面向多層多材質(zhì)剪切對(duì)象的刀具設(shè)計(jì)及失效分析

李海 龔金龍 王時(shí)龍 安然

1.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400044

2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 北京 102413

本文的剪切對(duì)象是多根燃料棒構(gòu)成元件棒束，它由Al2O3陶瓷芯塊和不銹鋼包殼管構(gòu)成。在元件棒束包覆在一個(gè)厚壁的不銹鋼外套管，屬于多層不銹鋼和陶瓷的復(fù)合特性，剪切難度較大，對(duì)剪切刀具提出了較高的要求，剪切刀具要求有較高的強(qiáng)度性能和可靠性。

1 剪切刀具設(shè)計(jì)

根據(jù)之前的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，刀具安裝在刀座上，將乏燃料元件切成若干段固定長(zhǎng)度的短段，并要求短段具有一定的開(kāi)口率。刀具的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括材料性能、刀寬a，刀尖角α，r1r2第一、第二刀前角，b棱邊寬。刀具的刀刃在刀尖角處。

刀具材料——在切削過(guò)程中刀具要承受很大切削力與劇烈摩擦。因此，刀具材料應(yīng)具備高硬度和高耐磨性、足夠的強(qiáng)度與韌性以及高的耐熱性。[1]刀具材料在足夠的強(qiáng)度和韌性條件下，盡可能提高硬度和耐磨性。由于剪切對(duì)象的多層不銹鋼和陶瓷復(fù)合特性，強(qiáng)度較高，并且剪切過(guò)程的沖擊很大，因此要求刀具材料具有較高的強(qiáng)度和韌性，選擇刀具材料時(shí)應(yīng)注重刀具的強(qiáng)度和沖擊韌性。刀具的硬度越好，其耐磨性越好。壽命越長(zhǎng)。因此，剪切刀具選擇高速工具鋼材料，其抗彎強(qiáng)度可達(dá)到1.96-4.41GPa，沖擊韌性可達(dá)0.098-0.588MJ/m2，硬度為HRA63-70。硬質(zhì)合金的硬度可達(dá)HRA89-92，耐磨性能很好，但其沖擊韌性和強(qiáng)度較差，在剪切過(guò)程中刀具受沖擊較大，用硬質(zhì)合金刀具容易發(fā)生崩刃現(xiàn)象。

刀寬a——刀寬決定了刀具可承受的最大切削力，在剪切過(guò)程中刀具承受正向的剪切沖擊力F1，同時(shí)還承受側(cè)向分力F2，在兩向分力的作用下刀具會(huì)發(fā)生壓縮和彎曲形變，只有足夠的刀寬a才能抵抗形變。刀寬a可根據(jù)材料的抗彎強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)。刀具安裝時(shí)，刀具的背刀面與刀座貼合在一起，要注意刀具和刀座安裝面的平行度和粗糙度加工，保證安裝面充分貼合，才能抵抗刀具切削力。

刀尖角α——刀尖角決定了刀具的主要形狀，刀具為尖角形式。刀尖角越小，元件剪切時(shí)，刀刃首先與元件的接觸面積很小，產(chǎn)生的剪切力較?。坏都饨菫?80°平角時(shí)，元件與刀刃接觸面積大，需要的剪切力也大。通用剪切機(jī)的剪切對(duì)象多為單層厚壁的板材或者棒材，材料組織均勻，采用刀尖角較小的刀具會(huì)很容易發(fā)生刀尖折彎現(xiàn)象，所以刀具的刀尖角大多為平角。但乏燃料元件為多層不銹鋼和陶瓷芯塊結(jié)構(gòu)，不銹鋼為薄壁材料，陶瓷芯塊屬于易剪切材料，可實(shí)現(xiàn)分層剪切，使用尖角刀具可以先將單棒切斷。剪切時(shí)刀尖先切入元件，實(shí)現(xiàn)分層剪切。但由于剪切時(shí)尖角處會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，會(huì)加劇刀具的磨損。因此，刀尖角不能設(shè)置的過(guò)小，設(shè)置為100°、140°和180°。根據(jù)之前的剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨刀尖角增大，剪切力也呈現(xiàn)線性增大趨勢(shì)，最大剪切力相差約20噸左右。此外，刀刃的尖角處還應(yīng)進(jìn)行修圓處理，增加刀具壽命[2]。

第一、二刀前角r1r2——第一刀前角決定了刀刃的形狀，較大的刀前角使得刀刃鋒利，剪切短段遇到的阻力變小，可減小剪切力。但過(guò)大的刀前角使得刀具的剛性和強(qiáng)度差，刀具磨損和破損嚴(yán)重，刀具壽命低。對(duì)于元件剪切的這種形式，刀前角應(yīng)小，增加抗沖擊性能，選擇范圍在0-8°。第一刀前角r1和棱邊寬b構(gòu)成了刀刃，在剪切過(guò)程中，刀刃完全壓入元件中。第二刀前角不應(yīng)取較大值，否則刀刃強(qiáng)度過(guò)弱，容易折斷，第二刀前角r2選擇要考慮剪切沖擊力F1和側(cè)向分力F2的聯(lián)合作用，保證刀刃有足夠的強(qiáng)度，一般取15-20°。

棱邊寬b——第一刀前角r1和棱邊寬b構(gòu)成了刀刃，在剪切過(guò)程中，刀刃完全壓入元件中。較小的棱邊寬可使刀刃鋒利，可減小剪切力，但刀具磨損會(huì)加劇。根據(jù)之前的剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)，棱邊寬5mm、10mm、15mm的剪切力分別約相差8噸、6噸。為了提高刀具壽命，在剪切機(jī)能力允許的情況下，適當(dāng)增加棱邊寬b。

在剪切刀具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先分析刀具的受力情況，根據(jù)刀具的應(yīng)力水平和刀具材料耐磨損性能綜合評(píng)估，選取刀寬a、刀尖角α、棱邊寬b、第一、二刀前角r1r2等參數(shù)。

2 剪切刀具失效模式

剪切乏燃料元件的主要工作過(guò)程分為4個(gè)階段：①剪切刀具接近乏燃料元件，乏燃料元件在剪切力F作用下發(fā)生壓縮，并產(chǎn)生變形。因?yàn)榉θ剂显襞c棒之間都有一定間隙，所以在剪切力F作用下可以擠壓變形，直到元件棒束被完全壓緊。②刀具繼續(xù)往前推進(jìn)，刀刃深壓入元件，剪切力F繼續(xù)增大，當(dāng)剪切力F超過(guò)元件截面可承受最大剪切力γbS時(shí)，與刀具接觸的第1排元件就會(huì)發(fā)生純剪切斷裂。③剪切刀具繼續(xù)推進(jìn)，刀具繼續(xù)剪切剩余的幾排組件。此時(shí)，剪切刀具的背刀面與被壓緊的剩余元件段發(fā)生接觸，產(chǎn)生摩擦阻力使背刀面發(fā)生磨損。④乏燃料元件被完全切斷，剪切刀具回退，在回退過(guò)程中背刀面始終與剩余元件段接觸，使背刀面發(fā)生磨損。

在剪切過(guò)程中，背刀面磨損是最主要的刀具失效模式，背刀面存在大量的溝槽劃痕。由于元件剪切的斷口有大量的陶瓷硬質(zhì)顆粒，它們的硬度非常高，這些顆粒在側(cè)向分力的作用下嵌入背刀面內(nèi)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期磨損后，使得刀具表面形成很深的溝槽，使得刀間隙變寬。除了陶瓷顆粒外，還有不銹鋼包殼管等也會(huì)對(duì)背刀面發(fā)生磨損。由于這種磨損機(jī)理是非常復(fù)雜的過(guò)程，通過(guò)理論應(yīng)力分析磨損存在很大的困難，應(yīng)該通過(guò)試驗(yàn)方法研究刀面磨損機(jī)理[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）乏燃料元件的剪切刀具設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)剪切機(jī)有所不同，多層不銹鋼和陶瓷的復(fù)合特性要求刀具應(yīng)有良好的耐磨性能，在保證有足夠沖擊韌性的前提下，應(yīng)采用耐磨性能較好的硬質(zhì)合金。

（2）由于剪切對(duì)象為多層不銹鋼，具有較高的強(qiáng)度和韌性，刀具形狀應(yīng)有一定的刀尖角α增加破壞能力，根據(jù)試驗(yàn)可得α選用100°可以明顯降低剪切力。

（3）由于剪切機(jī)的使用環(huán)境十分惡劣，刀具形狀設(shè)計(jì)應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度，第一、二刀前角r1r2和棱邊寬b設(shè)計(jì)應(yīng)留有足夠余量，以增加刀具壽命。

（4）乏燃料元件的剪切刀具主要失效模式為刀刃崩斷、刀刃磨鈍和背刀面磨損，針對(duì)不同的失效模式應(yīng)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證。