn)時(shí)相對(duì)于中心區(qū)和正面區(qū)而言，滾動(dòng)范圍大，因而刀具布置較密，刀間距較中心區(qū)刀間距小，刀間距為100mm。該5把滾刀一般不因地質(zhì)情況的變化而更換，硬巖和軟土都采用。32軟土區(qū)刀具布置刮刀64把、雙刃齒刀6把、單刃齒刀8把、雙刃滾刀5把、邊緣刮刀8把和超挖刀1把。33硬巖區(qū)刀具布置刮刀64把、雙刃滾刀19把、邊緣刮刀8把和超挖刀1把。雙刃滾刀刀具的磨損及原因：41正常磨損 刀具的正常磨損是指刀圈的磨損量超過(guò)了規(guī)定值，磨損量可用專用的量具進(jìn)行測(cè)量。2刀圈偏磨如果滾刀在掘進(jìn)工作面不轉(zhuǎn)動(dòng)，由于刀圈和掘進(jìn)工作面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就會(huì)形成刀圈的偏磨。由于中心區(qū)滾刀線速度較小，承受載荷較大，中心區(qū)滾

6、刀容易出現(xiàn)此現(xiàn)象。3刀圈斷裂推力過(guò)大或刀圈在比較硬的巖石上滾動(dòng)就有可能使刀圈斷裂，若一個(gè)刀圈有兩處斷裂，斷裂的部分刀圈就有可能掉到土艙。邊緣滾刀和正面區(qū)滾刀經(jīng)常有此現(xiàn)象。44表面缺陷如果有金屬或其它堅(jiān)硬物損壞了刀圈的局部表面，刀圈局部表面就會(huì)形成表面缺陷。5環(huán)幅式磨損如果刀圈的工作面和掘進(jìn)工作面充分接觸摩擦，就會(huì)形成環(huán)幅式磨損。46刀圈擋圈磨損或脫落擋圈是由兩個(gè)半圓的鋼環(huán)安裝在滾刀軸的卡槽里焊接成一個(gè)完整的圓環(huán)，其作用是防止刀圈從滾刀軸上脫落，一旦刀圈擋圈脫落或焊接處磨損嚴(yán)重，就應(yīng)該更換刀具。47滾刀漏油由于密封件的損壞，就可能使密封油泄漏，從而導(dǎo)致油封座和輪轂的損壞。48刀體損壞整個(gè)刀體包括

7、軸承及軸都已嚴(yán)重磨損，沒(méi)有可重新利用的部件。這是由于刀圈偏磨后沒(méi)有及時(shí)得到檢查更換所致。49輪轂?zāi)p刀盤和渣土不間斷的摩擦，使得滾刀輪轂也發(fā)生嚴(yán)重磨損410油封座損壞由于漏油使得油封座損壞411輪轂或油封座損壞刀圈如果在金屬物（掉了的刀圈或螺帽）上滾動(dòng)，輪轂或油封座有可能被卡住，就會(huì)妨礙刀圈繞著滾刀中心軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。412滾刀的多邊形磨損在掘進(jìn)時(shí)滾刀時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)不轉(zhuǎn)，或者在某個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)在其它點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間短，就會(huì)產(chǎn)生這樣的磨損。齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損及原因51齒刀磨損正常磨損：齒刀切削土層和砂礫層所形成的磨損。異常磨損：由于換刀不及時(shí)在硬巖區(qū)的磨損。52正面區(qū)刮刀磨損正常磨損：刮刀刮削土層

8、、砂礫層和被滾刀擠碎的巖層時(shí)所形成的磨損。異常磨損：由于滾刀刀圈掉落，在刀盤同一圓周上的刮刀就直接承受掘進(jìn)工作面的載荷，刮刀和掘進(jìn)工作面的相對(duì)摩擦，就導(dǎo)致刮刀嚴(yán)重偏磨。53邊緣區(qū)刮刀正常磨損： 刮削土層、砂礫層和邊緣滾刀擠壓后的巖層時(shí)所形成的磨損。異常磨損：由于邊緣滾刀刀圈掉落或者邊緣滾刀磨損量嚴(yán)重超限，邊緣滾刀開(kāi)挖掘進(jìn)工作面的徑向尺寸小于邊緣刮刀的徑向尺寸，邊緣刮刀被迫直接擠壓在掘進(jìn)工作面上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致刀具磨損。預(yù)防刀具異常磨損的措施61擇擇合理的掘進(jìn)參數(shù)掘進(jìn)參數(shù)包括掘進(jìn)推力、刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩、推進(jìn)速度、切削量等，影響刀具磨損的最直接參數(shù)是掘進(jìn)推力，推力的大小直接決定了刀具所承受的載荷。推力過(guò)大

9、，雖然短期內(nèi)掘進(jìn)速度很快，但長(zhǎng)時(shí)間刀盤刀具所承受的載荷也比較大，過(guò)大的載荷會(huì)使?jié)L刀軸承受擠壓產(chǎn)生變形，繼而影響滾刀的自轉(zhuǎn)最終造成滾刀刀圈的偏磨或斷裂。一般在巖石中風(fēng)化帶巖石微風(fēng)化帶地層最大的推力不要超過(guò)1000ton。刀盤轉(zhuǎn)速也是影響刀具磨損的另一個(gè)主要因素，過(guò)大的刀盤轉(zhuǎn)速在硬巖地層會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)振動(dòng)顛簸，加劇刀具的磨損。一般在硬巖地層刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為1。5rpm為合適值。62根據(jù)不同的地層選擇不同的刀具根據(jù)地質(zhì)資料和對(duì)出土情況的判斷來(lái)確定刀具的更換，特別是兩種地層的交界處。從巖石強(qiáng)風(fēng)化帶向巖石中風(fēng)化帶巖石微風(fēng)化帶地層轉(zhuǎn)換,如不能及時(shí)將齒刀更換為滾刀，就會(huì)很快加劇齒刀地磨損；從硬巖地層向軟土地層轉(zhuǎn)

10、換，如不及時(shí)將滾刀換回齒刀，也有可能出現(xiàn)滾刀偏磨的現(xiàn)象。63定期對(duì)刀具進(jìn)行檢查在硬巖區(qū)地層中，如果出現(xiàn)推力過(guò)大推進(jìn)速度小扭矩也偏小，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)糾正很難的現(xiàn)象時(shí)，就要考慮刀具是否磨損嚴(yán)重，安排開(kāi)艙檢查刀具。如果連續(xù)出現(xiàn)刀盤或螺旋輸送機(jī)被卡住、驅(qū)動(dòng)電機(jī)熄火的現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即停機(jī)進(jìn)行檢查。一般要在不超過(guò)二十環(huán)時(shí)對(duì)刀具進(jìn)行一次檢查，檢查看是否有刀圈磨損超限、刀圈斷裂、刀圈變形、固定刀圈的螺帽是否松動(dòng)或掉落、刀座是否有裂紋等，如果一旦發(fā)現(xiàn)應(yīng)立即采取補(bǔ)救措施。軟土區(qū)在掘進(jìn)100環(huán)時(shí)要對(duì)刀具進(jìn)行一次檢查。64盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)應(yīng)保持正常姿態(tài)在硬巖地層如果不斷的調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)就會(huì)使?jié)L刀受力不均勻，在某個(gè)方向上過(guò)大的推力

11、有可能導(dǎo)致滾刀變形。65在硬巖地層絕不可只片面追求進(jìn)度，應(yīng)該在保證刀盤和刀具不被嚴(yán)重磨損的前提下安排生產(chǎn)進(jìn)度，必要時(shí)應(yīng)該進(jìn)行限產(chǎn)。為了一時(shí)的進(jìn)度而忽視刀具的例行檢查是得不償失的。66更換刀圈后的刀具要進(jìn)行扭矩試驗(yàn)，根據(jù)不同的地質(zhì)條件和巖石強(qiáng)度進(jìn)行扭矩調(diào)整。67在硬巖地層注意觀察螺旋輸送機(jī)出渣情況，如果出渣不是均勻的碎片石，而是伴有大塊的石頭出現(xiàn)，就可能有滾刀刀圈掉落，要立即停機(jī)檢查。刀具磨損量檢查及更換原則1在硬巖區(qū)，邊緣滾刀磨損量推薦值為1015mm，正面區(qū)為15mm20mm，中心區(qū)為25mm。刀具正常磨損量超過(guò)規(guī)定值就應(yīng)進(jìn)行更換，如果有條件最好整盤刀具全部更換；72檢查中如發(fā)現(xiàn)個(gè)別刀具有異

12、常磨損或損壞，應(yīng)優(yōu)先將原來(lái)?yè)Q下的沒(méi)有超過(guò)規(guī)定磨損量且已經(jīng)進(jìn)行過(guò)維護(hù)的舊刀具換上，而不要換上新刀具。3一定要確保整個(gè)刀盤所換刀具的磨損量盡可能達(dá)到最大值，使得刀具能夠掘進(jìn)盡可能多的環(huán)數(shù)。地層正面區(qū)雙刃滾刀正常磨損情況下可掘進(jìn)100環(huán)左右。74刀具要勤檢查，少更換；更要避免長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)換刀。8刀具的維護(hù)和修復(fù)81邊緣滾刀（正面滾刀）的維護(hù)和修復(fù)根據(jù)更換的邊緣滾刀（正面滾刀）的磨損情況和使用記錄，來(lái)確定滾刀的維護(hù)和修復(fù)方案。如果刀圈磨損量沒(méi)有超過(guò)25mm，可先檢查滾刀密封油是否足夠，如密封油不夠就應(yīng)添加；用鋸條將滾刀端蓋和軸承縫之間的碎石泥土清理干凈并檢查油封及油封座是否完好，如有損壞應(yīng)換新或修復(fù)。如

13、刀圈磨損量超過(guò)25mm，就應(yīng)割掉刀圈，重新?lián)Q上新刀圈；同時(shí)也要檢查密封油、油封和油封座，并根據(jù)檢查情況進(jìn)行維護(hù)。82中心區(qū)滾刀的維護(hù)和修復(fù)中心區(qū)滾刀修復(fù)的方法和邊緣滾刀基本相同，由于其結(jié)構(gòu)和邊緣區(qū)滾刀結(jié)構(gòu)不同，其工藝程序比較復(fù)雜。83正面區(qū)刮刀和邊緣刮刀的維護(hù)和修復(fù)正面區(qū)刮刀磨損量不大可采用在其舊刀的基礎(chǔ)上堆焊耐磨焊絲和“嫁接”舊的刮刀等方法進(jìn)行修復(fù)；如磨損量過(guò)大可換新刀，國(guó)內(nèi)有替代品。邊緣刮刀磨損量不大可采用在其舊刀基礎(chǔ)上堆焊耐磨焊絲的方法；磨損量過(guò)大換新刀。4齒刀的維護(hù)和修復(fù)一般正常使用齒刀磨損量不大。由于齒刀構(gòu)造比較復(fù)雜，如果一旦磨損采用在磨損的刀座上涂焊耐磨焊絲的方法效果也比較好；如果

14、磨損量比較大，就只能換新。 9關(guān)于刀具國(guó)產(chǎn)化的幾點(diǎn)建議由于刀具是易損件，消耗量大，如果只是依靠進(jìn)口刀具不僅供貨期長(zhǎng)，而且成本高，所以使用國(guó)產(chǎn)刀具勢(shì)在必行。國(guó)內(nèi)最近幾年也有些公司著手開(kāi)發(fā)盾構(gòu)機(jī)刀具，象洛陽(yáng)九九公司生產(chǎn)的滾刀刀圈完全能滿足一般地質(zhì)條件的盾構(gòu)掘進(jìn)。不足的是我們現(xiàn)在只能是簡(jiǎn)單的更換滾刀刀圈，由于資料的缺乏、試驗(yàn)設(shè)備的落后和對(duì)刀具研究的不深入，對(duì)于更換刀圈后重新組裝的滾刀刀具，其扭矩調(diào)整還不能夠進(jìn)行調(diào)試（國(guó)外公司可以做到根據(jù)不同地質(zhì)條件的強(qiáng)度來(lái)調(diào)整每把滾刀的扭矩）；滾刀密封件質(zhì)量不高；中心滾刀支架、齒刀和邊緣刮刀國(guó)內(nèi)尚無(wú)人問(wèn)津開(kāi)發(fā)等直接影響著盾構(gòu)機(jī)刀具國(guó)產(chǎn)化的推廣應(yīng)用，這些都需要我們進(jìn)一

15、步的探討研究。10結(jié)論總之，只要我們嚴(yán)格按照盾構(gòu)機(jī)操作規(guī)程進(jìn)行操作，科學(xué)客觀地加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具使用、檢查和維護(hù)的管理力度，減少刀具不必要的異常磨損和損壞，潛心研究大力推廣盾構(gòu)機(jī)刀具國(guó)產(chǎn)化的應(yīng)用，刀具磨損和損壞給盾構(gòu)掘進(jìn)造成的成本增加就會(huì)大大降低，盾構(gòu)工程就會(huì)有更大的利潤(rùn)空間可挖掘。第二章 常見(jiàn)切削刀具材料的磨損現(xiàn)象及原因分析1引言從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，由于數(shù)控機(jī)床的主軸、進(jìn)給系統(tǒng)等功能部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)的突破，數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度均大幅度提高，在現(xiàn)代制造技術(shù)全面進(jìn)步的推動(dòng)下，切削加工技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入高速切削的新階段。目前，高速切削已在模具、航空、汽車等制造業(yè)領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的

16、經(jīng)濟(jì)效益，并正向其它應(yīng)用領(lǐng)域拓展。 高速切削加工對(duì)刀具提出了一系列新的要求。研究表明，高速切削時(shí)，造成刀具損壞的主要原因是在切削力和切削溫度作用下因機(jī)械摩擦、粘結(jié)、化學(xué)磨損、崩刃、破碎以及塑性變形等的引起的磨損和破損。因此，對(duì)高速切削刀具材料最主要的性能要求是耐熱性、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗熱震性以及抗涂層破裂性能等。陶瓷、cbn、pcd、金屬陶瓷等刀具材料具有良好的耐熱性和耐磨性，當(dāng)其韌性得到改善后，非常適合用于高速切削。先進(jìn)涂層技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步改善了刀具材料的性能。目前，新型涂層材料和涂層工藝的開(kāi)發(fā)方興未艾，預(yù)示著涂層刀具在高速切削領(lǐng)域?qū)⒂芯薮蟀l(fā)展?jié)摿蛷V闊應(yīng)用前景。本文對(duì)高速切削加工時(shí)陶瓷

17、刀具、立方氮化硼刀具、金剛石刀具、金屬陶瓷刀具和涂層刀具的磨損機(jī)理進(jìn)行了綜合評(píng)述，對(duì)刀具的磨損形態(tài)和磨損壽命進(jìn)行了分析，這些研究將有益于實(shí)際生產(chǎn)加工中對(duì)高速切削刀具的合理選用與磨損控制。 2高速切削刀具的磨損形態(tài) 高速切削時(shí)，刀具的主要磨損形態(tài)為后刀面磨損、微崩刃、邊界磨損、片狀剝落、前刀面月牙洼磨損、塑性變形等。 后刀面磨損是高速切削刀具最經(jīng)常發(fā)生的磨損形式，可看作是刀具的正常磨損。后刀面磨損帶寬度的加大會(huì)使刀具喪失切削性能，在高速切削時(shí)常采用后刀面上均勻磨損區(qū)寬度vb值作為刀具的磨損極限。 微崩刃是在刀具切削刃上產(chǎn)生的微小缺口，常發(fā)生在斷續(xù)高速切削時(shí)，通過(guò)選用韌性好的刀具材料、減小進(jìn)給量、

18、改變刀具主偏角以增加穩(wěn)定性等措施，均可減小微崩刃的發(fā)生概率。通常只要將刀具微崩刃的大小控制在磨損限度以內(nèi)，刀具仍可繼續(xù)切削。邊界磨損發(fā)生在刀具后刀面的刀?工接觸邊緣處，形狀通常為一狹長(zhǎng)溝槽，因此也稱為溝槽磨損。高速切削不銹鋼、高溫合金（如inconel718）時(shí)刀具容易發(fā)生邊界磨損，其原因是工件表面的加工硬化使刀? 工接觸邊界的工件材料硬度最高。加工外圓時(shí)，刀?工接觸邊界的切削速度最高，因此也容易形成邊界磨損。此外，用陶瓷刀具高速切削鑄鐵時(shí)也容易發(fā)生邊界磨損。 片狀剝落多發(fā)生在刀具的前、后刀面上，其原因是刀?屑或刀?工接觸區(qū)的接觸疲勞或熱應(yīng)力疲勞所致。當(dāng)剝落很小時(shí)，被認(rèn)為是磨損；但在很多情況下

19、，由于疲勞裂紋源距刀具表面具有一定深度，裂紋擴(kuò)展后所形成的剝落塊往往大于刀具的磨損限度，一旦發(fā)生剝落，即可使刀具失效，形成剝落破損。陶瓷刀具端銑鋼和鑄鐵時(shí)，前刀面上經(jīng)常出現(xiàn)貝殼狀剝落；涂層刀具因涂層材料與基體材料粘結(jié)強(qiáng)度不夠也易發(fā)生剝落。 前刀面月牙洼磨損最常出現(xiàn)在塑性金屬的高速切削加工中。塑性變形多發(fā)生在切削溫度較高而刀具紅硬性較差的切削條件下，超硬刀具材料在切削速度很高時(shí)也可能發(fā)生塑性變形現(xiàn)象。3高速切削刀具的磨損機(jī)理 在高速切削加工中，與普通切削加工類似，也存在兩個(gè)摩擦副：前刀面與切屑間的摩擦副和后刀面與已加工表面間的摩擦副。其中，前者影響刀具前刀面的磨損，后者影響刀具后刀面的磨損，前、

20、后刀面的磨損均影響刀具壽命。但與普通切削相比，高速切削時(shí)刀具與工件的接觸時(shí)間減少，接觸頻率增加，切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量更多向刀具傳遞，因此其磨損機(jī)理與普通切削有很大區(qū)別。 （1）陶瓷刀具 陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學(xué)性能優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特點(diǎn)。陶瓷刀具的最佳切削速度通?？杀扔操|(zhì)合金刀具高310倍，適用于高速切削鋼、鑄鐵及其合金等。陶瓷刀具用于高速切削時(shí)，切削溫度可高達(dá)8001000甚至更高，切削壓力也很大。因此，陶瓷刀具的磨損是機(jī)械磨損與化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果，其磨損機(jī)制主要包括磨料磨損、粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散磨損、氧化磨損等。陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關(guān)，

21、在高速切削時(shí)以高溫引起的粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)、氧化磨損和擴(kuò)散磨損為主。al2o3基陶瓷刀具在連續(xù)高速切削鋼件時(shí)，其磨損機(jī)制主要為伴有微崩刃的磨料磨損和粘結(jié)磨損；而在高速切削鑄鐵時(shí)，磨損機(jī)制主要為磨料磨損。 用al2o3/sicw陶瓷刀具高速加工inconel718高溫合金時(shí)，刀具的主要磨損機(jī)制為粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散磨損，因此用 al2o3/sicw陶瓷刀具加工inconel718時(shí)必須使用切削液（含氯化石蠟的切削液效果更好）。用al2o3/zro2和al2o3/ticn 陶瓷刀具加工aisi4337鋼時(shí)，前刀面與后刀面的磨損機(jī)理有所不同：化學(xué)反應(yīng)及塑性變形是前刀面磨損的主要原因；后刀面的磨損

22、機(jī)理則是陶瓷顆粒間發(fā)生斷裂，導(dǎo)致陶瓷顆粒脫落所致。al2o3/tib2陶瓷刀具加工高強(qiáng)鋼和淬硬鋼時(shí)具有較好的耐磨性，且刀具的耐磨性能隨著tib2含量的增加而增強(qiáng)。 al2o3基陶瓷刀具在高速切削時(shí)，刀具表層有時(shí)會(huì)發(fā)生塑性變形現(xiàn)象，這是由于al2o3與feo（鋼表面氧化產(chǎn)物）或mgo（陶瓷添加劑）反應(yīng)形成了尖晶石結(jié)構(gòu)，或者是al2o3與sio2、cao作用形成了低熔點(diǎn)、低硬度的化合物。 si3n4基陶瓷刀具高速切削鑄鐵時(shí)的主要磨損機(jī)制為化學(xué)磨損。雖然化學(xué)磨損本身在陶瓷刀具的總磨損量中所占比例一般并不大，但化學(xué)作用可使機(jī)械磨損的程度大大加劇，如化學(xué)溶解及擴(kuò)散作用會(huì)引起陶瓷表面強(qiáng)度減弱，加劇刀具與工

23、件間的粘結(jié)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的粘結(jié)磨損和微觀斷裂磨損。切削鋼件時(shí)，si3n4陶瓷刀具的磨損主要與刀具和工件間的化學(xué)作用有關(guān)，由于si3n4顆粒的化學(xué)溶解及不斷被從玻璃相中拔出，使si3n4陶瓷刀具表現(xiàn)出很高的磨損率。 si3n4陶瓷刀具高速切削鋼件時(shí)的高磨損率主要可歸因于以下兩種因素：si3n4氧化而在刀具表面形成的sio2層不斷被磨去；sio2與工件表面的feo形成低熔點(diǎn)的共晶混合物。2）立方氮化硼刀具 立方氮化硼（cbn）是氮化硼的致密相，聚晶立方氮化硼（pcbn）則是由cbn微粉與少量粘結(jié)相（co，ni或tic、tin、al2o3）在高溫高壓下燒結(jié)而成。pcbn 組織中各微小晶粒呈無(wú)序排列狀

24、態(tài)，因此pcbn硬度均勻，無(wú)方向性，具有一致的耐磨性和抗沖擊性，并有很高的硬度和耐熱性（13001500）、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性以及低摩擦系數(shù)，而且pcbn與fe族元素親和性很低，因此它是高速切削黑色金屬較理想的刀具材料。pcbn的cbn含量、晶粒尺寸、粘結(jié)相等均會(huì)影響其性能：cbn含量越高，pcbn的硬度和導(dǎo)熱性也越高；cbn晶粒尺寸越大，其抗破損性越弱，刀刃鋒利性越差；采用金屬材料co、 ni作為粘結(jié)相時(shí)，pcbn有較好的韌性和導(dǎo)電性，采用陶瓷材料作為粘結(jié)相時(shí)則具有較好的熱穩(wěn)定性。pcbn刀具高速切削鑄鐵時(shí)主要發(fā)生化學(xué)磨損，導(dǎo)致前刀面出現(xiàn)月牙洼磨損。試驗(yàn)證明，通過(guò)改變cbn含量和刀具幾

25、何參數(shù)，以降低切削溫度和減小刀?屑接觸長(zhǎng)度（時(shí)間），可減小化學(xué)磨損速率，避免前刀面月牙洼磨損。一般認(rèn)為，cbn刀具的磨損是由于切削過(guò)程中的高溫、高壓、切屑與前刀面間的摩擦以及工件材料中有關(guān)化學(xué)元素與之發(fā)生粘結(jié)、親和而引起的，即其磨損機(jī)制主要包括：氧化磨損和相變磨損。cbn刀具高速切削時(shí)的平均切削溫度可達(dá)10001200，在此高溫下，即使在常壓和空氣氣氛中也足以使 cbn刀具刀尖區(qū)產(chǎn)生氧化、放氮甚至相變。而cbn刀具一經(jīng)氧化和相變即會(huì)喪失其切削能力。粘結(jié)磨損。在一定壓力和高溫條件下，刀尖與被加工材料接觸區(qū)隨著切屑不斷流出，雙方均不斷裸露出新的表面。盡管cbn對(duì)fe族元素有較高化學(xué)惰性，但對(duì)其它元

26、素并非如此，當(dāng)條件適合時(shí)，會(huì)使cbn活性增加、惰性降低，隨著與合金元素的親和傾向不斷增加，將導(dǎo)致出現(xiàn)粘結(jié)磨損。這種磨損一般表現(xiàn)為微粒脫落，當(dāng)?shù)都鈪^(qū)溫度高達(dá)1200左右時(shí)，局部cbn顆粒將呈現(xiàn)“半熔化”狀態(tài)，從而使粘結(jié)磨損大大加劇。摩擦磨損。工件與刀具之間的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)使cbn刀具發(fā)生摩擦磨損。顆粒剝落與微崩刃。由于cbn刀具是由無(wú)數(shù)細(xì)小的cbn顆粒構(gòu)成，顆粒之間呈晶界間的精細(xì)裂紋連接，且存在不均勻的內(nèi)應(yīng)力，因此當(dāng)高溫切屑流摩擦刮研cbn刀尖時(shí)，會(huì)因工件材料硬度不均或存在硬質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的微沖擊而造成cbn顆粒脫落或產(chǎn)生微崩刃。 造成cbn刀具磨損的上述多種因素并非只是獨(dú)立存在、單獨(dú)作用，而是相互

27、影響、共同加劇，如氧化磨損和相變磨損必然伴隨著粘結(jié)磨損，并出現(xiàn)摩擦磨損、剝落磨損和微崩磨損。（3）金剛石刀具 金剛石材料可分為天然金剛石和人造金剛石。天然金剛石具有自然界物質(zhì)中最高的硬度和導(dǎo)熱系數(shù)。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的多種采用化學(xué)機(jī)理研磨金剛石刀具的方法和保護(hù)氣氛釬焊金剛石技術(shù)使天然金剛石刀具的制造變得相對(duì)容易，從而使天然金剛石刀具在超精密鏡面切削領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)50年代實(shí)現(xiàn)了利用高溫高壓技術(shù)人工合成金剛石粉后，70年代制造出了金剛石基的切削刀具即聚晶金剛石（pcd）刀具。pcd晶粒呈無(wú)序排列狀態(tài)，不具方向性，因而硬度均勻。pcd刀具具有高硬度（800012000hv）、高導(dǎo)熱性、低熱脹系數(shù)

28、、高彈性模量和低摩擦系數(shù)，刀刃非常鋒利，可高速切削加工各種有色金屬和耐磨性極強(qiáng)的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金、硬質(zhì)合金、纖維增塑材料、金屬基復(fù)合材料、木材復(fù)合材料等。目前正在研究和開(kāi)發(fā)的化學(xué)氣相沉積（cvd）金剛石主要有兩種形式：一種是在基體上沉積厚度小于30m的薄層膜（cvd薄膜）；另一種是沉積厚度達(dá)1mm的無(wú)襯底金剛石厚層膜（cvd厚膜）。三種主要的金剛石刀具材料?pcd、cvd厚膜和人工合成單晶金剛石的性能比較結(jié)果為：pcd的焊接性、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質(zhì)量居中，抗腐蝕性最差；cvd厚膜的抗腐蝕性最好，機(jī)械磨削性、刃口質(zhì)量、斷裂韌性和抗磨損性居中，可焊接性最

29、差；人工合成單晶金剛石的刃口質(zhì)量、抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最差。目前，金剛石刀具是高速切削（25005000m/min）鋁合金較理想的刀具材料，但在高速切削鋼鐵及其合金時(shí)卻磨損較快，其磨損機(jī)理主要是由于碳與鐵具有較大親和作用，尤其在高溫下金剛石易與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此它不適于切削鋼鐵及其合金材料。 （4）金屬陶瓷刀具 金屬陶瓷（即tic（n）基硬質(zhì)合金）的主要成分為tic（碳化鈦）、tin（氮化鈦）和ticn（碳氮化鈦）等。tic（n）基硬質(zhì)合金包括具有高耐磨性的tic+ni（或mo）合金、具有高韌性的tic+wc+tac+co合金、以tin為主體的強(qiáng)韌合金和tic

30、n+nbc高強(qiáng)韌合金等。與wc硬質(zhì)合金相比，金屬陶瓷的硬度、強(qiáng)度、韌性、抗塑性變形和抗崩刃性能等均有顯著改善，尤其是高溫強(qiáng)度、高溫硬度、導(dǎo)熱性、抗氧化性和抗熱震性能得到提高，與鋼的親和力小，摩擦系數(shù)小，抗月牙洼磨損和抗粘結(jié)能力強(qiáng)，現(xiàn)已發(fā)展成為獨(dú)立系列的一類刀具材料。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的高氮含量、具有均勻微細(xì)硬質(zhì)組織的tic（n）基硬質(zhì)合金具有良好的抗磨損性能和抗崩刃性，適于在200400m/min的高速下切削普通鋼和合金鋼，也可用于鑄鐵的精加工。由于tic的抗粘結(jié)、抗擴(kuò)散性能較好，所以耐磨性好，但抗塑性變形能力較差，在對(duì)高硬材料進(jìn)行高速切削時(shí)常因刀刃的塑性變形而導(dǎo)致刀刃損壞。5）涂層刀具 涂層刀具具有

31、很強(qiáng)的抗氧化性能和抗粘結(jié)性能，因而具有良好的耐磨性和抗月牙洼磨損能力。涂層的摩擦系數(shù)較低，能有效降低切削時(shí)的切削力及切削溫度，因而可大大提高刀具耐用度。tic涂層的硬度高、耐磨性好，適用于可能產(chǎn)生劇烈磨損的刀具；tin涂層與被切削金屬的親和力小、潤(rùn)濕性好、抗氧化性強(qiáng)，適用于容易發(fā)生粘結(jié)磨損的刀具；al2o3涂層在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性，適用于高速切削時(shí)產(chǎn)生大量切削熱的刀具。目前應(yīng)用較廣泛的主要是在硬質(zhì)合金和高速鋼刀體上涂覆不同的氮化物、氧化物和硼化物等，其中氧化鋁（al2o3）、碳氮化鈦（ticn）、氮化鋁鈦（tialn）、碳氮化鋁鈦（tial-cn）等涂層具有優(yōu)異的高溫性能。wc基、tic

32、（n）基硬質(zhì)合金和陶瓷等材料都可作為涂層刀具的基體。 涂層技術(shù)發(fā)展很快，目前已從單涂層發(fā)展為多涂層。應(yīng)用較廣泛的涂層工藝有化學(xué)氣相沉積法（cvd法）和物理氣相沉積法（pvd法）。pvd法主要用于高速鋼刀具涂層；cvd法和pvd法均可用于硬質(zhì)合金刀具涂層。pvd法涂層的硬質(zhì)合金刀具有較好的抗破損性能，適于斷續(xù)切削，但耐磨性不如cvd法涂層的硬質(zhì)合金刀具。目前適用于高速切削的硬質(zhì)合金涂層刀具的涂層物質(zhì)主要有采用cvd法的ticn+al2o3+tin、ticn+al2o3、ticn+ al2o3+hfn、tin+al2o3、ticn等和采用pvd法的tialn/tin復(fù)合涂層、tialn等。選用不同

33、涂層物質(zhì)的硬質(zhì)合金涂層刀具可以200400m/min的切削速度加工鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、合金鑄鐵等。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的氮化碳（cnx）和其它氮化物（tin/nbn、tin/vn等）涂層在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性，適合于高速切削。 日本近年開(kāi)發(fā)的納米tin/aln復(fù)合涂層銑刀片的涂層層數(shù)達(dá)2000層，每層厚度為2.5nm，可在高速下進(jìn)行切削。涂層刀具用于高速切削時(shí)，由于切削溫度較高，可使涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度削弱，容易產(chǎn)生剝落、崩碎等損傷。 4高速切削刀具的磨損壽命 高速切削時(shí)，應(yīng)根據(jù)加工方法和加工要求確定合理的刀具磨損壽命（極限）。影響高速切削刀具磨損壽命的因素較多，如工件材料與刀具材料的匹配、切

34、削方式、刀具幾何形狀、切削用量、冷卻液、振動(dòng)等對(duì)刀具磨損壽命都有顯著影響，其影響規(guī)律與具體切削條件有關(guān)，應(yīng)通過(guò)切削試驗(yàn)來(lái)確定各相關(guān)因素對(duì)刀具磨損壽命的影響效應(yīng)。下面給出幾個(gè)高速切削加工實(shí)例及相應(yīng)的刀具磨損壽命。（1）鑄鐵的高速切削加工 在鑄鐵的高速切削加工中，正確選擇刀具材料是提高加工效率的關(guān)鍵。適用于高速切削鑄鐵零件的刀具材料主要有超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和涂層刀具等。陶瓷刀具是高速切削鑄鐵的理想刀具之一，其價(jià)格比pcbn刀具低廉得多，其高速切削鑄鐵的切削性能則遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具。用sialon 陶瓷刀具和si3n4陶瓷刀具車削和銑削普通鑄鐵時(shí)，在相同切削條件下，sia

35、lon陶瓷刀具車削時(shí)的磨損量較小，而si3n4陶瓷刀具銑削時(shí)的磨損量較小。這說(shuō)明sialon陶瓷刀具適用于高速連續(xù)切削，而si3n4陶瓷刀具適用于高速斷續(xù)切削。 （2）淬硬鋼的高速切削加工 在相同切削條件下（切削進(jìn)給量0.1mm/r，切削深度0.2mm，刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)vb=0.2mm）分別采用p10硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具和cbn刀具加工aisi4340工件材料（硬度60hrc）時(shí)，硬質(zhì)合金刀具的工作壽命最低，這是由于工件材料硬度很高，導(dǎo)致加工時(shí)的切削力和切削溫度較高，造成硬質(zhì)合金刀具迅速磨損、剝離乃至斷裂破損。陶瓷刀具和cbn刀具的工作壽命隨著切削速度的提高而增加，當(dāng)達(dá)到最大臨界值后則開(kāi)始降低。

36、出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)切削速度增加時(shí)，刀具粘結(jié)層厚度增加，形成一層保護(hù)膜，有利于減小刀具磨損，從而提高了刀具壽命；但當(dāng)切削速度進(jìn)一步提高時(shí)，刀具表面層將變軟，容易被工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn)磨耗掉，從而加劇了刀具磨損，造成刀具壽命迅速降低。（3）鎳基合金的高速切削加工 選用si3n4陶瓷刀具和si3n4-tic陶瓷刀具（刀具幾何參數(shù)分別為-5，-6；5，6；15，15；0.8mm）高速車削鎳基合金 inconel718工件（直徑150mm，硬度440hv）。切削進(jìn)給量0.19mm/r，切削深度0.5mm，切削速度30300m/min，使用水基冷卻液（冷卻速度4l/min）。由si3n4陶瓷刀具的磨

37、損形態(tài)和磨損量在切削長(zhǎng)度為50m時(shí)與切削速度的關(guān)系可見(jiàn)，邊界磨損量vn的變化較為獨(dú)特：當(dāng)切削速度較低時(shí)，vn隨切削速度的增加而減?。划?dāng)切削速度超過(guò)100m/min時(shí)，vn則隨切削速度的增加而增大；當(dāng)切削速度超過(guò)150m/min 時(shí)，vn又隨切削速度的增加而減小。后刀面磨損量vb在整個(gè)切削速度范圍內(nèi)均小于邊界磨損量vn。用添加了tic的si3n4-tic陶瓷刀具加工inconel718時(shí)，由刀具的磨損形態(tài)和磨損量與切削速度的關(guān)系可見(jiàn)，刀具的磨損形態(tài)和磨損規(guī)律與si3n4陶瓷刀具非常相似，但磨損量小于 si3n4陶瓷刀具。 對(duì)于高速切削刀具，除應(yīng)考慮其靜態(tài)特性外，還應(yīng)考慮其動(dòng)態(tài)特性。隨著刀具懸伸量

38、的不同，可能使刀具系統(tǒng)（刀柄?刀體?刀片等）的固有頻率與因每個(gè)刀齒切削不均產(chǎn)生的刀齒寬頻帶激振的頻率（或其諧波分量）一致，從而產(chǎn)生顫振，引起刀具劇烈磨損，甚至發(fā)生破損。 5結(jié)語(yǔ) 本文對(duì)高速切削加工時(shí)陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、金剛石刀具、金屬陶瓷刀具和涂層刀具的磨損形態(tài)和磨損機(jī)理進(jìn)行了綜合評(píng)述。不同種類的刀具材料高速切削加工不同的工件材料時(shí)，其磨損形態(tài)和磨損機(jī)理也各不相同。對(duì)影響高速切削刀具磨損壽命的因素進(jìn)行了綜合分析，研究結(jié)論對(duì)實(shí)際加工中高速切削刀具的合理選用及磨損控制具有指導(dǎo)、參考和借鑒作用。第三章 盾構(gòu)刀具磨損 根據(jù)北京地區(qū)地層中含有大量砂卵石的特點(diǎn)，對(duì)盾構(gòu)刀具磨損進(jìn)行了失效分析，發(fā)現(xiàn)其失

39、效原因主要是沖擊和高應(yīng)力磨粒磨損。針對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具的再制造，開(kāi)發(fā)了一種堆焊藥芯焊絲北京固本耐磨焊絲。再制造刀具的刃口堆焊層無(wú)裂紋，堆焊層硬度：hrc60-62無(wú)裂紋。再制造刀具的壽命高于進(jìn)口刀具。 盾構(gòu)刀具形式按照工程地質(zhì)條件和施工控制要求，可分為面板式和輻條式。北京地區(qū)目前地鐵隧道施工中應(yīng)用的是輻條式1,2，見(jiàn)圖 1。文中主要是針對(duì)盾構(gòu)機(jī)周邊刀失效及其修復(fù)再制造進(jìn)行究。周邊刀（見(jiàn)圖 2）的刀體是德國(guó)產(chǎn)鋼號(hào)為 st523 的鋼材2，其性能相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)的低碳鋼 q235。刃口為堆焊層，堆焊層內(nèi)釬焊有球齒，球齒材料為硬質(zhì)合金。1 盾構(gòu)機(jī)刀具的失效分析 北京地鐵五號(hào)線盾構(gòu)試驗(yàn)段屬于砂卵石地層，沙礫含量大

40、，見(jiàn)圖 3。地層中石英含量高達(dá) 45 %以上，石英沙是“很好”的磨料，使刀具磨損速度加快。如北京地鐵五號(hào)線盾構(gòu)試驗(yàn)段雍和宮站至張自忠站左線 1 510 m 為砂卵石及粘土混合地層，掘進(jìn)過(guò)程中更換了 5 批刀具。盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑為 6.2 m，轉(zhuǎn)速為 03 r/min，通常為 1.5 r/min，刀盤最外邊刀具切削線速度最大可達(dá) 1 m/s，平均為 0.5 m/s3。周邊刀受到很大的沖擊力。盾構(gòu)試驗(yàn)段刀具磨損和折斷嚴(yán)重，見(jiàn)圖 4?？梢钥吹?，盾構(gòu)刀具的刃口部位鑲嵌的硬質(zhì)合金刀片存在不同程度的折斷破壞，即所謂“崩刃”；對(duì)于硬質(zhì)合金刀片，由于硬度很高，相對(duì)韌性較差，沖擊斷裂是其主要的失效形式。刃口部位的

41、斜坡（內(nèi)側(cè)）為典型的犁溝式磨損（見(jiàn)圖 5）。刀具磨損情況可歸納為表 1 所示特征。通過(guò)對(duì)進(jìn)口刀具在砂卵石地層的磨損特點(diǎn)分析，可知在砂卵石地層施工中，盾構(gòu)機(jī)刀具主要的失效形式為：沖擊破壞、犁溝式磨粒磨損和碾壓磨損。2.盾構(gòu)刀具施焊工藝要求 使用北京固本耐磨焊絲焊接參數(shù)和工藝：焊絲直徑1.6mm焊接電流240-280a焊接電壓26-31v保護(hù)氣體純二氧化碳技術(shù)要求：1、焊前將待焊面除去油及其它污物。2、焊前無(wú)需預(yù)熱。3、焊后無(wú)需保溫。4、可用于鎬型截齒和刀型截齒。5、適用于各種半自動(dòng)和全自動(dòng)截齒堆焊設(shè)備。3.堆焊藥芯焊絲的成分及堆焊層金屬組織由盾構(gòu)機(jī)刀具的工況可知，刀具既要具備較高的硬度以抵御高應(yīng)

42、力的磨粒磨損，又要有足夠的韌性來(lái)吸收砂卵石的沖擊。所以選擇cmnsinbv等元素組成的合金系設(shè)計(jì)了北京固本耐磨焊絲。它可以保證在焊前無(wú)需預(yù)熱、焊后不必?zé)崽幚淼臈l件下，使得堆焊層焊后無(wú)裂紋，硬度達(dá)到64hrc藥芯焊絲熔敷金屬的主要成分：熔敷金屬化學(xué)成分：碳c錳mn硅si鈮nb鎢v其他1%1.2%0.8%7%5%3%4.盾構(gòu)刀具磨損情況 總結(jié)盾構(gòu)機(jī)周邊刀修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，選擇了 35 鋼作為再制造刀具的本體，刀體經(jīng) dg7 堆焊后，在刃口堆焊層中釬焊入球齒。再制造的周邊刀于 2005 年 7月底投入北京地鐵五號(hào)線盾構(gòu)試驗(yàn)段北新橋站至雍和宮站右線隧道掘進(jìn)施工，其地質(zhì)條件與使用進(jìn)口周邊刀的左線基本相同。到 2

43、005 年 11 月開(kāi)倉(cāng)檢查更換刀具，累計(jì)完成 420 m 的掘進(jìn)。刀具磨損情況見(jiàn)圖 7、圖 8。可見(jiàn)，進(jìn)口刀具體積磨損量達(dá)到一半以上，有兩個(gè)安裝孔損壞；而再制造刀具不到十分之一。在基本相同的地層條件下，再制造刀具的推進(jìn)里程比進(jìn)口刀具要高出 20 %。可見(jiàn)再制造刀具的使用壽命要優(yōu)于進(jìn)口刀具。5 結(jié) 論(1) 盾構(gòu)機(jī)刀具在砂卵石地層施工中，主要的失效形式為：沖擊破壞、犁溝式磨料磨損和碾壓磨損。(2) 北京固本耐磨焊絲的堆焊層焊態(tài)硬度64hrc，堆焊層焊后無(wú)裂紋。通過(guò)調(diào)整焊接工藝，使用該焊絲制備盾構(gòu)機(jī)刀具，可實(shí)現(xiàn)焊前不預(yù)熱、焊后不用熱處理，工藝簡(jiǎn)單便于現(xiàn)場(chǎng)使用。(3) 工程應(yīng)用表明，用北京固本耐磨

44、焊絲藥芯焊絲制備的盾構(gòu)機(jī)刀具性能優(yōu)于進(jìn)口刀具。投稿日期：2011年10月22日第四章 刀具使用維護(hù)及更換15.1 一般規(guī)定15.1.1 北京地鐵盾構(gòu)隧道施工，多在粉細(xì)砂層、圓礫層及卵石層中進(jìn)行，刀盤、刀具磨損較大，須對(duì)刀盤、刀具磨損的檢測(cè)及更換等有充分的估計(jì)。15.1.2 在定購(gòu)盾構(gòu)機(jī)時(shí)，應(yīng)充分考慮北京地層條件特點(diǎn)，確定盾構(gòu)機(jī)的面板型式以及刀具配置等，以滿足北京地鐵盾構(gòu)施工的需要。15.1.3 盾構(gòu)施工前應(yīng)根據(jù)地層的磨耗性、刀盤刀具類型及配置等制定刀具使用計(jì)劃。15.1.4 盾構(gòu)掘進(jìn)施工前，應(yīng)綜合考慮地層條件，地面條件等因素，確定合理的可能換刀位置。15.1.5 施工中應(yīng)使用泡沫、泥漿等添加材

45、，并采取其它減磨、降矩措施，提高刀盤、刀具的壽命。15.1.6 刀盤、刀具的磨損與施工參數(shù)的選擇、施工方法等密切相關(guān)，應(yīng)充分考慮這些因素的影響，審慎施工。施工中應(yīng)密切觀察推力、扭矩、渣土性狀、機(jī)體振動(dòng)狀態(tài)等，分析其原因，采取應(yīng)對(duì)措施。15.1.7 應(yīng)設(shè)定異常掘進(jìn)的警戒推力及扭矩值，如遇異常情況，應(yīng)立即停機(jī)檢查。15.1.8 北京地鐵盾構(gòu)隧道施工中的刀盤、刀具磨損現(xiàn)象非常復(fù)雜，詳細(xì)情況正在調(diào)查和研究中，隨著調(diào)查研究的深入及施工經(jīng)驗(yàn)的增多，將及時(shí)做補(bǔ)充修訂。15.2 刀盤及刀具的選擇15.2.1 刀頭材質(zhì)的選擇1 刀具一般采用真空燒制的e5類鋼材，對(duì)于有特殊耐磨要求的刀具宜采用耐磨能力是e5 兩倍

46、的所謂sinterh1p真空燒制的e3類鋼材。2 表面硬化的方法一般是堆焊耐磨材料，可采用碳化鎢或高鉻堆焊焊條，堆焊層硬度宜高于hrc60；3 采用超硬重型刀，刀具背面實(shí)施硬化堆焊。15.2.2 刀頭種類及型狀：1 主切削刀；其切入角度影響切削能力的發(fā)揮，應(yīng)根據(jù)施工地層情況，選擇切入角度；2 主超前刀（也稱先行刀）：采用主超前刀，一般可顯著增加切削土體的流動(dòng)性，大大降低主切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，減少主切削刀的磨耗。3 魚(yú)尾刀：為改善中心部位的切削和攪拌效果，宜在刀盤中心部位設(shè)計(jì)一把尺寸較大的魚(yú)尾刀。4 盤圈貝型刀：實(shí)質(zhì)上是超前刀，在盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層特別是大粒徑砂卵石地層時(shí)宜采用。5

47、 仿形刀：仿形刀的目的是盾構(gòu)機(jī)在曲線段推進(jìn)、轉(zhuǎn)彎或糾偏時(shí)，通過(guò)仿形超挖切削創(chuàng)造所需空間。15.2.3 刀具配置1 增加刀具的數(shù)量，即增加刀具的行數(shù)及每一行的刀具布設(shè)數(shù)量；2采用長(zhǎng)、短刀并用法，即長(zhǎng)刀具磨損后，短刀具開(kāi)始接替長(zhǎng)刀具磨損。其高低差一般為20mm30mm。3切削刀頭的安裝方法有銷釘、螺栓及焊接等方法。預(yù)測(cè)需要更換時(shí)，須采用裝卸容易的方法進(jìn)行安裝。15.2.4 在北京地層條件下，應(yīng)加大刀盤開(kāi)口率，減少切削土渣在刀盤空間的滯留時(shí)間，以保證土渣順利進(jìn)入土艙，減少刀盤、刀具的磨損。15.3 刀具磨損的預(yù)測(cè)及檢測(cè)方法15.3.1 必須充分探討刀頭的耐磨耗性，事前預(yù)測(cè)磨耗量，制定切實(shí)可行的對(duì)策，

48、以便施工能順利進(jìn)行。15.3.2 刀具磨耗量的預(yù)測(cè)最外圈的刀具磨耗量的推測(cè)值可按下式計(jì)算：kdnl/v （15.3.2.1）式中：磨耗量（mm）； k磨耗系數(shù)（mm/km）； d盾構(gòu)機(jī)的外徑（m）； n掘削的轉(zhuǎn)數(shù)（rpm）； l刀具切削長(zhǎng)度（km）；v掘進(jìn)速度（m/min）。 磨耗系數(shù)k多選用由實(shí)踐得出的如表15.3.2.1所示的數(shù)值，但目前北京地層條件下尚無(wú)可靠數(shù)據(jù)，此表的數(shù)據(jù)僅作為參考。 磨耗系數(shù)一覽表 表15.3.2.1土質(zhì)磨耗系數(shù)泥水式土壓式淤泥粘土510-31210-3砂質(zhì)土910-32310-3砂礫小礫1110-32610-3中礫1510-33910-3大礫1910-35210-3

49、15.3.3 磨耗檢測(cè)：一般，判斷刀頭的磨損程度，是根據(jù)盾構(gòu)記錄的推進(jìn)數(shù)據(jù)的變化，從土質(zhì)和機(jī)械兩方面進(jìn)行綜合判斷。條件具備時(shí)并用輔助性磨耗探測(cè)裝置，常用的磨耗探測(cè)裝置有油壓式、電氣式、超聲波式等。15.3.4 當(dāng)經(jīng)驗(yàn)不多，預(yù)計(jì)磨損嚴(yán)重時(shí)，可進(jìn)行開(kāi)艙檢查。開(kāi)艙檢查必須在開(kāi)挖面穩(wěn)定的條件下進(jìn)行。15.4 降低刀盤磨損的施工工藝及換刀標(biāo)準(zhǔn)15.4.1 選擇合適的添加材改良材料(氣泡、泥漿等)，并實(shí)施科學(xué)的施工管理，以降低刀盤刀具磨損；15.4.2 適當(dāng)調(diào)整掘進(jìn)速度及轉(zhuǎn)速等；15.4.3 宜適時(shí)交替使用刀盤正、反轉(zhuǎn)，并盡可能使正、反方向切削刀的切削長(zhǎng)度相同。15.4.4 在自立性好的地段可以采用適當(dāng)?shù)?/p>

50、減壓施工措施。15.4.5 目前，刀具更換尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，作為參考值，一般磨損量達(dá)到25cm時(shí)須換刀。15.5 換刀作業(yè)（艙內(nèi)）15.5.1 開(kāi)艙換刀應(yīng)盡可能在預(yù)定地點(diǎn)進(jìn)行，并做好開(kāi)艙前的所有準(zhǔn)備工作。換刀作業(yè)不得已在隧道內(nèi)進(jìn)行時(shí)，必須進(jìn)行化學(xué)加固、氣壓施工等輔助施工法，以確保開(kāi)挖面穩(wěn)定。為了施工安全、順利地進(jìn)行，應(yīng)準(zhǔn)備好應(yīng)急措施。15.5.2 換刀作業(yè)應(yīng)清掃刀頭上粘附的砂土，設(shè)置腳支架，確認(rèn)需要更換的刀頭，運(yùn)入工具、器材，進(jìn)行換刀作業(yè)。并作好換刀記錄。15.5.3 換刀作業(yè)程序1 首先要對(duì)所換刀具進(jìn)行檢查，看是否有損壞或裂痕，磨損是否嚴(yán)重。2 若確認(rèn)需更換刀具，則在刀具運(yùn)輸過(guò)程中要注意，不應(yīng)

51、有嚴(yán)重碰撞及磨損。3 每次更換時(shí)，工作人員先將刀具周圍的泥土清掉，保證有一定的工作空間。再用套筒及加力桿卸下固定螺栓，注意不要讓螺栓掉到土艙下部。將換下的刀具遞到人閘內(nèi)，同時(shí)將固定螺栓和固定座用水清洗干凈，還要檢查一下是否有裂紋，如有裂紋必須更換新螺栓，以確保刀具有足夠的固定強(qiáng)度。4 將新的刀具按原來(lái)的位置安裝好，將固定螺栓擰緊。5 每次只能帶一批刀具進(jìn)艙，每批刀具換完后，把廢刀具放進(jìn)料閘內(nèi)，與此同時(shí)操作手轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤。工作人員把下一批刀具送入土艙內(nèi)，再繼續(xù)更換下一組刀具。6 每換完一批后，由值班機(jī)械工程師檢查安裝質(zhì)量，看是否有漏掉的或者沒(méi)有固定好的。機(jī)械工程師確認(rèn)無(wú)誤后方可繼續(xù)作業(yè)。更換速度按實(shí)

52、際情況定，必須以保證施工安全和安裝質(zhì)量為前提。7 在艙內(nèi)刀具更換作業(yè)過(guò)程中，土建工程師應(yīng)密切注意開(kāi)挖面的土質(zhì)情況和地層中地下水的狀況。當(dāng)開(kāi)挖面有異常情況時(shí)，應(yīng)立即組織工作人員退出土艙，關(guān)好艙門。8 在更換刀具過(guò)程中，所有的刀具都是通過(guò)旋松其固定螺栓進(jìn)行拆卸，在更換刀具后要重新使用規(guī)定的緊固扭矩?cái)Q緊螺栓。15.5.4 換刀時(shí)的注意事項(xiàng)：1 根據(jù)刀具磨損情況來(lái)確定所需更換的部分刀具，不能隨意更換某一部分，這樣會(huì)造成新刀具的嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致不必要的浪費(fèi)，并且也不能達(dá)到要求的效果。2 每次卸下刀盤的連接螺栓后，一定要注意清洗，避免螺栓螺紋損壞。保證螺栓的安裝強(qiáng)度。3 刀具卸下后，檢查螺栓是否有裂紋，如有

53、馬上更換。4 整個(gè)焊接過(guò)程應(yīng)注意艙內(nèi)的通風(fēng)，確保艙內(nèi)工作人員新鮮空氣的用量。5 因艙內(nèi)環(huán)境潮濕悶熱，焊工每班工作時(shí)間控制在4小時(shí)左右，保證焊工的工作效率和焊接質(zhì)量，同時(shí)也保證人員的健康安全。6 材料進(jìn)出應(yīng)避免碰壞損傷，人行通道位置管路需進(jìn)行保護(hù)。7 在一個(gè)循環(huán)的刀具更換完成后，機(jī)械工程師必須讓所有人員撤離土艙進(jìn)入人閘，待轉(zhuǎn)完刀盤，觀察開(kāi)挖面無(wú)異?，F(xiàn)象后，再繼續(xù)進(jìn)行檢查、換刀作業(yè)。15.5.5 在刀具更換過(guò)程中如需焊接則應(yīng)注意下列事項(xiàng)：1 根據(jù)機(jī)械工程師描繪的刀盤磨損情況，加工相應(yīng)的焊接件，焊接件的材質(zhì)必須與刀盤本體材質(zhì)一致；2 焊接前對(duì)刀盤焊接面用丙酮液進(jìn)行清理，局部殘留體應(yīng)用角磨機(jī)打磨平整，

54、以保證焊接質(zhì)量；焊接過(guò)程中應(yīng)保證焊接件焊縫四周均勻一致；3 焊接件及焊縫四周用耐磨焊條加焊耐磨層；4 焊接完成后方可進(jìn)行刀座的焊接和刀具的安裝。15.6 盾構(gòu)開(kāi)艙作業(yè)15.6.1 應(yīng)建立完善的開(kāi)艙控制程序，嚴(yán)格開(kāi)艙管理，確保開(kāi)艙施工安全。15.6.2 開(kāi)艙管理應(yīng)遵循下列原則：1 合理制定開(kāi)艙里程、地層預(yù)處理方案等開(kāi)艙計(jì)劃；2 開(kāi)艙條件應(yīng)安全、可靠；3 盡可能減少對(duì)地面環(huán)境影響；4 開(kāi)艙作業(yè)應(yīng)連續(xù)，快進(jìn)、快出。15.6.3 開(kāi)艙程序控制為使開(kāi)艙作業(yè)有序地進(jìn)行，應(yīng)制定開(kāi)艙作業(yè)程序，并建立相應(yīng)的簽認(rèn)制度。1 開(kāi)艙準(zhǔn)備工作確認(rèn)為保證開(kāi)艙作業(yè)的連續(xù)、快速，必須做好充分的準(zhǔn)備，準(zhǔn)備工作包括預(yù)計(jì)更換刀具準(zhǔn)備

55、、開(kāi)艙作業(yè)工具準(zhǔn)備、洞內(nèi)風(fēng)水電準(zhǔn)備等。準(zhǔn)備工作由專人負(fù)責(zé)，完成后由相關(guān)工程師確認(rèn)，機(jī)電總工程師審核；2 開(kāi)艙位置確定根據(jù)開(kāi)艙計(jì)劃，必須在盾構(gòu)到達(dá)既定里程后方可進(jìn)行開(kāi)艙作業(yè)。開(kāi)艙位置由土木工程師確認(rèn)，土木總工程師審核。通過(guò)簽認(rèn)后即可打開(kāi)艙門；3 工程地質(zhì)確認(rèn)開(kāi)艙后先按要求對(duì)土艙進(jìn)行冷卻與空氣置換，然后由有經(jīng)驗(yàn)的地質(zhì)工程師判斷工作面的地質(zhì)條件，仔細(xì)觀察后簽署意見(jiàn)，并由土木總工程師進(jìn)行審核確認(rèn)。確認(rèn)安全后其他人員方可進(jìn)入土艙執(zhí)行下一步作業(yè)；4 刀具檢查與處理方案確定由具有刀具管理經(jīng)驗(yàn)的機(jī)械工程師對(duì)刀具進(jìn)行檢查，做好記錄，并由機(jī)電總工程師進(jìn)行審核確認(rèn)，制定刀具處理方案。由土木工程師對(duì)工作面穩(wěn)定情況進(jìn)行進(jìn)一步判斷后，決定是否可進(jìn)行既定方案的刀具處理施工。進(jìn)行刀具處理的過(guò)程中，必須有一名土木工程師不間斷地對(duì)工作面穩(wěn)定情況進(jìn)行觀察；5 刀盤清理及艙門關(guān)閉確認(rèn)刀具處理完畢關(guān)閉艙門前對(duì)土艙及刀盤前方進(jìn)行全面的檢查，避免工具、雜物遺留在內(nèi)。檢查完畢由當(dāng)班班長(zhǎng)簽認(rèn)，負(fù)責(zé)機(jī)械工程師確認(rèn)，確認(rèn)