【推荐】复合式刀盘刀具磨损的分析2.doc

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1、第一章 盾 构 机 刀 具 磨 损 地 分 析1第二章 常见切削刀具材料的磨损现象及原因分析8第三章 盾构刀具磨损14第四章 刀具使用维护及更换17第五章 盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速度的影响21第一章 盾 构 机 刀 具 磨 损 地 分 析概述：土压平衡盾构机的刀盘根据地质条件的不同一般分软土和硬岩两种刀盘布置形式,软土区刀盘的布置形式是以齿刀为主辅以边缘滚刀和刮刀，硬岩刀盘的布置形式是以滚刀为主辅以刮刀。刀具是盾构机的一个非常重要的组成部分，对刀具地合理选择、使用 、维护和更换，直接决定盾构掘进工程的质量、进度和工程成本。所以对盾构机刀具磨损情况地分析尤为必要。刀具的结构和切

2、削机理：21刮刀刮刀用来切削各种砂土、粘土等较松散的地层及全风化岩层等其它未固结的土体，刮刀上装有碳化钨刀刃，目的是为了更好的防止掘进过程中产生的磨损。22齿刀用来先行松散各种砂砾层、粘土层及全风化层，使其固结性能变差，然后由刮刀将其刮掉。23滚刀滚刀在推力的作用下贯入岩层，同时在开挖面岩石阻力的作用下随刀盘做同心圆滚动，岩石被挤压，形成挤压切槽，并在小半径范围内将挤压裂纹延伸到周围的岩石，最终在刀盘推力作用下挤压切槽两边的岩石呈片状破碎。滚刀于对各种强、中、微风化岩进行挤压破碎，滚刀安装在刀盘的刀座上，这些刀座也可以安装焊接在特殊支架上的齿刀。滚刀设计最大破岩能力为80Mpa，广州地铁三号线

3、客大区间岩石的最大单轴抗压强度为62.3Mpa。24边缘刮刀用来校准盾构的开挖直径。25超挖刀用于盾构曲线施工时的超挖及盾构姿态的调整，由液压油缸操纵伸缩，其行程为0100mm(各级分别为626062806300632063406360)。不同地质条件刀具的选择：31刀盘布局盾构机刀盘分为三个区域：中心区、正面区和边缘区。311中心区该区是刀盘布局的关键，既要考虑对砂土、粘土和较为破碎岩层的开挖和出土的适应性，又要兼顾到整个区间围岩的强度，因此该区采用齿刀和滚刀可以互换的方案，刀座设计成既可以安装齿刀，又可以安装滚刀，而且设计成背装式，即可以在刀盘后面对刀具进行更换。该区布置有6把双刃滚刀（或

4、6把双刃齿刀），硬岩用滚刀，软土用齿刀。6把双刃滚刀的刀间距为180mm.。312正面区该区采用刮刀与双刃滚刀（或单刃齿刀）组合的布局方式，共设64把刮刀和8把双刃滚刀（或单刃齿刀），刮刀在刀盘的四个方向分两列布置，其宽度使得每把刀的切割轨迹有所重叠，可使开挖土体清除干净。滚刀安装高度超刮刀高度35mm，双刃滚刀和单刃齿刀可以互换，硬岩用滚刀，软土用齿刀。313边缘区该区设置了5把双刃滚刀、8把边缘刮刀和1把超挖刀。双刃滚刀用于对该区围岩的破坏，边缘刮刀用来校准洞径的尺寸，超挖刀则是用于盾构曲线施工和盾构姿态调整。在开挖时，刀盘边缘的线速度较高，磨损快，故而配置了8把边缘刮刀、5把双刃滚刀，且

5、滚刀也因为刀盘在旋转时相对于中心区和正面区而言，滚动范围大，因而刀具布置较密，刀间距较中心区刀间距小，刀间距为100mm。该5把滚刀一般不因地质情况的变化而更换，硬岩和软土都采用。32软土区刀具布置刮刀64把、双刃齿刀6把、单刃齿刀8把、双刃滚刀5把、边缘刮刀8把和超挖刀1把。33硬岩区刀具布置刮刀64把、双刃滚刀19把、边缘刮刀8把和超挖刀1把。双刃滚刀刀具的磨损及原因：41正常磨损 刀具的正常磨损是指刀圈的磨损量超过了规定值，磨损量可用专用的量具进行测量。2刀圈偏磨如果滚刀在掘进工作面不转动，由于刀圈和掘进工作面的相对运动就会形成刀圈的偏磨。由于中心区滚刀线速度较小，承受载荷较大，中心区滚

6、刀容易出现此现象。3刀圈断裂推力过大或刀圈在比较硬的岩石上滚动就有可能使刀圈断裂，若一个刀圈有两处断裂，断裂的部分刀圈就有可能掉到土舱。边缘滚刀和正面区滚刀经常有此现象。44表面缺陷如果有金属或其它坚硬物损坏了刀圈的局部表面，刀圈局部表面就会形成表面缺陷。5环幅式磨损如果刀圈的工作面和掘进工作面充分接触摩擦，就会形成环幅式磨损。46刀圈挡圈磨损或脱落挡圈是由两个半圆的钢环安装在滚刀轴的卡槽里焊接成一个完整的圆环，其作用是防止刀圈从滚刀轴上脱落，一旦刀圈挡圈脱落或焊接处磨损严重，就应该更换刀具。47滚刀漏油由于密封件的损坏，就可能使密封油泄漏，从而导致油封座和轮毂的损坏。48刀体损坏整个刀体包括

7、轴承及轴都已严重磨损，没有可重新利用的部件。这是由于刀圈偏磨后没有及时得到检查更换所致。49轮毂磨损刀盘和渣土不间断的摩擦，使得滚刀轮毂也发生严重磨损410油封座损坏由于漏油使得油封座损坏411轮毂或油封座损坏刀圈如果在金属物（掉了的刀圈或螺帽）上滚动，轮毂或油封座有可能被卡住，就会妨碍刀圈绕着滚刀中心轴自由转动。412滚刀的多边形磨损在掘进时滚刀时转时不转，或者在某个点转动时间长在其它点转动时间短，就会产生这样的磨损。齿刀、正面区刮刀和边缘区刮刀的磨损及原因51齿刀磨损正常磨损：齿刀切削土层和砂砾层所形成的磨损。异常磨损：由于换刀不及时在硬岩区的磨损。52正面区刮刀磨损正常磨损：刮刀刮削土层

8、、砂砾层和被滚刀挤碎的岩层时所形成的磨损。异常磨损：由于滚刀刀圈掉落，在刀盘同一圆周上的刮刀就直接承受掘进工作面的载荷，刮刀和掘进工作面的相对摩擦，就导致刮刀严重偏磨。53边缘区刮刀正常磨损： 刮削土层、砂砾层和边缘滚刀挤压后的岩层时所形成的磨损。异常磨损：由于边缘滚刀刀圈掉落或者边缘滚刀磨损量严重超限，边缘滚刀开挖掘进工作面的径向尺寸小于边缘刮刀的径向尺寸，边缘刮刀被迫直接挤压在掘进工作面上运动，导致刀具磨损。预防刀具异常磨损的措施61择择合理的掘进参数掘进参数包括掘进推力、刀盘转速、扭矩、推进速度、切削量等，影响刀具磨损的最直接参数是掘进推力，推力的大小直接决定了刀具所承受的载荷。推力过大

9、，虽然短期内掘进速度很快，但长时间刀盘刀具所承受的载荷也比较大，过大的载荷会使滚刀轴承受挤压产生变形，继而影响滚刀的自转最终造成滚刀刀圈的偏磨或断裂。一般在岩石中风化带岩石微风化带地层最大的推力不要超过1000ton。刀盘转速也是影响刀具磨损的另一个主要因素，过大的刀盘转速在硬岩地层会造成盾构机振动颠簸，加剧刀具的磨损。一般在硬岩地层刀盘转速设置为1。5rpm为合适值。62根据不同的地层选择不同的刀具根据地质资料和对出土情况的判断来确定刀具的更换，特别是两种地层的交界处。从岩石强风化带向岩石中风化带岩石微风化带地层转换,如不能及时将齿刀更换为滚刀，就会很快加剧齿刀地磨损；从硬岩地层向软土地层转

10、换，如不及时将滚刀换回齿刀，也有可能出现滚刀偏磨的现象。63定期对刀具进行检查在硬岩区地层中，如果出现推力过大推进速度小扭矩也偏小，盾构机姿态纠正很难的现象时，就要考虑刀具是否磨损严重，安排开舱检查刀具。如果连续出现刀盘或螺旋输送机被卡住、驱动电机熄火的现象时，应立即停机进行检查。一般要在不超过二十环时对刀具进行一次检查，检查看是否有刀圈磨损超限、刀圈断裂、刀圈变形、固定刀圈的螺帽是否松动或掉落、刀座是否有裂纹等，如果一旦发现应立即采取补救措施。软土区在掘进100环时要对刀具进行一次检查。64盾构机姿态应保持正常姿态在硬岩地层如果不断的调整盾构机姿态就会使滚刀受力不均匀，在某个方向上过大的推力

11、有可能导致滚刀变形。65在硬岩地层绝不可只片面追求进度，应该在保证刀盘和刀具不被严重磨损的前提下安排生产进度，必要时应该进行限产。为了一时的进度而忽视刀具的例行检查是得不偿失的。66更换刀圈后的刀具要进行扭矩试验，根据不同的地质条件和岩石强度进行扭矩调整。67在硬岩地层注意观察螺旋输送机出渣情况，如果出渣不是均匀的碎片石，而是伴有大块的石头出现，就可能有滚刀刀圈掉落，要立即停机检查。刀具磨损量检查及更换原则1在硬岩区，边缘滚刀磨损量推荐值为1015mm，正面区为15mm20mm，中心区为25mm。刀具正常磨损量超过规定值就应进行更换，如果有条件最好整盘刀具全部更换；72检查中如发现个别刀具有异

12、常磨损或损坏，应优先将原来换下的没有超过规定磨损量且已经进行过维护的旧刀具换上，而不要换上新刀具。3一定要确保整个刀盘所换刀具的磨损量尽可能达到最大值，使得刀具能够掘进尽可能多的环数。地层正面区双刃滚刀正常磨损情况下可掘进100环左右。74刀具要勤检查，少更换；更要避免长时间停机换刀。8刀具的维护和修复81边缘滚刀（正面滚刀）的维护和修复根据更换的边缘滚刀（正面滚刀）的磨损情况和使用记录，来确定滚刀的维护和修复方案。如果刀圈磨损量没有超过25mm，可先检查滚刀密封油是否足够，如密封油不够就应添加；用锯条将滚刀端盖和轴承缝之间的碎石泥土清理干净并检查油封及油封座是否完好，如有损坏应换新或修复。如

13、刀圈磨损量超过25mm，就应割掉刀圈，重新换上新刀圈；同时也要检查密封油、油封和油封座，并根据检查情况进行维护。82中心区滚刀的维护和修复中心区滚刀修复的方法和边缘滚刀基本相同，由于其结构和边缘区滚刀结构不同，其工艺程序比较复杂。83正面区刮刀和边缘刮刀的维护和修复正面区刮刀磨损量不大可采用在其旧刀的基础上堆焊耐磨焊丝和“嫁接”旧的刮刀等方法进行修复；如磨损量过大可换新刀，国内有替代品。边缘刮刀磨损量不大可采用在其旧刀基础上堆焊耐磨焊丝的方法；磨损量过大换新刀。4齿刀的维护和修复一般正常使用齿刀磨损量不大。由于齿刀构造比较复杂，如果一旦磨损采用在磨损的刀座上涂焊耐磨焊丝的方法效果也比较好；如果

14、磨损量比较大，就只能换新。 9关于刀具国产化的几点建议由于刀具是易损件，消耗量大，如果只是依靠进口刀具不仅供货期长，而且成本高，所以使用国产刀具势在必行。国内最近几年也有些公司着手开发盾构机刀具，象洛阳九九公司生产的滚刀刀圈完全能满足一般地质条件的盾构掘进。不足的是我们现在只能是简单的更换滚刀刀圈，由于资料的缺乏、试验设备的落后和对刀具研究的不深入，对于更换刀圈后重新组装的滚刀刀具，其扭矩调整还不能够进行调试（国外公司可以做到根据不同地质条件的强度来调整每把滚刀的扭矩）；滚刀密封件质量不高；中心滚刀支架、齿刀和边缘刮刀国内尚无人问津开发等直接影响着盾构机刀具国产化的推广应用，这些都需要我们进一

15、步的探讨研究。10结论总之，只要我们严格按照盾构机操作规程进行操作，科学客观地加强对盾构机刀具使用、检查和维护的管理力度，减少刀具不必要的异常磨损和损坏，潜心研究大力推广盾构机刀具国产化的应用，刀具磨损和损坏给盾构掘进造成的成本增加就会大大降低，盾构工程就会有更大的利润空间可挖掘。第二章 常见切削刀具材料的磨损现象及原因分析1引言从20世纪80年代开始，由于数控机床的主轴、进给系统等功能部件设计制造技术的突破，数控机床的主轴转速和进给速度均大幅度提高，在现代制造技术全面进步的推动下，切削加工技术开始进入高速切削的新阶段。目前，高速切削已在模具、航空、汽车等制造业领域得到了大量应用，产生了显著的

16、经济效益，并正向其它应用领域拓展。 高速切削加工对刀具提出了一系列新的要求。研究表明，高速切削时，造成刀具损坏的主要原因是在切削力和切削温度作用下因机械摩擦、粘结、化学磨损、崩刃、破碎以及塑性变形等的引起的磨损和破损。因此，对高速切削刀具材料最主要的性能要求是耐热性、耐磨性、化学稳定性、抗热震性以及抗涂层破裂性能等。陶瓷、CBN、PCD、金属陶瓷等刀具材料具有良好的耐热性和耐磨性，当其韧性得到改善后，非常适合用于高速切削。先进涂层技术的发展进一步改善了刀具材料的性能。目前，新型涂层材料和涂层工艺的开发方兴未艾，预示着涂层刀具在高速切削领域将有巨大发展潜力和广阔应用前景。本文对高速切削加工时陶瓷

17、刀具、立方氮化硼刀具、金刚石刀具、金属陶瓷刀具和涂层刀具的磨损机理进行了综合评述，对刀具的磨损形态和磨损寿命进行了分析，这些研究将有益于实际生产加工中对高速切削刀具的合理选用与磨损控制。 2高速切削刀具的磨损形态 高速切削时，刀具的主要磨损形态为后刀面磨损、微崩刃、边界磨损、片状剥落、前刀面月牙洼磨损、塑性变形等。 后刀面磨损是高速切削刀具最经常发生的磨损形式，可看作是刀具的正常磨损。后刀面磨损带宽度的加大会使刀具丧失切削性能，在高速切削时常采用后刀面上均匀磨损区宽度VB值作为刀具的磨损极限。 微崩刃是在刀具切削刃上产生的微小缺口，常发生在断续高速切削时，通过选用韧性好的刀具材料、减小进给量、

18、改变刀具主偏角以增加稳定性等措施，均可减小微崩刃的发生概率。通常只要将刀具微崩刃的大小控制在磨损限度以内，刀具仍可继续切削。边界磨损发生在刀具后刀面的刀?工接触边缘处，形状通常为一狭长沟槽，因此也称为沟槽磨损。高速切削不锈钢、高温合金（如Inconel718）时刀具容易发生边界磨损，其原因是工件表面的加工硬化使刀? 工接触边界的工件材料硬度最高。加工外圆时，刀?工接触边界的切削速度最高，因此也容易形成边界磨损。此外，用陶瓷刀具高速切削铸铁时也容易发生边界磨损。 片状剥落多发生在刀具的前、后刀面上，其原因是刀?屑或刀?工接触区的接触疲劳或热应力疲劳所致。当剥落很小时，被认为是磨损；但在很多情况下

19、，由于疲劳裂纹源距刀具表面具有一定深度，裂纹扩展后所形成的剥落块往往大于刀具的磨损限度，一旦发生剥落，即可使刀具失效，形成剥落破损。陶瓷刀具端铣钢和铸铁时，前刀面上经常出现贝壳状剥落；涂层刀具因涂层材料与基体材料粘结强度不够也易发生剥落。 前刀面月牙洼磨损最常出现在塑性金属的高速切削加工中。塑性变形多发生在切削温度较高而刀具红硬性较差的切削条件下，超硬刀具材料在切削速度很高时也可能发生塑性变形现象。3高速切削刀具的磨损机理 在高速切削加工中，与普通切削加工类似，也存在两个摩擦副：前刀面与切屑间的摩擦副和后刀面与已加工表面间的摩擦副。其中，前者影响刀具前刀面的磨损，后者影响刀具后刀面的磨损，前、

20、后刀面的磨损均影响刀具寿命。但与普通切削相比，高速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触频率增加，切削过程中产生的热量更多向刀具传递，因此其磨损机理与普通切削有很大区别。 （1）陶瓷刀具 陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高温力学性能优良、化学稳定性好、不易与金属发生粘结等特点。陶瓷刀具的最佳切削速度通常可比硬质合金刀具高310倍，适用于高速切削钢、铸铁及其合金等。陶瓷刀具用于高速切削时，切削温度可高达8001000甚至更高，切削压力也很大。因此，陶瓷刀具的磨损是机械磨损与化学磨损综合作用的结果，其磨损机制主要包括磨料磨损、粘结磨损、化学反应、扩散磨损、氧化磨损等。陶瓷刀具的磨损与切削条件密切相关，

21、在高速切削时以高温引起的粘结磨损、化学反应、氧化磨损和扩散磨损为主。Al2O3基陶瓷刀具在连续高速切削钢件时，其磨损机制主要为伴有微崩刃的磨料磨损和粘结磨损；而在高速切削铸铁时，磨损机制主要为磨料磨损。 用Al2O3/SiCw陶瓷刀具高速加工Inconel718高温合金时，刀具的主要磨损机制为粘结磨损、化学反应和扩散磨损，因此用 Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel718时必须使用切削液（含氯化石蜡的切削液效果更好）。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN 陶瓷刀具加工AISI4337钢时，前刀面与后刀面的磨损机理有所不同：化学反应及塑性变形是前刀面磨损的主要原因；后刀面的磨损

22、机理则是陶瓷颗粒间发生断裂，导致陶瓷颗粒脱落所致。Al2O3/TiB2陶瓷刀具加工高强钢和淬硬钢时具有较好的耐磨性，且刀具的耐磨性能随着TiB2含量的增加而增强。 Al2O3基陶瓷刀具在高速切削时，刀具表层有时会发生塑性变形现象，这是由于Al2O3与FeO（钢表面氧化产物）或MgO（陶瓷添加剂）反应形成了尖晶石结构，或者是Al2O3与SiO2、CaO作用形成了低熔点、低硬度的化合物。 Si3N4基陶瓷刀具高速切削铸铁时的主要磨损机制为化学磨损。虽然化学磨损本身在陶瓷刀具的总磨损量中所占比例一般并不大，但化学作用可使机械磨损的程度大大加剧，如化学溶解及扩散作用会引起陶瓷表面强度减弱，加剧刀具与工

23、件间的粘结，从而导致严重的粘结磨损和微观断裂磨损。切削钢件时，Si3N4陶瓷刀具的磨损主要与刀具和工件间的化学作用有关，由于Si3N4颗粒的化学溶解及不断被从玻璃相中拔出，使Si3N4陶瓷刀具表现出很高的磨损率。 Si3N4陶瓷刀具高速切削钢件时的高磨损率主要可归因于以下两种因素：Si3N4氧化而在刀具表面形成的SiO2层不断被磨去；SiO2与工件表面的FeO形成低熔点的共晶混合物。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）则是由CBN微粉与少量粘结相（Co，Ni或TiC、TiN、Al2O3）在高温高压下烧结而成。PCBN 组织中各微小晶粒呈无序排列状

24、态，因此PCBN硬度均匀，无方向性，具有一致的耐磨性和抗冲击性，并有很高的硬度和耐热性（13001500）、优良的化学稳定性和导热性以及低摩擦系数，而且PCBN与Fe族元素亲和性很低，因此它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。PCBN的CBN含量、晶粒尺寸、粘结相等均会影响其性能：CBN含量越高，PCBN的硬度和导热性也越高；CBN晶粒尺寸越大，其抗破损性越弱，刀刃锋利性越差；采用金属材料Co、 Ni作为粘结相时，PCBN有较好的韧性和导电性，采用陶瓷材料作为粘结相时则具有较好的热稳定性。PCBN刀具高速切削铸铁时主要发生化学磨损，导致前刀面出现月牙洼磨损。试验证明，通过改变CBN含量和刀具几

25、何参数，以降低切削温度和减小刀?屑接触长度（时间），可减小化学磨损速率，避免前刀面月牙洼磨损。一般认为，CBN刀具的磨损是由于切削过程中的高温、高压、切屑与前刀面间的摩擦以及工件材料中有关化学元素与之发生粘结、亲和而引起的，即其磨损机制主要包括：氧化磨损和相变磨损。CBN刀具高速切削时的平均切削温度可达10001200，在此高温下，即使在常压和空气气氛中也足以使 CBN刀具刀尖区产生氧化、放氮甚至相变。而CBN刀具一经氧化和相变即会丧失其切削能力。粘结磨损。在一定压力和高温条件下，刀尖与被加工材料接触区随着切屑不断流出，双方均不断裸露出新的表面。尽管CBN对Fe族元素有较高化学惰性，但对其它元

26、素并非如此，当条件适合时，会使CBN活性增加、惰性降低，随着与合金元素的亲和倾向不断增加，将导致出现粘结磨损。这种磨损一般表现为微粒脱落，当刀尖区温度高达1200左右时，局部CBN颗粒将呈现“半熔化”状态，从而使粘结磨损大大加剧。摩擦磨损。工件与刀具之间的高速相对运动会使CBN刀具发生摩擦磨损。颗粒剥落与微崩刃。由于CBN刀具是由无数细小的CBN颗粒构成，颗粒之间呈晶界间的精细裂纹连接，且存在不均匀的内应力，因此当高温切屑流摩擦刮研CBN刀尖时，会因工件材料硬度不均或存在硬质点所产生的微冲击而造成CBN颗粒脱落或产生微崩刃。 造成CBN刀具磨损的上述多种因素并非只是独立存在、单独作用，而是相互

27、影响、共同加剧，如氧化磨损和相变磨损必然伴随着粘结磨损，并出现摩擦磨损、剥落磨损和微崩磨损。（3）金刚石刀具 金刚石材料可分为天然金刚石和人造金刚石。天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数。近年来开发的多种采用化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气氛钎焊金刚石技术使天然金刚石刀具的制造变得相对容易，从而使天然金刚石刀具在超精密镜面切削领域得到广泛应用。20世纪50年代实现了利用高温高压技术人工合成金刚石粉后，70年代制造出了金刚石基的切削刀具即聚晶金刚石（PCD）刀具。PCD晶粒呈无序排列状态，不具方向性，因而硬度均匀。PCD刀具具有高硬度（800012000HV）、高导热性、低热胀系数

28、、高弹性模量和低摩擦系数，刀刃非常锋利，可高速切削加工各种有色金属和耐磨性极强的高性能非金属材料，如铝、铜、镁及其合金、硬质合金、纤维增塑材料、金属基复合材料、木材复合材料等。目前正在研究和开发的化学气相沉积（CVD）金刚石主要有两种形式：一种是在基体上沉积厚度小于30m的薄层膜（CVD薄膜）；另一种是沉积厚度达1mm的无衬底金刚石厚层膜（CVD厚膜）。三种主要的金刚石刀具材料?PCD、CVD厚膜和人工合成单晶金刚石的性能比较结果为：PCD的焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高，抗磨损性和刃口质量居中，抗腐蚀性最差；CVD厚膜的抗腐蚀性最好，机械磨削性、刃口质量、断裂韧性和抗磨损性居中，可焊接性最

29、差；人工合成单晶金刚石的刃口质量、抗磨损性和抗腐蚀性最好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性最差。目前，金刚石刀具是高速切削（25005000m/min）铝合金较理想的刀具材料，但在高速切削钢铁及其合金时却磨损较快，其磨损机理主要是由于碳与铁具有较大亲和作用，尤其在高温下金刚石易与铁发生化学反应，因此它不适于切削钢铁及其合金材料。 （4）金属陶瓷刀具 金属陶瓷（即TiC（N）基硬质合金）的主要成分为TiC（碳化钛）、TiN（氮化钛）和TiCN（碳氮化钛）等。TiC（N）基硬质合金包括具有高耐磨性的TiC+Ni（或Mo）合金、具有高韧性的TiC+WC+TaC+Co合金、以TiN为主体的强韧合金和TiC

30、N+NbC高强韧合金等。与WC硬质合金相比，金属陶瓷的硬度、强度、韧性、抗塑性变形和抗崩刃性能等均有显著改善，尤其是高温强度、高温硬度、导热性、抗氧化性和抗热震性能得到提高，与钢的亲和力小，摩擦系数小，抗月牙洼磨损和抗粘结能力强，现已发展成为独立系列的一类刀具材料。近年来开发的高氮含量、具有均匀微细硬质组织的TiC（N）基硬质合金具有良好的抗磨损性能和抗崩刃性，适于在200400m/min的高速下切削普通钢和合金钢，也可用于铸铁的精加工。由于TiC的抗粘结、抗扩散性能较好，所以耐磨性好，但抗塑性变形能力较差，在对高硬材料进行高速切削时常因刀刃的塑性变形而导致刀刃损坏。5）涂层刀具 涂层刀具具有

31、很强的抗氧化性能和抗粘结性能，因而具有良好的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。涂层的摩擦系数较低，能有效降低切削时的切削力及切削温度，因而可大大提高刀具耐用度。TiC涂层的硬度高、耐磨性好，适用于可能产生剧烈磨损的刀具；TiN涂层与被切削金属的亲和力小、润湿性好、抗氧化性强，适用于容易发生粘结磨损的刀具；Al2O3涂层在高温下具有良好的热稳定性，适用于高速切削时产生大量切削热的刀具。目前应用较广泛的主要是在硬质合金和高速钢刀体上涂覆不同的氮化物、氧化物和硼化物等，其中氧化铝（Al2O3）、碳氮化钛（TiCN）、氮化铝钛（TiAlN）、碳氮化铝钛（TiAl-CN）等涂层具有优异的高温性能。WC基、TiC

32、（N）基硬质合金和陶瓷等材料都可作为涂层刀具的基体。 涂层技术发展很快，目前已从单涂层发展为多涂层。应用较广泛的涂层工艺有化学气相沉积法（CVD法）和物理气相沉积法（PVD法）。PVD法主要用于高速钢刀具涂层；CVD法和PVD法均可用于硬质合金刀具涂层。PVD法涂层的硬质合金刀具有较好的抗破损性能，适于断续切削，但耐磨性不如CVD法涂层的硬质合金刀具。目前适用于高速切削的硬质合金涂层刀具的涂层物质主要有采用CVD法的TiCN+Al2O3+TiN、TiCN+Al2O3、TiCN+ Al2O3+HfN、TiN+Al2O3、TiCN等和采用PVD法的TiAlN/TiN复合涂层、TiAlN等。选用不同

33、涂层物质的硬质合金涂层刀具可以200400m/min的切削速度加工钢、合金钢、不锈钢、铸铁、合金铸铁等。近年来开发的氮化碳（CNx）和其它氮化物（TiN/NbN、TiN/VN等）涂层在高温下具有良好的热稳定性，适合于高速切削。 日本近年开发的纳米TiN/AlN复合涂层铣刀片的涂层层数达2000层，每层厚度为2.5nm，可在高速下进行切削。涂层刀具用于高速切削时，由于切削温度较高，可使涂层与基体的结合强度削弱，容易产生剥落、崩碎等损伤。 4高速切削刀具的磨损寿命 高速切削时，应根据加工方法和加工要求确定合理的刀具磨损寿命（极限）。影响高速切削刀具磨损寿命的因素较多，如工件材料与刀具材料的匹配、切

34、削方式、刀具几何形状、切削用量、冷却液、振动等对刀具磨损寿命都有显著影响，其影响规律与具体切削条件有关，应通过切削试验来确定各相关因素对刀具磨损寿命的影响效应。下面给出几个高速切削加工实例及相应的刀具磨损寿命。（1）铸铁的高速切削加工 在铸铁的高速切削加工中，正确选择刀具材料是提高加工效率的关键。适用于高速切削铸铁零件的刀具材料主要有超细晶粒硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和涂层刀具等。陶瓷刀具是高速切削铸铁的理想刀具之一，其价格比PCBN刀具低廉得多，其高速切削铸铁的切削性能则远远优于硬质合金刀具。用Sialon 陶瓷刀具和Si3N4陶瓷刀具车削和铣削普通铸铁时，在相同切削条件下，Sia

35、lon陶瓷刀具车削时的磨损量较小，而Si3N4陶瓷刀具铣削时的磨损量较小。这说明Sialon陶瓷刀具适用于高速连续切削，而Si3N4陶瓷刀具适用于高速断续切削。 （2）淬硬钢的高速切削加工 在相同切削条件下（切削进给量0.1mm/r，切削深度0.2mm，刀具磨钝标准VB=0.2mm）分别采用P10硬质合金刀具、陶瓷刀具和CBN刀具加工AISI4340工件材料（硬度60HRC）时，硬质合金刀具的工作寿命最低，这是由于工件材料硬度很高，导致加工时的切削力和切削温度较高，造成硬质合金刀具迅速磨损、剥离乃至断裂破损。陶瓷刀具和CBN刀具的工作寿命随着切削速度的提高而增加，当达到最大临界值后则开始降低。

36、出现这一现象的原因可能是当切削速度增加时，刀具粘结层厚度增加，形成一层保护膜，有利于减小刀具磨损，从而提高了刀具寿命；但当切削速度进一步提高时，刀具表面层将变软，容易被工件材料中的硬质点磨耗掉，从而加剧了刀具磨损，造成刀具寿命迅速降低。（3）镍基合金的高速切削加工 选用Si3N4陶瓷刀具和Si3N4-TiC陶瓷刀具（刀具几何参数分别为-5，-6；5，6；15，15；0.8mm）高速车削镍基合金 Inconel718工件（直径150mm，硬度440HV）。切削进给量0.19mm/r，切削深度0.5mm，切削速度30300m/min，使用水基冷却液（冷却速度4l/min）。由Si3N4陶瓷刀具的磨

37、损形态和磨损量在切削长度为50m时与切削速度的关系可见，边界磨损量VN的变化较为独特：当切削速度较低时，VN随切削速度的增加而减小；当切削速度超过100m/min时，VN则随切削速度的增加而增大；当切削速度超过150m/min 时，VN又随切削速度的增加而减小。后刀面磨损量VB在整个切削速度范围内均小于边界磨损量VN。用添加了TiC的Si3N4-TiC陶瓷刀具加工Inconel718时，由刀具的磨损形态和磨损量与切削速度的关系可见，刀具的磨损形态和磨损规律与Si3N4陶瓷刀具非常相似，但磨损量小于 Si3N4陶瓷刀具。 对于高速切削刀具，除应考虑其静态特性外，还应考虑其动态特性。随着刀具悬伸量

38、的不同，可能使刀具系统（刀柄?刀体?刀片等）的固有频率与因每个刀齿切削不均产生的刀齿宽频带激振的频率（或其谐波分量）一致，从而产生颤振，引起刀具剧烈磨损，甚至发生破损。 5结语 本文对高速切削加工时陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、金刚石刀具、金属陶瓷刀具和涂层刀具的磨损形态和磨损机理进行了综合评述。不同种类的刀具材料高速切削加工不同的工件材料时，其磨损形态和磨损机理也各不相同。对影响高速切削刀具磨损寿命的因素进行了综合分析，研究结论对实际加工中高速切削刀具的合理选用及磨损控制具有指导、参考和借鉴作用。第三章 盾构刀具磨损 根据北京地区地层中含有大量砂卵石的特点，对盾构刀具磨损进行了失效分析，发现其失

39、效原因主要是冲击和高应力磨粒磨损。针对盾构机刀具的再制造，开发了一种堆焊药芯焊丝北京固本耐磨焊丝。再制造刀具的刃口堆焊层无裂纹，堆焊层硬度：HRC60-62无裂纹。再制造刀具的寿命高于进口刀具。 盾构刀具形式按照工程地质条件和施工控制要求，可分为面板式和辐条式。北京地区目前地铁隧道施工中应用的是辐条式1,2，见图 1。文中主要是针对盾构机周边刀失效及其修复再制造进行究。周边刀（见图 2）的刀体是德国产钢号为 St523 的钢材2，其性能相当于国产的低碳钢 Q235。刃口为堆焊层，堆焊层内钎焊有球齿，球齿材料为硬质合金。1 盾构机刀具的失效分析 北京地铁五号线盾构试验段属于砂卵石地层，沙砾含量大

40、，见图 3。地层中石英含量高达 45 %以上，石英沙是“很好”的磨料，使刀具磨损速度加快。如北京地铁五号线盾构试验段雍和宫站至张自忠站左线 1 510 m 为砂卵石及粘土混合地层，掘进过程中更换了 5 批刀具。盾构机刀盘直径为 6.2 m，转速为 03 r/min，通常为 1.5 r/min，刀盘最外边刀具切削线速度最大可达 1 m/s，平均为 0.5 m/s3。周边刀受到很大的冲击力。盾构试验段刀具磨损和折断严重，见图 4。可以看到，盾构刀具的刃口部位镶嵌的硬质合金刀片存在不同程度的折断破坏，即所谓“崩刃”；对于硬质合金刀片，由于硬度很高，相对韧性较差，冲击断裂是其主要的失效形式。刃口部位的

41、斜坡（内侧）为典型的犁沟式磨损（见图 5）。刀具磨损情况可归纳为表 1 所示特征。通过对进口刀具在砂卵石地层的磨损特点分析，可知在砂卵石地层施工中，盾构机刀具主要的失效形式为：冲击破坏、犁沟式磨粒磨损和碾压磨损。2.盾构刀具施焊工艺要求 使用北京固本耐磨焊丝焊接参数和工艺：焊丝直径1.6mm焊接电流240-280A焊接电压26-31V保护气体纯二氧化碳技术要求：1、焊前将待焊面除去油及其它污物。2、焊前无需预热。3、焊后无需保温。4、可用于镐型截齿和刀型截齿。5、适用于各种半自动和全自动截齿堆焊设备。3.堆焊药芯焊丝的成分及堆焊层金属组织由盾构机刀具的工况可知，刀具既要具备较高的硬度以抵御高应

42、力的磨粒磨损，又要有足够的韧性来吸收砂卵石的冲击。所以选择CMnSiNbV等元素组成的合金系设计了北京固本耐磨焊丝。它可以保证在焊前无需预热、焊后不必热处理的条件下，使得堆焊层焊后无裂纹，硬度达到64HRC药芯焊丝熔敷金属的主要成分：熔敷金属化学成分：碳C锰Mn硅Si铌Nb钨V其他1%1.2%0.8%7%5%3%4.盾构刀具磨损情况 总结盾构机周边刀修复经验，选择了 35 钢作为再制造刀具的本体，刀体经 DG7 堆焊后，在刃口堆焊层中钎焊入球齿。再制造的周边刀于 2005 年 7月底投入北京地铁五号线盾构试验段北新桥站至雍和宫站右线隧道掘进施工，其地质条件与使用进口周边刀的左线基本相同。到 2

43、005 年 11 月开仓检查更换刀具，累计完成 420 m 的掘进。刀具磨损情况见图 7、图 8。可见，进口刀具体积磨损量达到一半以上，有两个安装孔损坏；而再制造刀具不到十分之一。在基本相同的地层条件下，再制造刀具的推进里程比进口刀具要高出 20 %。可见再制造刀具的使用寿命要优于进口刀具。5 结 论(1) 盾构机刀具在砂卵石地层施工中，主要的失效形式为：冲击破坏、犁沟式磨料磨损和碾压磨损。(2) 北京固本耐磨焊丝的堆焊层焊态硬度64HRC，堆焊层焊后无裂纹。通过调整焊接工艺，使用该焊丝制备盾构机刀具，可实现焊前不预热、焊后不用热处理，工艺简单便于现场使用。(3) 工程应用表明，用北京固本耐磨

44、焊丝药芯焊丝制备的盾构机刀具性能优于进口刀具。投稿日期：2011年10月22日第四章 刀具使用维护及更换15.1 一般规定15.1.1 北京地铁盾构隧道施工，多在粉细砂层、圆砾层及卵石层中进行，刀盘、刀具磨损较大，须对刀盘、刀具磨损的检测及更换等有充分的估计。15.1.2 在定购盾构机时，应充分考虑北京地层条件特点，确定盾构机的面板型式以及刀具配置等，以满足北京地铁盾构施工的需要。15.1.3 盾构施工前应根据地层的磨耗性、刀盘刀具类型及配置等制定刀具使用计划。15.1.4 盾构掘进施工前，应综合考虑地层条件，地面条件等因素，确定合理的可能换刀位置。15.1.5 施工中应使用泡沫、泥浆等添加材

45、，并采取其它减磨、降矩措施，提高刀盘、刀具的寿命。15.1.6 刀盘、刀具的磨损与施工参数的选择、施工方法等密切相关，应充分考虑这些因素的影响，审慎施工。施工中应密切观察推力、扭矩、渣土性状、机体振动状态等，分析其原因，采取应对措施。15.1.7 应设定异常掘进的警戒推力及扭矩值，如遇异常情况，应立即停机检查。15.1.8 北京地铁盾构隧道施工中的刀盘、刀具磨损现象非常复杂，详细情况正在调查和研究中，随着调查研究的深入及施工经验的增多，将及时做补充修订。15.2 刀盘及刀具的选择15.2.1 刀头材质的选择1 刀具一般采用真空烧制的E5类钢材，对于有特殊耐磨要求的刀具宜采用耐磨能力是E5 两倍

46、的所谓SINTERH1P真空烧制的E3类钢材。2 表面硬化的方法一般是堆焊耐磨材料，可采用碳化钨或高铬堆焊焊条，堆焊层硬度宜高于HRC60；3 采用超硬重型刀，刀具背面实施硬化堆焊。15.2.2 刀头种类及型状：1 主切削刀；其切入角度影响切削能力的发挥，应根据施工地层情况，选择切入角度；2 主超前刀（也称先行刀）：采用主超前刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低主切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少主切削刀的磨耗。3 鱼尾刀：为改善中心部位的切削和搅拌效果，宜在刀盘中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。4 盘圈贝型刀：实质上是超前刀，在盾构机穿越砂卵石地层特别是大粒径砂卵石地层时宜采用。5 仿形刀：仿形刀的目的是盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削创造所需空间。15.2.3 刀具配置1 增加刀具的数量，即增加刀具的行数及每一行的刀具布设数量；2采用长、短刀并用法，即长刀具磨损后，短刀具开始接替长刀具磨损。其高低差一般为20mm30mm。3切削刀头的安装方法有销钉、螺栓及焊接等方法。预测需要更换时，须采用装卸容易的方法进行安装。15.2.4 在北京地层条件下，应加大刀盘开口率，减少切削土渣在刀盘空间的滞留时间，以保证