面向多层多材质剪切对象的刀具设计及失效分析

李海 龚金龙 王时龙 安然

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

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

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。

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。

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。

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]。

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°。

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。

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

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。

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

（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。

（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。

（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。

（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。