刀具在切削加工過程中磨損嚴重，如何實現簡單快速的修復，已經成為亟需解決的問題之一。為解決刀具修復問題，對原有修復工藝進行全面系統的改進，提高刀具加工效率、質量和可靠性，從而滿足不斷發展的工業需求。

一、序言

刀具在制造業中扮演著極其重要的角色，其性能會直接影響加工效率和產品質量。刀具表面涂覆的激光熔覆涂層作為提高刀具性能和延長使用壽命的關鍵，在現代制造業中具有重要意義。然而，隨著刀具在反復使用過程中頻繁地受到損傷，修復涂層的工藝研究變得更加重要。本文利用TRIZ理論對刀具修復及改性工藝進行梳理，重點針對刀具梯度熔覆WC涂層修復的工藝進行改進，使修復后的WC涂層既無裂紋和缺陷，刀具體又無熱脆裂現象，同時還能提高刀具的硬度及熱學性能，大幅度提升破損刀具的修復效率，體現激光成形修復技術的應用價值。

二、問題初始形式分析

在研究此問題的初始形式時，首先對現有修復方法的優缺點進行分析，詳見表1。

根據TRIZ理論因果分析方法對現有的刀具修復方法進行分析，詳見表2。

根據上述分析，得出最適合優化改進的修復方法是激光熔覆含WC涂層修復法，使用此方法所用設備無論在軟件還是硬件方面，均易實現加工預測與在線監控，對修復過程中的質量監控有著積極作用。此方法較為開放、靈活，相比其他修復方法，隨著裝備的進步，激光熔覆設備的成本正在逐年降低，在工藝的改進方面仍存在諸多可能。

三、系統分析

3.1 可用資源分析

刀具體的物理性能是保證切削的必要條件之一，修復時，含WC涂層的材料性能需要既能滿足刀具的使用性能要求，又能適應修復工藝要求以及確保修復后刀具的實用性。分析后的可用資源見表3。

3.2 功能分析

（1）系統的有用功能　修復后的WC涂層性能一般能夠滿足甚至超過刀具體的使用性能，增材制造工藝能夠有效填補刀具的破損區域，需注意若能量選擇不當，則容易造成熱影響區域過大，導致刀具體損壞，屬于功能不足的有用功能。

（2）系統的有害功能　系統中產生的煙塵、噪聲和粉塵等會導致熱量累積過大，從而改變刀具體性能，嚴重的會使刀具體破損。

（3）有用功能的加強與有害功能的裁剪　通過“采用優化方法對有關參數進行優化”的方式對激光熔覆時的工藝參數選擇進行優化，增強對熱影響源頭的控制；利用“增強系統的可調節性和控制性”建立對熔覆溫度的模擬，控制熱量累積程度，同時消除有害功能。

綜上所述，通過對現行刀具修復工藝進行有用功能的裁剪，保留其WC/Co增材制造修復時的有用功能，同時應用“采用高進化級別的材料”，擬建立過渡熔覆涂層來改善功能的不足。

四、運用TRIZ工具解決問題

4.1 最終理想解

受熱量累積、熱影響區大及刀具體斷裂等因素影響，導致修復質量差、修復效率不高等情況發生，針對此類情況需要建立一個解決方案，在刀具修復過程中能有效控制能量輸出，減少熱影響程度，實現綠色、環保及高效的修復。根據這個需求，可得最終理想解（IFR）見表4。

4.2 原系統熱源的功能模型與物-場模型分析

圖1為原激光熔覆刀具修復系統的功能模型，圖2為物-場模型。由圖1可以看出，在刀具修復問題上，最首要的是解決熱源在修復過程中對不修復區域造成的影響，進而改變不修復區域的性能，造成刀具整體的性能差異，刀具的修復質量難以保證。由圖2可以看出，熱量的累積主要受到熱場（溫度）的影響，引起有害的熱量發散，造成能量的浪費，進而影響修復質量。

4.3 系統改進的方案設想

在解決方案的實際應用中，根據TRIZ理論，需要對許多具體問題作更為全面的思考。為此在確定設計方案時，其他輔助功能與設計原則如下。

1）盡可能強化設計方案的通用性，一種設計可適用于多種環境。

2）新系統的操作應簡單、易行。

3）盡量降低成本與資源消耗。

4）新系統不能違背刀具修復增材制造的基本原理。

根據TRIZ理論中的第2條——抽取原理，原系統中的激光熱量可有效保證熔覆涂層具有良好的結合性，但若激光熱量控制不當，則會引起涂層質量下降，進而引發刀具破損等問題，屬于一把“雙刃劍”，為此在分析原有修復工藝的基礎上，熱量控制的優化方法仍為研究重點。

根據TRIZ理論中的第5條——組合原理，可以建立關于激光系統的多個工藝參數對激光熱量密度的影響模型，總結影響規律，以降低熱影響程度，提高效率。

根據TRIZ理論中第9條——預先反作用原理，可以建立激光熱能的溫度場以及熱應力場數值模擬模型，研究其熱擴散規律，保證熱影響在一個很小的范圍內。

根據TRIZ理論中第24條——中介物原理，可以設計某個過渡層來代替熔覆層與刀具體的直接作用，形成梯度復合涂層，降低熔覆修復涂層時過量的激光能量密度對刀具體的熱影響，以保證修復質量。

4.4 系統改進方案擬定

在刀具修復過程中的第一要務是減少熱源在修復過程中對不修復區域造成的影響,熱量的累積主要受到溫度的影響，引起有害的熱量發散，造成能量的浪費，進而影響修復質量的可靠性。

根據TRIZ理論中的第3條——局部質量原理，擬定通過改變熔覆涂層與刀具體之間的局部性能的方式，降低熱量累積影響的方案。

根據TRIZ理論中的第10條——預先作用原理，擬定采用預先模擬分析熔覆修復時溫度、應力場以及涂層內部組織結構變化的方式，減小熱量累積帶來的有害作用的發散，減少能量的浪費。

根據TRIZ理論中的第26條——復制原理，擬定通過建立關于激光能量與工藝參數的關聯模型，替代原有實驗成本較高的參數選擇過程的方法。

根據TRIZ理論中的第40條——復合材料原理，擬定采用復合材料代替原有熔覆涂層的方式，增強修復質量的穩定性。

4.5 系統改進過程

最終，應用TRIZ理論對刀具破損修復工藝進行改進，建立了新的激光梯度熔覆修復系統。新系統具有以下幾處關鍵優化。

1）圖3所示為新系統的溫度傳遞影響規律，在單層激光熔覆過程進行數值模擬的基礎上，得出熔覆過程中每道次熔覆層受到相鄰道次熔覆層的溫度傳遞影響規律。

2）將激光熔覆過程中多個工藝參數綜合考量，以激光能量密度為控制指標，將復雜的激光工藝參數擬合為一個綜合工藝參數，以便控制。

3）通過添加Ni60材料過渡層，完成激光梯度熔覆過程，新系統梯度熔覆如圖4所示，梯度熔覆后的效果如圖5所示。

五、結束語

刀具梯度熔覆WC涂層修復工藝的改進是優化現代加工工藝的一次重要嘗試，突破了現有工藝所面臨的挑戰，提高了刀具的性能和壽命，減少了資源的浪費。未來此項技術可以應用在不同形貌的破損刀具上，發展潛力巨大。通過TRIZ創新理論進行分析，能夠更好地降低熔覆過程中的熱影響程度，降低成本，實現資源的多次利用，最終將效益擴大化。修復工藝的改進與優化為制造業的發展和創新作出了重要貢獻。