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面向多层多材质剪切对象的刀具设计及失效分析

发布者: 长相有问题 | 发布时间: 2021-2-19 08:05| 查看数: 42| 评论数: 0|帖子模式

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面向多层多材质剪切对象的刀具设计及失效分析
李海 1,2 龚金龙 1 王时龙 2 安然 1
1.重庆大学机械传动国家重点实验室 重庆 400044
2.中国原子能科学研究院 北京 102413
[摘 要]剪切机作为后处理技术的核心设备,剪切刀具是影响剪切机性能的核心部件,本文根据多层多材质的剪切对象,首先研究了剪切刀具设计的关键因素,通过剪切对比试验对关键因素进行分析和验证,并进行了刀具失效模式分析。
[关键词]多层多材质剪切对象;剪切刀具;失效模式

[size=1em]本文的剪切对象是多根燃料棒构成元件棒束,它由Al2O3陶瓷芯块和不锈钢包壳管构成。在元件棒束包覆在一个厚壁的不锈钢外套管,属于多层不锈钢和陶瓷的复合特性,剪切难度较大,对剪切刀具提出了较高的要求,剪切刀具要求有较高的强度性能和可靠性。

1 剪切刀具设计

[size=1em]根据之前的设计和试验经验,刀具安装在刀座上,将乏燃料元件切成若干段固定长度的短段,并要求短段具有一定的开口率。刀具的主要设计参数包括材料性能、刀宽a,刀尖角α,r1r2第一、第二刀前角,b棱边宽。刀具的刀刃在刀尖角处。

[size=1em]刀具材料——在切削过程中刀具要承受很大切削力与剧烈摩擦。因此,刀具材料应具备高硬度和高耐磨性、足够的强度与韧性以及高的耐热性。[1]刀具材料在足够的强度和韧性条件下,尽可能提高硬度和耐磨性。由于剪切对象的多层不锈钢和陶瓷复合特性,强度较高,并且剪切过程的冲击很大,因此要求刀具材料具有较高的强度和韧性,选择刀具材料时应注重刀具的强度和冲击韧性。刀具的硬度越好,其耐磨性越好。寿命越长。因此,剪切刀具选择高速工具钢材料,其抗弯强度可达到1.96-4.41GPa,冲击韧性可达0.098-0.588MJ/m2,硬度为HRA63-70。硬质合金的硬度可达HRA89-92,耐磨性能很好,但其冲击韧性和强度较差,在剪切过程中刀具受冲击较大,用硬质合金刀具容易发生崩刃现象。

[size=1em]刀宽a——刀宽决定了刀具可承受的最大切削力,在剪切过程中刀具承受正向的剪切冲击力F1,同时还承受侧向分力F2,在两向分力的作用下刀具会发生压缩和弯曲形变,只有足够的刀宽a才能抵抗形变。刀宽a可根据材料的抗弯强度计算进行设计。刀具安装时,刀具的背刀面与刀座贴合在一起,要注意刀具和刀座安装面的平行度和粗糙度加工,保证安装面充分贴合,才能抵抗刀具切削力。

[size=1em]刀尖角α——刀尖角决定了刀具的主要形状,刀具为尖角形式。刀尖角越小,元件剪切时,刀刃首先与元件的接触面积很小,产生的剪切力较小;刀尖角为180°平角时,元件与刀刃接触面积大,需要的剪切力也大。通用剪切机的剪切对象多为单层厚壁的板材或者棒材,材料组织均匀,采用刀尖角较小的刀具会很容易发生刀尖折弯现象,所以刀具的刀尖角大多为平角。但乏燃料元件为多层不锈钢和陶瓷芯块结构,不锈钢为薄壁材料,陶瓷芯块属于易剪切材料,可实现分层剪切,使用尖角刀具可以先将单棒切断。剪切时刀尖先切入元件,实现分层剪切。但由于剪切时尖角处会发生应力集中现象,会加剧刀具的磨损。因此,刀尖角不能设置的过小,设置为100°、140°和180°。根据之前的剪切试验数据,随刀尖角增大,剪切力也呈现线性增大趋势,最大剪切力相差约20吨左右。此外,刀刃的尖角处还应进行修圆处理,增加刀具寿命[2]。

[size=1em]第一、二刀前角r1r2——第一刀前角决定了刀刃的形状,较大的刀前角使得刀刃锋利,剪切短段遇到的阻力变小,可减小剪切力。但过大的刀前角使得刀具的刚性和强度差,刀具磨损和破损严重,刀具寿命低。对于元件剪切的这种形式,刀前角应小,增加抗冲击性能,选择范围在0-8°。第一刀前角r1和棱边宽b构成了刀刃,在剪切过程中,刀刃完全压入元件中。第二刀前角不应取较大值,否则刀刃强度过弱,容易折断,第二刀前角r2选择要考虑剪切冲击力F1和侧向分力F2的联合作用,保证刀刃有足够的强度,一般取15-20°。

[size=1em]棱边宽b——第一刀前角r1和棱边宽b构成了刀刃,在剪切过程中,刀刃完全压入元件中。较小的棱边宽可使刀刃锋利,可减小剪切力,但刀具磨损会加剧。根据之前的剪切试验数据,棱边宽5mm、10mm、15mm的剪切力分别约相差8吨、6吨。为了提高刀具寿命,在剪切机能力允许的情况下,适当增加棱边宽b。

[size=1em]在剪切刀具设计时,应首先分析刀具的受力情况,根据刀具的应力水平和刀具材料耐磨损性能综合评估,选取刀宽a、刀尖角α、棱边宽b、第一、二刀前角r1r2等参数。

2 剪切刀具失效模式

[size=1em]剪切乏燃料元件的主要工作过程分为4个阶段:①剪切刀具接近乏燃料元件,乏燃料元件在剪切力F作用下发生压缩,并产生变形。因为乏燃料元件棒与棒之间都有一定间隙,所以在剪切力F作用下可以挤压变形,直到元件棒束被完全压紧。②刀具继续往前推进,刀刃深压入元件,剪切力F继续增大,当剪切力F超过元件截面可承受最大剪切力γbS时,与刀具接触的第1排元件就会发生纯剪切断裂。③剪切刀具继续推进,刀具继续剪切剩余的几排组件。此时,剪切刀具的背刀面与被压紧的剩余元件段发生接触,产生摩擦阻力使背刀面发生磨损。④乏燃料元件被完全切断,剪切刀具回退,在回退过程中背刀面始终与剩余元件段接触,使背刀面发生磨损。

[size=1em]在剪切过程中,背刀面磨损是最主要的刀具失效模式,背刀面存在大量的沟槽划痕。由于元件剪切的断口有大量的陶瓷硬质颗粒,它们的硬度非常高,这些颗粒在侧向分力的作用下嵌入背刀面内,经过长期磨损后,使得刀具表面形成很深的沟槽,使得刀间隙变宽。除了陶瓷颗粒外,还有不锈钢包壳管等也会对背刀面发生磨损。由于这种磨损机理是非常复杂的过程,通过理论应力分析磨损存在很大的困难,应该通过试验方法研究刀面磨损机理[3]。

3 结语

[size=1em](1)乏燃料元件的剪切刀具设计与传统剪切机有所不同,多层不锈钢和陶瓷的复合特性要求刀具应有良好的耐磨性能,在保证有足够冲击韧性的前提下,应采用耐磨性能较好的硬质合金。

[size=1em](2)由于剪切对象为多层不锈钢,具有较高的强度和韧性,刀具形状应有一定的刀尖角α增加破坏能力,根据试验可得α选用100°可以明显降低剪切力。

[size=1em](3)由于剪切机的使用环境十分恶劣,刀具形状设计应具备足够的强度,第一、二刀前角r1r2和棱边宽b设计应留有足够余量,以增加刀具寿命。

[size=1em](4)乏燃料元件的剪切刀具主要失效模式为刀刃崩断、刀刃磨钝和背刀面磨损,针对不同的失效模式应设计专门的试验方案进行验证。

[size=1em]参考文献:

[size=1em][1]王晓辉,王立凯,常亮,等.支持强度分析的轻量级材料数据库的设计与开发[J].计算机应用与软件,2019, 036(002):93-97,199.

[size=1em][2]汤纪南.多层陶瓷外壳的失效分析和可靠性设计[J].电子与封装,2006(10):22-26.

[size=1em][3]王昆,邹树梁,唐德文.剪切机刀具失效分析研究[J].机械工程与自动化,2013(003):111-112.



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