刀具失效的具体表现方式有哪些

作者&投稿:地虹 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
盾构刀具失效形式有哪些~

1.刀具正常磨损
滚刀在进行掘进时,掘进进尺速度与其刃口宽度有关。随着滚刀刀圈磨损量的增加,刃口宽度随之增加,达到一定范围时会影响掘进速度,由于受到刀圈加工工艺的限制,而且新装刀圈与齿刀之间有一定的高差(各刀盘设计的高差值不同),所以当正滚刀与中心刀最大磨损量为达到与齿刀规定的高差时为正常磨损,而边缘滚刀则因隧道直径差及所处位置的要求,其磨损极限一般为15mm。正常磨损是刀具失效的主要形式,其磨损形状为在刃口宽度范围内磨损较均匀,不偏磨、不弦磨。
2.刀圈断裂
滚刀在沙卵石不均匀地层施工时,滚刀不易实现纯滚动,造成滚刀时转时不转现象,容易发生刀圈冲击使刀圈断裂;掘进过程中,由于地层突然变硬或刀盘某些部件脱落或其他铁件卡在刀刃与地层之间,会导致刀圈局部过载而使刀圈应力集中发生断裂,同时刀圈与刀体配合过盈量未达到要求也会造成刀圈断裂。

3.轴承损坏
施工过程中,有时会发现刀圈被磨成一条或几条弦,称之为偏磨。这主要是由于刀具轴承损坏不能灵活转动造成的;在掘进过程中刀具出现偏磨而未及时发现是非常危险的,一把刀由于偏磨而失效会造成相邻两把刀过载而失效,从而迅速向外扩展,直至整个刀盘上的刀具全部失效,另外滚刀启动扭矩过大也容易造成滚刀时转时不转现象,使刀圈发生偏磨,所以在掘进过程中应及时观察出碴情况,一旦出现长而宽的石碴时,应立即停机检查。造成轴承损坏的原因主要是由于轴承过载或刀盘冷却系统不良而使轴承过热抱死,或因刀具密封损坏漏油而未及时发现,造成轴承润滑不良损坏也会使刀圈偏磨而失效。

4.刀具漏油
绝大多数漏油刀具的轴承因无法润滑而失效,轴承外圈大多已点蚀成麻面或发蓝,同时刀具的浮动密封已失效,极个别的刀具为注油孔漏油。引起漏油的原因主要有以下几方面:
(1) 由于岩石条件急剧变化(多为较发育的破碎岩层)或换刀不合理(相邻刀具的磨损量相差较多),造成个别刀具过载,使刀具轴承的承载面点蚀剥落,剥落的金属碎片及颗粒使密封失效。
(2)由于刀盘冷却系统不良而使轴承及润滑油温度过高,浮动密封面烧伤使密封失效。
(3)强度较高的大石块或崩断的正面齿刀、边缘刮刀刀齿挤卡在刀具端盖密封处,使其受挤压变形引起滑动密封失效。
(4)刀具轴承及浮动密封的寿命已达极限。
(5)刀具在装配或修理过程中刀具内混有杂物引起浮动密封面划伤失效。
根据硬岩(TBM)的施工经验,刀具密封失效导致刀具损坏约占70%。刀具密封损坏与刀具的装配、刀具密封的耐压、耐高温能力有关。一般盘形滚刀密封能承受的最高温度为80℃,能承受的最高水压和气压能达到 0.8MPa。

5.刀圈剥落
由于刀圈在滚切岩石过程中,刀圈受力较大,刀圈表面掉落整块的碎片,而整个刀圈没有断裂,称为“刀圈剥落”。刀圈剥落是由于刀圈表面产生疲劳裂纹,逐步扩展导致微观断裂,因磨损而剥落。如果剥落块较小,一般不影响刀具的正常运转。
6、刀具安装螺栓松脱、断裂或挡圈断裂或脱落
由于在掘进施工过程中破碎岩石的力量较大,特别是在硬岩掘进时更大,震动也比较厉害,常会引起刀具连接螺栓松脱、断裂,引起刀具损坏以致无法掘进。刀具安装螺栓松脱、断裂会造成刀具掉刀和打刀。挡圈用于避免刀圈沿轴线方向的平行位移。如果挡圈断裂或脱落会引起刀圈位移和严重损坏。
刀具异常磨损的预防措施
1.合理选择掘进推力。根据滚刀的数量和每把刀可以承受的最大径向力可以算出刀盘最大承受力,再加上土压反力、摩擦力、后配套拖力及尾刷阻力就可以算出作用在油缸上的最大推力,因此可以通过控制这个最大推力来防止刀具过载。
2.合理控制贯入度根据盾构机贯入度计算方法Pe=V/n,贯入度越大则刀具受力越大,在100Mpa以上的岩石地层掘进时贯入度不大于4mm。软岩掘进时贯入度建议不大于25mm。
3.及时更换保护刀具及损坏刀具。个别滚刀损坏可能导致周边刀具的连带损坏,因此在条件充许的情况下及时检查和更换损坏的滚刀,安装过渡刀时相临刀具高差不大于5mm。同时要及时更换切削刀具。
4.确保碴土改良效果确保添加剂的加入效果,保证碴土流动性,可以有效的防止泥饼产生,减少刀具被泥饼抱住的危险

刀具磨损是切削加工过程中不可避免的现象,但刀具磨损过快或发生非正常磨损(也称破损),必然会影响加工质量,增加刀具消耗,使生产效率降低,加工成本提高。因此,通过研究刀具磨损,可制订合理的切削加工方案,提高生产效率和零件加工质量,并有利于降低加工成本。为了能使刀具经久耐用,尽量减少磨损,需要了解各种切削因素对刀具磨损的影响。影响刀具切削性能的主要因素有:刀具几何参数(后角、前角、主偏角、刀尖圆弧半径等)、刀具材料、切削用量、工件材料及其机械性能等。这些因素中工件材料属于不可控因素,改变其它因素的属性可控制刀具的磨损形式及磨损率,如通过改变工件材料的热处理状态可改变工件材料的机械性能,从而影响刀具的磨损;选择合理的刀具材料和刀具几何参数也可改善刀具磨损;生产上一般还可通过合理选择切削用量来减少刀具磨损,提高刀具的使用寿命。要知道如何合理选择上述可控因素,还需要分析刀具失效的形式及其产生机理。刀具失效的形式(图1)可分为正常磨损和非正常磨损两大类:正常磨损是在切削过程中,刀具切削刃、前刀面、后刀面分别与加工表面、切屑和已加工表面接触,在接触区里受切削力和切削热的耦合作用,并发生强烈的摩擦产生的,切削刃、前刀面和后刀面都会产生磨损。正常磨损时,刀具的磨损量随切削时间增长而均匀地增加。刀具的先期破坏或使用过程中的剥落、突然崩刃、卷刃或刀片的整个破裂都称之为非正常磨损。

在切削过程中,刀具磨损到一定限度,刀刃崩刃或破损,刀刃卷刃(塑变)时,刀具丧失其切削能力或无法保障加工质量,称之为刀具失效。刀具破损的主要形式及产生原因和对策如下:
1.后刀面磨损由机械应力引起的出现在后刀面上的摩擦磨损。由于刀具材料过软,刀具的后角偏小,加工过程中切削速度太高,进给量太小,造成后刀面磨损过量,使得加工表面尺寸精度降低,增大摩擦力。应该选择耐磨性高的刀具材料,同时降低切削速度,提高进给量,增大刀具后角。这样才能避免或减少后刀面磨损现象的发生。
2.边界磨损主切削刃上的边界磨损常见于与工件的接触面处。主要原因是工件表面硬化、锯齿状切屑造成的摩擦,影响切屑的流向并导致崩刀。只有降低切削速度和进给速度,同时选择耐磨刀具材料并增大前角使切削刃锋利。
3.前刀面磨损(月牙洼磨损)在前刀面上由摩擦和扩散导致的磨损。前刀面磨损主要由切屑和工件材料的接触以及对发热区域的扩散引起。另外刀具材料过软,加工过程中切削速度太高,进给量太大,也是前刀面磨损产生的原因。前刀面磨损会使刀具产生变形、干扰排屑、降低切削刃强度。主要采用降低切削速度和进给速度,同时选择涂层硬质合金材料,可以减少前刀面的磨损。
4.塑性变形切削刃在高温或高应力作用下产生的变形。 切削速度、进给速度太高以及工件材料中硬质点的作用,刀具材料太软和切削刃温度很高等现象是产生塑性变形的主要原因。它将影响切屑的形成质量,有时也可导致崩刀。可以采取降低切削速度和进给速度,选择耐磨性高和导热系数高的刀具材料等对策,以减少塑性变形磨损的产生。
5.积屑瘤工件材料在刀具上的粘附。积屑瘤降低加工表面质量并会改变切削刃形状最终导致崩刃。采取的对策有提高切削速度,选择涂层硬质合金或金属陶瓷等与工件材料亲和力小的刀具材料,并使用冷却液。
6.刃口剥落切削刃上出现一些很小的缺口,而非均匀的磨损。主要由于断续切削,切屑排除不流畅造成。应该在开始加工时降低进给速度,选择韧性好的刀具材料和切削刃强度高的刀片,就可以避免刃口剥落现象的产生。
7.崩刀崩刀将损坏刀具和工件。主要原因是刃口的过度磨损和较高的应力,也可能由于刀具材料过硬,切削刃强度不够及进给量太大造成。应选择韧性好的合金材料,加工时减小进给量和切削深度,另外选用高强度或刀尖圆角较大的刀片。
8.热裂纹由于断续切削时温度变化产生的垂直于切削刃的裂纹。热裂纹可降低工件表面质量并导致刃口剥落,应选择韧性好的合金材料,同时减小进给量和切削深度,并进行干式冷却或在湿式切削时有充足的冷却液。


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