銑刨機刀具斷裂原因分析與預防

程巨強++汪學軍++沈勁松

摘 要：針對銑刨機刀具在實際施工中產生的刀具斷裂問題，通過觀察銑刨機刀具在使用過程中發生磨損和斷裂失效的形貌，測試實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，為提高銑刨機刀具的使用壽命提供了理論依據

關鍵詞：銑刨機刀具；斷裂；硬度；措施

中圖分類號：U415.52 文獻標志碼：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

路面銑刨機是公路及城市道路養護施工的專用機械，由于該設備具有效率高、施工工藝簡單、銑刨深度易于控制、操作靈活、機動性能好、銑刨的舊料能直接回收利用等特點，因而被廣泛應用于公路、道路、機場路面等瀝青混凝土層的開挖翻修等養護施工中[12]。銑刨機施工時機械或液壓傳動帶動銑鼓高速旋轉，通過安裝在銑鼓上的刀頭切削路面以達到銑刨的目的。銑刨機的刀頭在銑刨路面時會受到一定的沖擊和磨料磨損，因此它是銑刨機主要的耐磨件和損耗件。為了提高銑刨機刀頭的使用壽命，就要求其具有較高的強度、硬度、彎曲強度和耐磨性，以防止刀頭在使用過程產生早期斷裂、彎曲、變形和磨損失效。本文觀察了銑刨機刀頭工作時的失效形式，進行了試驗與分析后，提出提高刀頭耐磨性和防止斷裂的措施。

1 試驗方法

試驗材料為商用銑刨機刀頭，刀頭材料為42CrMo。刀頭的沖擊試樣取自刀頭實體，試件的截取方法參考采掘機用截齒行業標準的取樣要求，將試件加工成10 mm×10 mm×55 mm標準U形缺口，缺口深度2 mm。沖擊試驗在HR150型擺錘式沖擊試驗機上進行，用洛氏硬度儀測定刨路機刀頭的硬度。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 銑刨機刀頭斷裂及其磨損形貌

2 試驗結果及分析

2.1 銑刨機刀頭的失效形式

圖1是銑刨機路面施工時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合金磨損和包覆硬質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重，由于包覆硬質合金褲體部分的磨損，使硬質合金的刀頭完全外露，甚至硬質合金脫落。在實際工作時，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，但也會經常發生。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生在尾部卡槽的圓角過渡處。圖1（c）是銑刨機刀頭頭部和柄部的過渡處產生的斷裂斷口，從圖中可以看出，其斷裂形貌具有典型的疲勞斷口特征。疲勞裂紋產生在刀柄的表面，表面裂紋形成后，裂紋以放射狀向內部擴展，最后發生斷裂。刨路齒的斷裂位置，基本上在裝配卡環與刀體臺階處（見圖1（d）），該位置為柄部與頭部的過渡處，正好擋住卡環。而從施工現場失效的銑刨機齒斷裂的位置看出，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，這些臺階會形成應力集中，再加之圓角半徑設置不當或機械加工的表面質量不好時，銑刨機刀頭在施工過程中的應力集中容易使該處產生表面裂紋，最后發生斷裂。

2.2 銑刨機刀頭組織和力學性能分析

對新生產的一批銑刨機刀頭進行隨機實體取樣，加工成標準缺口沖擊試樣，再進行沖擊值測定及其硬度檢測。結果為：實體取樣的沖擊值為189 J·cm-2，硬度為HRC53～54。從測試結果可以看出，銑刨機刀頭的沖擊值偏低，低于采掘機用截齒行業標準（MT/T 246—2006）規定的齒體沖擊值≥49 J·cm-2的要求，而硬度遠高于標準中對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，銑刨機刀頭在使用過程雖然耐磨，但由于脆性較大，容易發生刀頭的斷裂。因此針對硬度偏高而沖擊值偏低的問題，測試并改進熱處理工藝，調整淬火后的回火溫度，由以前的400 ℃，增加到450 ℃，再測試刀體，得到結果為：沖擊功75 J·cm-2，硬度為HRC46～47，沖擊值超過行業標準要求，硬度也高于行業標準要求。endprint

圖2是銑刨機刀頭實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。分析認為，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）），根據夾雜物在拋光面存在拖尾的特點，可知夾雜物應為Al2O3[3]。試樣拋光面用4%的硝酸酒精腐蝕，發現氧化物夾雜依然存在。

圖2 刨路機刀頭實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為回火屈氏體，其組織形貌為鐵素體和彌散分布的細小的碳化物，板條束較細。在該溫度回火，鐵素體還未發生再結晶，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）），和典型調質鋼的回火溫度相比，該試樣的回火溫度偏低，形成索氏體組織碳化物比較細小。

從上述沖擊數據和金相組織可以看出，通過調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，也會損害刀具的韌性，容易使銑刀發生斷裂。

2.3 銑刨機刀頭失效原因分析

從上述銑刨機刀頭的斷裂和磨損失效形貌來看，刀頭磨損屬于施工過程刀具的正常磨損現象。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，實際生產中銑刨機的刀頭及掘進機截齒類構件的頭部都要釬焊或鑲嵌硬質合金，以提高刀頭工作部分的硬度和耐磨性。但在實際工作中，包覆硬質合金部分的刀體先期產生的磨損，往往容易使刀體包覆硬質合金部分的強度降低，造成硬質合金脫落，使刀具失效。在實際生產中為防止這種情況出現，可增加包覆硬質合金部分的刀體的表面硬度。增加包覆硬質合金刀體表面硬度的常用方法主要有局部感應淬火或在其表面堆焊或熱噴涂硬質合金[4]。

結合銑刨機刀頭金屬組織觀察結論、力學性能測試及刀具結構進行分析后得出產生刀具斷裂的原因主要有三個方面：一是刀頭材料中夾雜物過多造成材料的脆性增加，產生早起斷裂；二是刀頭生產過程中熱處理工藝不當，造成齒體本身硬度偏高，材料的韌性降低，產生斷裂；三是斷裂刀頭位置一般在刀具截面的過渡處，由于結構的原因，該處過渡圓角設計過小，容易產生應力集中，誘發裂紋而發生斷裂。

根據材料質量防止刀體斷裂的方法主要如下。

（1） 提高材料質量。應加強刀具用鋼的質量，提高鋼的純凈度，減少鋼中夾雜物的含量，這對提高材料的韌性尤為重要。

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

（3） 改進刀體結構設計。刀體過渡區圓角半徑要適當增加，減小應力集中程度，同時在機械加工時盡可能提高產品過渡區和刀體表面的光潔度等級，減少疲勞裂紋源產生。

（4） 提高力學性能檢測要求。銑刨機刀體的檢驗可參考國家相關行業標準（如采掘機用截齒MT/T 246-2006）的規定，即齒體表面硬度和齒體的沖擊韌性值應滿足：齒頭部分硬度HRC不小于40，齒柄部分硬度在HRC38～42之間，必要時在包覆硬質合金刀體表面堆焊硬質合金，齒體的沖擊韌性值不小于49 J·cm-2。

3 結 語

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

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

參考文獻：

[1] 李海軍，賈登基，李文耀.路面銑刨機刀具的選型及其正確使用[J].建筑機械，2001（12）：5557.

[2] 張啟君. 國內外銑刨機概況[J]. 交通世界，2006（7）： 2734.

[3] 張德堂，施炳弟.鋼中非金屬夾雜物圖譜[M].北京：國防工業出版社，1980.

[4] 程巨強.采煤機截齒的選材與制造工藝[J]. 鑿巖機械氣動工具，2013（1）：2530.

[5] 郭 祥，任曉軍.銑刨機在路面銑刨工程中的應用[J].筑路機械與施工機械化，2008，25（11）：5659.

[責任編輯：杜敏浩]endprint