（机械工程专业论文）硬质合金路面铣刨刀的结构优化与焊接工艺研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着我国公路交通事业突飞猛进地发展，特别是经过“八五“和“九五”期间 的快速健康发展，我国公路基础设施的总量取得了巨大的突破，2 0 0 4 年中国新增公 路通车里程4 6 万公里，总里程将达1 8 5 6 万公里；高速公路里程新增4 4 0 0 公里， 到2 0 0 4 年底，我国高速公路通车里程已超过3 4 万公里，继续保持世界第二。根据 交通部最新公布的国家高速公路网规划，从2 0 0 5 年起到2 0 3 0 年，国家将斥资 两万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使我国高速公路里程达到8 5 万公里。 随着高速公路里程的快速增加，高速路的r 常维护和老化后的修整成为繁重而 艰巨的任务。以路面铣刨机为主要设备的机械化路面铣刨养护作业方式具有高效、 高质量和低劳动强度的特点，已经在我国高速公路上被广泛采用，成为目盼高速公 路的一种标准养护模式。因此，路面铣刨刀的市场需求量很大，总市容大于3 亿元。 路面铣刨刀最主要的失效形式为磨损和脱焊，9 0 以上的铣刨刀的失效是由于这 两种原因造成的，它们对铣刨刀的质量影响很大。本文针对这些问题进行了研究， 目的是改善路面铣刨刀的质量，实现大规模化生产。本文的主要研究内容和研究成 果是： 通过对结构和几何参数进行优化设计，改善了路面铣刨刀的受力状态，改变了 切屑流向，增大了焊接面积等，从而有效地减小了刀柄磨损并提高了刀具的抗脱焊 能力( 专利号：2 0 0 4 2 0 0 3 5 2 2 5 ) ；成功设计了机夹式路面铣刨刀：抗剪切强度提高 到了7 0 0 1 0 0 0 m p a 。表面硬度可高达h r c7 2 ，达到了要求大切深( 大于3 0 0 毫米) 、 超高速度等焊接式铣刨刀难以适应的环境( 尤其是冬季) ；应用焊接淬火一体化复合 工艺，成功解决了刀柄焊接退火软化的问题，产品表面硬度h r c 4 7 、抗剪切强度2 9 0 3 2 0 m p a ，基本达到了国外( 主要是美国k e n n a m e t a l 公司) 同类产品的水平，得到了 用户的认可。设计并制造了自动焊接机，有效地稳定了淬火一体化复合工艺，降低 了操作者的劳动强度，劳动生产率提高了5 - 6 倍，顺利实现了大规模生产。 以上研究成果已经在实际生产中应用，取得了良好的效果。 关键词：硬质合金，路面铣刨刀、焊接、自动焊接机 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o g r e s s e sb yl e a p sa n db o u n d sa l o n gw i t ho u rc o u n t r yh i g h w a yt r a f f i cd e v e l o p s ， s p e c i a l l yp a s s e dt h r o u g h ”8 5 ”a n d ”9 5 ”t h ep e r i o df a s th e a l t hd e v e l o p m e n t ，o u rc o u n t r y r o a di n f r a s t r u c t u r et o t a lq u a n t i t yh a so b t a i n e dt h eh u g eb r e a k t h r o u g h ，i n2 0 0 4c h i n a i n c r e a s e dt h er o a dt ob eo p e nt ot r a f f i ct h ec o u r s e4 6 ，0 0 0k i l o m e t e r s ，t h et o t a lc o u r s ew i l l a m o u n tt o1 8 5 6m i l l i o nk i l o m e t e r s ；t h eh i 曲w a yc o u r s ei n c r e a s e s4 ，4 0 0k i l o m e t e r s ，t o 2 0 0 4y e a r se n d ，t h eo u rc o u n t r yh i g h w a yi so p e nt ot r a f f i ct h ec o u r s et os u r p a s s3 4 ，0 0 0 k i l o m e t e r s ，c o n t i n u e s t om a i n t a i nt h ew o r l ds e c o n d a c c o r d i n gt ot h en e w e s t a n n o u n c e m e n t ”n a t i o n a lh i 曲s p e e dh i 曲w a yn e t w o r kp l a n ”o ft h em i n i s t r yo ft r a f f i c , f r o m2 0 0 5t o2 0 3 0 ，t h ec o u n t r yc o n t r i b u t e s2 0 0 0 0 0m i l l i o ny u a n ，t h en e w l yb u i l t5 1 ，0 0 0 k i l o m e t e rh i g h w a y , w i l le n a b l eo u rc o u n t r yh i g h w a yc o u r s et oa m o u n tt o 8 5 ，0 0 0 k i l o m e t e r s a l o n gw i t ht ot h eh i g h w a yr o u t i n em a i n t e n a n c ea n dt h eh i g h w a ya g i n gp e a ka r r i v a l ， d i g st a k er o a ds u r f a c eb ym i l l i n gm a c h i n e f o ri t sh i g h l ye f f e c t i v e ，h i g hg r a d ea n dt h el o w l a b o ri n t e n s i t yc h a r a c t e r i s t i c ，i sa l r e a d yu s e do nn a t i o n a le a c hh i g h w a y , b e c o m e so n ek i n d o fs t a n d a r dt om a i n t a i nt h ep a t t e r nu n d e rt h ep r e s e n ts i t u a t i o n ，t h er o a ds u r f a c em i l l i n g t o o l sw i l lh a v eab i g g e rt h a n3 0 0m i l l i o ny u a nm a r k e t t h er o a ds u r f a c em i l l i n gt o o l sm o s tm a i ne x p i r a t i o nf o r mf o rt h ea t t r i t i o ne x p i r a t i o n a n dl o s i n gw e l d a c c o u n t sf o ra b o v e9 0 t h i sa r t i c l eh a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c hi nv i e w o ft h e s eq u e s t i o n s ，t h eg o a li si m p r o v e st h er o a ds u r f a c em i l l i n gt o o l sq u a l i t y , r e a l i z e si t s l a r g e s c a l ep r o d u c t i o n t h i sa r t i c l em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dt h er e s e a r c hr e s u l t sa r e ： o p t i m i z e ds t r u c t u r ea n dd e s i g nr e a s o n a b l ec u t t i n ga n g l e ：i m p r o v e dt h er o a ds u r f a c e m i l l i n gt o o ls t r e s s f u lc o n d i t i o n ，t oc h a n g ef r a g m e n tf l o w e dw a y , h a si n c r e a s e dt h ew e l d i n g a r e aa n ds oo n ，e f f e c t i v e l yr e d u c e dt h eh i l tt ow e a ra n de n h a n c e st h ec u t t i n gt o o lr e s i s t g c e i i 华中科技大学硕士学位论文 a b i l i t yt os n i p ( t h ep a t e n tn u m b e r ：2 0 0 4 2 0 0 3 5 2 2 5 2 ) ；s u c c e s sd e s i g n e dm a c h i n e 。c l a m p e d r o a ds u r f a c em i l l i n gt o o l ：t h ea n t i s h e a r i n gs t r e n g t he n h a n c e d7 0 0 1 0 0 0 m p a t h es k i n h a r d n e s sm a yr e a c ha sh i g ha sh r c7 2 ，h a da c h i e v e dt h er e q u e s tg r e a t l yc u t sd e e p l y ( i s b i g g e rt h a n3 0 0m i l l i m e t e r s ) ，a n du l t r a s p e e dd i g s e n v i r o n m e n tw h i c ht h ew e l d i n g m i l l i n gt o o la d a p t sw i t hd i f f i c u l t y ( p a r t i c u l a ri nw i n t e r ) ；a p p l i c a t i o nw e l d i n gh a r d e n i n g i n t e g r a t i o nc o m p o u n dc r a f t ，t h es u c c e s sh a ss o l v e dt h ep r o b l e mw h i c ht h eh i l tw e l d i n g s o f t e n s ，p r o d u c ts k i nh a r d n e s sh r c a 7 ，a n t i s h e a r i n gs t r e n g t h2 9 0 3 2 0 m p a ，b a s i c a l l y h a da c h i e v e do v e r s e a s ( m a i n l yi sa m e r i c a nk e n n a m e t a lc o r p o r a t i o n ) t h es i m i l a rp r o d u c t l e v e l ，o b t a i n e du s e r sa p p r o v a l ；d e s i g n e da n dh a sm a d ea u t o m a t i cw e l d i n ga p p a r a t u s ， e f f e c t i v e l yh a ss t a b i l i z e dt h eh a r d e n i n gi n t e g r a t i o nc o m p o u n dc r a f t ，r e d u c e do p e r a t o r s l a b o ri n t e n s i t y , t h el a b o rp r o d u c t i v i t ye n h a n c e d5 6t i m e s m o o t h l yh a sr e a l i z e dt h el a r g e s c a l ep r o d u c t i o n a l lo f t h er e s e a r c hr e s u l t sa l r e a d ya p p l i e di nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ，h a so b t a i n e dt h e g o o de f f e c t k e yw o r d s ：t h e c e m e n t e dc a r b i d e s ，t h er o a ds u r f a c em i l l i n gt o o l ，w e l d ， a u t o m a t i c w e l d i n ga p p a r a t u s i i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：扮梅，o 月习f i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名崧 r 期：7 矿锌id 月1 f 日 指导教师签名： 1 = 1 期：，鲰一 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 i i 铣刨刀刀头硬质合金的特点及发展方向 i i i 铣刨刀刀头硬质合金的特点 为适应路面铣刨刀高耐磨、高耐冲击的要求，刀头硬质合金的设计一般要满足 以下特点： ( 1 ) 采用钨钴类合会。钴相分布比较均匀，碳化物邻接度低。 ( 2 ) 钴含量5 - 1 1 ，硬度h r a 8 7 8 7 5，无脆性n 相。 在工业w c c o 硬质合金中，脆性n 相对工具的使用寿命影响非常大“1 “，在焊接 和合金生产要避免n 相的产生。 硬质合金足以元素周期表中i v a ，v a ，v l a 族的9 种金属碳化物和f e c o n i 等铁族金属，通过粉末冶金方法所得合会的总称“。其中常见的碳化物主要是w c t i c t a c ，n b c ，v c 等。碳化物相保证合金具有高的硬度和耐磨性，而粘结相则赋予合金具 有一定的强度和韧性。硬质合会的基木特点是“2 2 。 ( 1 ) 具有很高的硬度和耐磨性，硬度一般在h r a 8 6 9 3 之问，并随着硬质合金中 含钻量的增加而降低。尤其可贵的是红硬性比较好，只有当使用温度高于5 0 0 时， 其硬度才丌始降低。但是在i 0 0 0 1 1 0 0 0 c 的高温下，硬度仍可高达7 3 7 6 h r a 。 ( 2 ) 常温时硬质合会的抗弯强度在9 0 1 5 0 m p a 之间，并且含钴量越高抗弯强度 越高。 ( 3 ) 具有较稳定的化学性能，某些牌号的硬质合金能耐酸、耐碱，甚至在高温下 也不发生明显氧化。 ( 4 ) 钨钴合金的导热率为0 5 8 0 8 8 j ( c m s c ) ，比高速钢约高1 倍，并随着硬 质合余中含钴量的增加而增加。 ( 5 ) 硬质合金的脆性很高，几乎与温度无关。在高温时，钢的冲击韧性比硬质合 金大数百倍。在镶焊硬质合舍工具时，不允许对硬质合金刀片做冲击性的压紧。硬 质合会的冲击韧性于合金中含钴量有关，含钴量越高，冲击韧性也越高。 ( 6 ) 热膨胀系数比较小，并随着硬质合金中含钴量的增加而增加。 硬质合金是2 0 世纪初德国人施勒特尔( s c h r o t e r ) 发明的，他将w c 和c o 粉末混 华中科技大学硕士学位论文 合后，压制成块体，然后再加热到粘结剂熔点以上温度“。这一工艺在目前仍被广 泛采用。随后，这一技术迅速传到了欧美和日木等国，试验研究与应用研究迅速普 及。w c c o 合金的迅猛发展也促进了与其它化合物的结合。例如，以w c t i c 为基， 添加少量( t a ，n b ) c 的多重复合碳化物硬质合金，使钢的高速切削成为可能。二次世 界大战期间，由于钨的短缺，在德国用t i c 作为主要组元的无钨硬质合金率先开始 发展。从此，t i c n i 硬质合金也得到了广泛的应用。根据硬质合金的成分，可以将 硬质合金分为五大类n ”： ( 1 ) 钨基硬质合金，这类硬质合金品种最多、产量最大，用途也最为广泛。 ( 2 ) 碳化钛基硬质合金，其中包括t i c - m o - n i ，t i c w c t a c ( n b c ) 一m o n i 等系列。 这类硬质合金硬度高，主要用于钢材的精加工及超精加工。 ( 3 ) 涂层硬质合金，这是在第一类硬质合金刀片表面上沉积一层碳化钛、氮化钛 或两者的复合物以及氧化物等。 ( 4 ) 钢基硬质合金，这类硬质合金的主要成分是钢，而以碳化钛或碳化钨作为硬 质相，其特点是可以进行热处理，在退火状态下，可以进行切削加工，便于制取各 种形状复杂的制品。目i j i 在用于制造耐磨零件、耐腐蚀零件以及某些特殊刀具方面 获得了良好的效果。 ( 5 ) 其它硬质合金，包括碳化铬基硬质合金，碳氮化物硬质合金，碳化钛氧化铝 硬质合金等，它们各具特点，并正在发展之中。 硬质合金按其应用范围可分为：硬质合会切削刀具，硬质合金模具，硬质合金量 具与耐磨零件，以及矿山石油地质用硬质合金四大类“。一般来说，w c c o 类合金主 要用于铸铁、有色金属及其合会的切削刀具、金属拉伸模具、冲压模具、耐磨零件、 量具以及矿山石油地质工具：w c t i c o 类合金主要用于钢材切削加 工：w c t i c 一( n b c ) 一c o 类合金主要用于加工难加工材料的切削加工。 尽管其它类型的硬质合金近年来得到了长足的发展，并在一些特殊应用场合取 得了很大的成功，但是，因为在各合金中w c c o 系合金的机械性能最好，目前工业 上使用最多的仍然是w c c o 系硬质合金( y g 类) 。通常所说的硬质合金指的也是w c c o 系合会。 1 1 2 铣刨刀刀头硬质合金发展方向 铣刨刀刀头硬质合金的发展方向主要是超细硬质合金、梯度硬质合金。 1 ) 超细晶粒硬质合金的产业化发展 7 0 年代初出现了超细晶粒( 含纳米晶粒) 硬质合金。8 0 年代，日本住友电气公司 2 华中科技大学硕士学位论文 试制出性能双高的a f i 合金。接着，美国r u t g e r s 大学发展了制取纳米级硬质合金 粉末的新工艺，并取得了专利。9 0 年代中期我国的一些研究者投入这一研究。目前， 自贡硬质合金有限责任公司、株洲硬质合金集团有限公司、厦门金鹭特种合金有限 公司等单位都掌握了b e t 粒度0 1 - - 0 2u l l l 级别的w c 粉末制造技术。“八五”和“九 五”期间，自贡硬质合金有限责任公司、株洲硬质合金集团有限公司分别在高性能 超细晶粒硬质合金的制作技术方面取得了进展，所以工业化批量生产和产品推广应 用工作将提到议事日程“。近年来世界各国在发展超细的纳米碳氮化物材料方面取 得了可喜的成果，产品性能优异，具有非常广阔的应用前景“”。 2 ) 梯度硬质合金材料 梯度硬质合金材料是一种由于组织连续变化引起性能缓变的功能复合材料，又 称为多结构或多相硬质合金，是8 0 年代后期利用已取得专利的新工艺开发的一种新 型硬质合金材料啪1 。这种材料的开发成功地被认为“自5 0 年代初以来硬质合金发展 史上的一次最重要的创新”，这种创新的工艺的特点是可同时提高硬质合金的耐磨 性和韧性，从而可为解决硬质合会耐磨性和韧性之间的矛盾提供一条有效的途经。 它的实质是在制取缺碳即含i l 相的硬质合金的基础上通过渗碳处理来改变合金中粘 结相的分布，使其呈梯度。借以赋予不同部位以不同的性能，达到提高其使用性能 的目的。对于梯度结构硬质合金，目前己开发出一些工艺方法，诸如复合硬质合金 法( ( c o m p o u n dh a r dm e t a lt e c h n i q u e ) 0 2 ”1 、粘结剂含量不同的粉末分层压制法、 金属熔体浸渍法等。与这些方法相比，缺碳硬质合金渗碳处理法具有一些明显的优 点，诸如制得的梯度结构硬质合会在耐磨性和韧性方面明显优于标准硬质合金及用 其它方法制得的梯度硬质合金，并且可根据使用的要求在合金的不同部位赋予不同 的耐磨性和韧性的组合，因此这种方法具有很大的工艺上的灵活性和应用上的广泛 性：同时其工艺简便，无需使用专用设备和特殊手段，因而具有生产成本上的优势。 例如，与复合硬质合会法相比，这种方法的突出特点就是只使用单一牌号硬质合金 就能制取所要求的具有粘结相可控变化并呈梯度分布的硬质合金，可在硬质合会烧 结体内不同部位获得明显不同的耐磨性和韧性，从而可满足用户的各种需求，而复 合硬质合金法则采用具有不同粒度的硬质合金粉末，或者利用分割成具有不同粒度 区域的硬质合金，利用这种方法一般可在硬质合会烧结体内不同部位获得不同的粘 结相含量，在这种情况下，尽管细晶粒部分具有比粗晶粒部分要高的粘结相含量， 但在合金不同部位之间的耐磨性和韧性却没有多大的差别：在采用粘结剂含量不同 的粉末分层压制法时，需要使用几种不同粘结剂含量的硬质合金粉末逐层进行压制， 在这种情况下，不仅工艺繁杂，而且更重要的是在烧结过程中压块的不同粘结剂含 华中科技大学硕士学位论文 量的各层之间易于产生均质化，因而使合金不同部位之间的耐磨性和韧性的差别变 小：在使用金属熔体浸渍法时，需要专门装詈制备金属熔体并进行浸渍，因而不仅工 艺复杂，而且制得的梯度结构只局限于表面区域内，其应用则受到很大限制。 由此可见，缺碳硬质合金渗碳处理法是低成本地制取具有梯度结构的硬质合金 的一种有效的方法。由于这种方法可根据使用的要求赋予合金不同部位以不同的性 能组合，因而特别适用于制取诸如凿岩工具、冲剪工具、拉伸模具以及耐磨零件等 要求硬质合金兼有高耐磨性和高韧性的应用场合啪1 。 1 2w c c a 硬质合金与钢的连接 c o 是战略物质，资源短缺，价格昂贵( 6 0 0 万元吨) 。传统w c c o 系列硬质合金 由于需要大量的c o ，使成本大大提高。另一方面，市场经济的发展使得硬质合金制 品主要应以工具形式销售，但由于硬质合金难以加工，使其销售形式受到限制。我 国硬质合金产业至今有占总量9 0 左右的合金毛坯在市场流通。因此，国内外都在研 制硬质合金和钢连接的硬质合金制品。在我国，实现传统工业化至少还需2 0 年的时 间，汽车工业作为国家支柱产业其高速发展是必然的。汽车工业( 含摩托车、拖拉机、 柴油机等) 使用的刀具约占总切削刀具市场的3 0 4 0 。当前轿车生产线上使用的高 效、高可靠性专用刀具绝大部分靠进口。显然，这块市场应是我国硬质合金企业的 必争之地，也应是我国硬质合金产业新的经济增长点。所以硬质合金与钢连接的硬 质合金制品在保证切削效能及可靠性的前提下，价格低廉，将成为硬质合金切削刀 具的主导产品。随着我国汽车等工业的迅速发展，这类刀具的需求量将大大增进。 w c c o 系硬质合金具有和陶瓷材料相近的硬度，相对陶瓷材料耐磨性、韧性、耐蚀性 和耐热性优良。因此对该材料制造的各种工具和制品的需求量日益增加。尽管w c c o 系硬质合金具有十分优异的性能但硬质合金因难以加工并价格高，其应用范围受到 限制。另外，由于绝大多数w c c o 硬质合会都是用粉末冶金方法生产的，其生产工 艺的限制也使得生产较大尺寸的硬质合金制品变得困难。而且，在许多场合，硬质 合金在使用时并不需要零部件整体都用硬质合金制造。 硬质合金与钢常用的连接方法有：机械夹固法，镶嵌粘结法和焊接法等。机械夹 固法是合金不经过焊接而是采用各种机械手段使硬质合金和钢连接起来的方法，优 点是刀具不需焊接，完全避免了产生内应力和裂纹的可能性，合金的性能也不会因 此而下降，从而使刀具寿命显著提高。另外，虽然浪费了大量的材料是其缺点，但 使用简单方便，断屑性能好，很多情况下用于专用机床。 粘结法是用非金属粘结剂在室温或稍高温度下使硬质合会与钢实现连接，优点 华中科技大学硕士学位论文 是可以解决热力学问题，可避免晶粒长大：但粘结强度比焊接强度低，一般地，粘结 法只适合小的硬质合金制品，或在使用时不产生过大应力的工件。 近年来，w c 硬质合金激光熔覆涂层和堆焊复合方面的研究不断兴起“。而焊 接法连接硬质合金与钢仍然采用钎焊和扩散焊的方法“，除此之外激光焊和电弧焊 连接方法也有少量文献报道一。实际生产中，钎焊和扩散焊作为成熟的硬质合金连 接方法得到了广泛的应用，其中钎焊由于其连接异种金属的优异性能使其成为当前 硬质合金焊接件生产的重要方法。由于硬质合金与钢材热膨胀系数的差异，接合时 的热应力就成为重要的问题。作为缓和因热膨胀系数不同而产生热应力的一种手段， 钎焊方法接合部位大多采用a g 或c u 等软焊料。但在使用时，钎焊部位的温度必须 控制在焊料的软化点以下，所以，使用这类低熔点焊料时，硬质合金的耐热性不能 充分发挥出来，例如紫铜钎焊焊缝的剪切应力在1 5 0 m p a 左右，可在4 0 0 c 以下使用。 所以钎焊件的接合强度和使用温度低“。扩散焊是将两个被焊工件紧压在一起，置 于真空或保护气体中加热，使两焊接表面微观凹凸不平处在高温下产生塑性变形达 到紧密接触，在经过保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金连接的一种焊接方法。 扩散焊有三个阶段：变形一接触阶段、扩散一界面推移阶段、界面和空洞消失阶段。 对于一些特殊的异质材料的扩散焊接，需要在焊件之间加一个中间层材料。真空扩 散焊生产存在设备要求高，而且对连接组件的尺寸、形状有很大的限制，只能用于 轴向对接式复合工件的连接“。北京钢铁研究总院陈飞雄等“”研究的热等静压扩散 连接硬质合金与金属，虽然解决了连接组件的尺寸、形状受限制的问题，也存在设 备要求高的问题，在连接界面组织、性能方面还存在问题。 日本北海道工业研究所、日本室兰工业大学近年束在硬质合金与钢连接方面进 行了大量的研究“1 。“1 。烧结扩散焊( 硬质合金粉末烧结并与钢发生扩散焊接) 是他们研 究的一种新兴的接合方法。它是在硬质合金和钢之间添加具有二者特性的粉末中间 层，在真空热压机中通过烧结接合的方法。从热应力缓和效果和变形以及硬质合金 和钢的接合性能等考虑，中间层粉末一般选择c o 多的硬质合金或者添加w c f e 系、 f e n i 系合金。这种方法的突出特点是不太受结合面形状和光洁度的限制，中间层本 身的硬度、强度、耐磨性优良。为此接合部材料的设计范围宽，接合部的强度和耐 磨性优于钎焊的接合，能广泛地应用各个领域。但在研究中发现，当钢的碳含量较 低时，硬质合金中的碳向钢中扩散，导致硬质合金中含碳量降低，在结合界面硬质 合金- n 形成脆性的n 一碳化物( c o 。w 。c ， f e ，w ，c ，以下称为n 相) 。当在硬质合金与 钢之间用n i f e 合金或n i 箔做为过渡层时，在焊接状态下，没有发现n 相。但在焊 后热处理后，无论是f e n i 合金箔还是n i 箔作为过渡层，均发现n 相在界面析出。 华中科技大学硕士学位论文 在热喷涂n i 基自熔合金后，界面上也发现n 相。由此可见，在硬质合金与钢结合层 界面上析出脆性的n 相是这种连接方法存在的主要问题之一。特别是硬质合金与钢 界面易形成有害的n 相，使结合部位抗弯强度低等问题“。另外烧结接合还存在着 成本高，时间长，组织易粗化等缺点。所以人们正试图寻找一种优于烧结接合的新 方法。 所以，为扩大硬质合金的应用范围，降低硬质合金制品的成本，将硬质合金与 韧性较好、强度较高、加工性能优异的、廉价的钢复合起来使用，具有重要的实用 价值。近年来随着对复杂异型大件硬质合金复合工件要求的增加，硬质合金与钢的 连接问题愈加突出。但是，迄今为止，工业上使用的各种连接技术都或多或少存在 着不足。弄清硬质合金和钢连接界面产生脆性复合碳化物( 以下称为r l 相) 的形成机 理，开发硬质合金和钢连接的新技术，实现该技术的工业化生产，将具有广阔的应 用前景。 1 3 铣刨机的发展现状和铣刨刀的市场情况 随着我国公路交通事业突飞猛进地发展，特别是经过“八五“和“九五”期间 的快速健康发展，我国公路基础设施的总量取得了巨大的突破，1 9 9 8 年以来年均通 车里程超过4 0 0 0 公里，年均完成投资1 4 0 0 亿元，到2 0 0 3 年底，我国高速公路通车 里程一举达到3 万公里，2 0 0 4 年中国新增公路通车里程4 6 万公里，总里程将达1 8 5 6 万公里；高速公路里程新增4 4 0 0 公里，到2 0 0 4 年底，我国高速公路通车里程已超 过3 4 万公里，继续保持世界第二。根据交通部最新公布的国家高速公路网规划， 从2 0 0 5 年起到2 0 3 0 年，国家将斥资两万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使我国 高速公路里程达到8 5 万公里”“”。 在这种形势下，对公路养护作业的质量提出了更高的要求，现代化的机械养护 作业方式势在必行。在市场前景看好、市场需求强劲的形势下，经过多年努力探索 的路面养护机械在2 0 0 2 年市场上全面绽放。路面铣刨机作为公路及城市道路养护的 专用设备，其主要功能是清除和剥离公路车辙、龟裂及痈包等路面病害。由于受到 市场需求的制约，在我国发展较晚，直到2 0 世纪8 0 年代初，在天津和江苏镇江， 才有个别企业生产制造较简易的铣刨机，铣刨宽度仅为0 5 m ，全机械传动，并且不 带物料回收装置和切深自动控制系统，当时主要是为了满足一些城市道路小规模养 护作业的需要。2 0 世纪9 0 年代初，随着我国高速公路的建设和发展，快速高质量的 路面养护作业成为公路交通行业关注和研究的重要课题，对现代化的路面铣刨机有 了市场需求，于是我国通过引进，将路面铣刨机运用于高速公路的机械养护作业中。 6 华中科技大学硕士学位论文 根据我国公路发展的统计情况看，未来公路养护对各类现代化机械设备的需求 将会越来越大。就路面铣刨机而言，如果以高速公路每百公里配置一到两台，二级 以上公路每二百公里配置一台来计算，再考虑城市道路的需求，将会有一个很大的 市场。从这些年的进口情况看，主要引进的是德国维特根公司的大型铣刨机，如 2 0 0 0 d c 、w 1 9 0 0 、w 2 0 0 0 等，也引进了瑞典戴纳派克公司和意大利玛连尼公司的一些 大型路面铣刨机。每年的进口台数大约在3 0 台左右。随着高速公路大修期的到来， 和公路交通行业以及城市管理部门对现代化养护方式的认识，对路面铣刨机的需求 将会逐年增加，并且会以很快的速度增加。预计经过2 至3 年的发展，我国市场的 年需求量将会达到2 0 0 3 0 0 台。在此利好的诱导下，国内厂商纷纷投入铣刨机的研 制开发，在c h i n a t r a n s p 0 2 0 0 2 展会上展出路面铣刨机的厂家就有陕建、西筑、徐工、 西安宏大、镇江华晨华通、沈阳北方、天津鼎盛以及w i r t g e n 、戴纳派克、比特利等 1 0 余家。人们不禁要发出感叹：多米诺骨牌已经倒下，路面铣刨机时代就要来临。 事实上，以铣刨机为主要设备的机械化养护作业方式已经在全国各条高速公路 上被采用，成为目前形势下的一种标准养护模式，也必将成为二级以上公路和城市 道路的养护模式。路面铣刨刀是铣刨机上不可缺少的易损件，铣刨1 公里左右就要 更换一组，每组1 5 0 2 0 0 件，市场价约6 0 元件，每组9 0 0 0 1 2 0 0 0 元。我国高速公 路已超过3 万公里，再加上囤道，省道等二级公路，以及广场街道等，路面铣刨刀的 总市容大于3 亿元，并且随着公路总量增加，公路的老化及水泥路面改造成沥青路 面这一市场将增长很快。目前，市场上的路面铣刨刀主要依赖进口，主要来自德国， 美国等西方国家。我国的铣刨机生产企业如陕建，西筑，徐工，沈阳北方，镇江华 晨华通等都希望在国内找到进口路面铣刨刀的替代品。随着我国加大基础设施的投 入以及西部大开发战略的实施，路面铣刨刀市场必定是一个高速成长型市场，其发 展空问不可低估。 1 4 硬质合金路面铣刨刀的分类 路面铣刨刀头是路面铣刨机的主要工作件之一，装配在直径为1 米的铣刨鼓的刀 座上( 见图1 ) 。它是易损件，结构简图如图2 所示，由合金头，刀柄，弹簧套，卸载环 四个零件组成：。d 配合铣刨机刀座一般取2 0 m m 和2 2 m m ，h 一般取4 8 m m ，h 一般取8 8 m m 和9 0 m m 根据铣刨机的类型、铣刨的深度、路面硬度等因素。d 的取值大不相同，大 致有如下规格( 见表卜1 ) 7 华中科技大学硕士学位论文 表1 - 1a d 的取值 编号i 12345 i 67 l 8 o d ( m m ) i 891 01 0 51 1 l 1 31 5 l1 5 | 图卜1 卜_ 0 0 r _ j 图卜2 根据硬质合金路面铣刨刀工作的路面材质分为：沥青路面铣n t j ( i 虱1 - 3 ，图1 - 4 ， 图1 5 ，图l 一7 ) 和水泥路面铣刨刀( 图1 - 6 ) ；根据硬质合金路面铣刨刀头合金有无加强 筋分为：有加强筋( 图1 - 3 ) 和无加强筋( 图1 - 4 ，图1 5 ，图1 - 6 ，图1 7 ) ；根据有无 卸载环分为：有卸载环( 图1 3 ，图1 - 4 ，图1 5 ，图1 - 6 ) 和无卸载环( 图1 7 ) 。 图卜3a 型图卜4b 犁 图卜5c 犁 8 华中科技大学硕士学位论文 图卜6d 碰 1 5 本文的主要研究内容和目的 图卜7e 型 本课题是积极响应集团公司的“两头延伸”战略的产物，是公司的重要课题，目 的是为公司丌发一个市场潜力较大的工具类产品，为公司的产品结构升级，增加硬 质合金的附加值。 随着本课题的完成，我们将摸索出一套硬质合金与钢件有效的连接方法，这将为 以后工具类产品的开发奠定较好的基础。本文主要做了以下研究工作： ( 1 ) 在充分进行市场调查的基础上，为方便生产和销售，对硬质合金路面铣刨刀 进行了科学分类，。 ( 2 ) 为减少了刀柄的早期磨损，改善铣刨刀的受力状态，我们优化了硬质合金路 面铣刨刀的结构形式，并设计了机夹式硬质合金路面铣刨刀，使刀头的表面硬度从焊 接式的h r c 4 7 左右提高到了h r c 7 2 左右，耐磨性成倍增强，抗剪切强度提高到了 7 0 0 1 0 0 0 m p a 。专利得到了国家知识产权局的认定，专利号：2 0 0 4 2 0 0 3 5 2 2 5 2 。 ( 3 ) 设计了刀具的合理角度：刀头取正前角y = 1 5 0 ，刀头锥角设计为6 0 0 ，铣刨刀 的合理安装角为4 5 0 5 0 0 。另外为保证刀具的强度及考虑到硬质合金的脆性，我们 把刀尖设计成球冠型，这样设计的刀具得到了用户的认可。 ( 4 ) 通过实验研究了钎焊工艺参数对路面铣刨刀性能的影响：感应圈的大小、匝 数、电流频率等影响加热速度的参数对合金产生应力及裂纹有很大影响；冷却速度、 焊缝间隙对合金产生应力及裂纹有一定影响，影响程度要明显小于前者。 ( 5 ) 通过实验数据和基本理论，分析了硬质合会钎焊裂纹形成的机理：过快的加 华中科技大学硕士学位论文 热速度导致过大温度剃度而引起的热应力是产生裂纹的主要原因；w c 与c o 线胀系数 不同而引起的应力对裂纹有一些影响；刀柄和合金的膨胀系数不同而引起的应力对 裂纹影响不大；裂纹源在加热的过程中首先形成于合金本身的缺陷处，然后在冷却 过程中扩展，最终形成宏观裂纹。 焊接工艺参数对合金裂纹的形成有重要影响，其中加热速度为显著性因素，冷 却速度和焊缝间隙均为非显著性因素，影响相对较小。 使用无缺陷的合金、焊前焊后喷砂和清洗、控制加热速度、适当控制焊缝间隙 和冷却速度是减少裂纹和提高焊接强度的有效途径。 6 ) 通过实验解决了硬质合金路面铣刨刀焊接时焊料与焊剂的搭配问题：焊料为 8 0 1 铜焊片，焊剂为f 8 0 1 ，抗剪切强度达2 9 0 3 2 0 m p a 。 7 ) 通过实验数据和理论分析，确定了焊接淬火一体化工艺是解决刀柄表面硬度 因焊接加热而软化问题的有效方法，同时焊接强度也得到了保证。 8 ) 通过现场实验和工地使用证明了我们开发的硬质合会路面铣刨刀基本达到 了国外( 主要是美国k e n n a m e t a l 公司) 同类产品的水平，得到了用户的认可。 9 ) 设计和制造了自动焊接机。实践证明它能很好地消除操作者对焊接工艺的影 响，降低劳动强度、更好地规范焊接淬火一体化复合工艺。 1 0 ) 自动焊接机采用圆偏心夹紧机构夹紧工件、气缸斜楔机构加压、单片机 p i c l 6 f 7 4 控制，使焊接淬火一体化复合工艺自动完成，班焊接生产能力提高到7 2 0 件左右，劳动生产率提高了5 - 6 倍，顺利实现了大规模生产。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 硬质合金路面铣刨刀结构优化的研究 2 1 沥青混泥土路面材料性能 沥青混泥土路面是用高稠度石油沥青为结合料，经高温加热与各种矿质材料强 制拌合、摊铺、碾压而成。沥青混泥土路面材料是混合材料，能普分析知其主要构 成元是硅、钙、铝、碳、钾、铁等元素其中含量较多的是硅和钙。构成的化学物 质主要有石英( s i0 2 ) 、方解石( c a c 0 。) 、白云石( c a m g ( c o d ：) 、高岭土( a l 。0 3 、2 s i o ：、2 h ：o ) 等。各种物质的结构形态及硬度见表2 1 表2 - 1 沥青混泥土路面材料结构形态与硬度 成分 结构硬度 石英方解石白云石高领土 六方晶系 三方晶系 六方、斜方晶系 晶体结构 微细品粒 致密结晶体土状结晶体致密小块 颗粒尺寸( m m ) 0 40 3 - 0 5 0 3 h v l 4 0 h v l 4 0 1 铣刨刀2 弹簧套3 刀座4 铣刨机滚筒5 卸载环 图2 - 1 铣刨刀1 ：作原理 1 l 华中科技大学硕士学位论文 铣刨机工作装置是铣刨鼓筒，铣刨刀座沿铣刨鼓筒中问对称螺旋线间隔一定的 距离分布( 见图2 2 ) 。其作用是保证按顺序依次切入路面，使铣刨省力，同时保证 具有收料作用。 2 3 、斗4 一 、l 1 铣刨机滚筒2 螺旋形刀尖连线3 线螺旋线中间对称线u 螺旋角 图2 2 铣刨刀安装示意图 2 3 路面铣刨刀的失效形式 实验表明，由于施工时切削阻力和冲击抗力很大，刀具的失效主要有硬质合金 刀尖磨损失效和崩刃、脱焊、刀柄与硬质合金刀头焊接处磨出整圈沟槽、刀柄断裂、 卸载环压陷，弹簧套磨损等，见图2 3 。磨损失效和脱焊是路面铣刨刀的主要失效 形式，占9 0 以上。 图2 3 路面铣刨刀的失效形式 1 2 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 4 是硬质合金刀头磨损的扫描电镜图，观察可知刀尖处有明显的凹坑和有 向性划痕。这是铣刨刀以一定的转速切削时，石英等硬质颗粒对硬质合金刀头产生 的磨粒磨损，因为有冲击载荷作用，所以是高应力凿削式。磨损如此明显，说明刀头 与路面材料发生了激烈的磨擦，表明刀头的失效不单跟路面硬度、焊接结合力有关， 还与切削要素、刀具几何形状及刀具角度密切相关。 图2 - 4 硬质合金刀尖磨损形貌 图2 - 5 刀柄磨损形貌 图2 5 是铣刨刀工作早期，刀柄磨损后的扫描电镜图。刀柄靠近刀头处表面有 明显划痕和犁沟。本应由硬质合金刀头承担的切削任务，由于硬质合金刀具的几何 形状、刀具角度、安装角度的不合理，工况条件恶劣，造成刀柄部分与路面材料直 接接触，参与切削，发生摩擦磨损。由于刀柄硬度远低于硬质合金，所以先于硬质 合金刀头被磨损。 2 4 路面铣刨刀切削机理 铣刨机的工作装置是铣刨滚筒。在滚筒上沿螺旋轨迹安装1 6 0 - 2 0 0 把铣刨刀， 工作是转子上的刀具依次切入路面，切削状态如图2 - 1 所示。铣刨鼓随铣刨机的前 进做直线运动，同时自身相对前进方向反转，铣刨刀具的切削轨迹是二者运动的复 合( 余摆线) ，当刀具运动至图2 - 6 所示最下方位置a 时开始铣削工作，运动到b 点 时离开切削路面，最大铣削厚度b b 由铣刨机起切深度、前进速度和铣刨转子转速 决定。 路面铣刨切削下的切屑有两种形式，一种是条块状，另一种是颗粒状。条块状 切屑的产生类似农业旋耕机耕做硬质板化农田过程，刀头作用于路面材料时产生挤 裂裂纹，刀头继续作用，前部裂纹扩展到一定程度产生撕裂和折断、形成大块条状 华中科技大学硕士学位论文 切屑沿前进方向产生犁沟：颗粒状切屑是在刀尖临近区域因切削力作用于路面材料 时出现的挤压滑移和滚动位移，材料成脊状离开原来位置形成的。所以，路面铣刨 切削过程不同于一般金属切削加工中切屑被强制剥离工件基体的过程，接近于脆性 材料的切削。 图2 - 6 路面铣刨切削形式 2 5 硬质合金路面铣刨刀的结构优化 路面铣刨刀的刀头顶端成圆锥形或球冠形，刀柄为圆柱形，为使刀具刀头均匀 摩擦磨损，提高使用寿命，要求刀头每个切削