CN105798222A - 一种盾构机用滚刀刀圈锻造模具及锻造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锻造领域，具体地说就是一种盾构机用滚刀刀圈锻造模具及锻造方法，它适用于盾构机用滚刀刀圈锻造模具的设计和制造过程。锻造模具包括锻造用上模具、锻造用下模具、导向定位销、导向定位孔、吊耳螺头孔、上模腔、下模腔、分模面、飞边仓部、飞边桥部等，整套模具的连接方式为：当锻造用上模具和锻造用下模具的导向定位孔对齐后，插入导向定位销。当锻造用上模具和锻造用下模具闭合后，上模腔和下模腔结合的内部腔体与锻件外部形状相同。本发明设计锻造模具省去了模具钳口位置与顶出装置，结构简单，工程便于实现。采用本发明锻造模具和锻造方法生产出的锻件锻造流线闭合、均匀，锻件致密度高，组织力学性能好。

Description

一种盾构机用滚刀刀圈锻造模具及锻造方法
技术领域
本发明属于锻造领域，具体地说就是一种盾构机用滚刀刀圈锻造模具及锻造方法，它适用于盾构机用滚刀刀圈锻造模具的设计和制造过程。
背景技术
盾构机用滚刀刀圈是盾构机的关键部件，在盾构机施工过程中承受高达260～330KN的载荷，盾构机滚刀刀圈常以磨损和断裂等形式失效，以及高载荷下导致的其他失效形式也会迫使盾构机停止作业，频繁的换刀不仅会延误施工工期，同时也会增加盾构施工成本。
传统的盾构机用滚刀刀圈普遍采用轧环方式生产。相比于锻造成型，轧环方式生产盾构机用滚刀刀圈过程中变形量较小，金属变形程度低，在组织及力学性能方面均差于锻造成型生产的盾构机用滚刀刀圈，同时轧环生产盾构机用滚刀刀圈金属流线不闭合、沿盾构机用滚刀刀圈分布不均匀。因此，相比于锻造成型，轧环生产盾构机用滚刀刀圈耐磨性差，使用寿命较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种盾构机用滚刀刀圈锻造模具及锻造方法，用以解决传统盾构机用滚刀刀圈生产中的金属变形程度低、组织及力学性能差、金属流线不闭合不均匀分布等问题。
本发明的技术方案是：
一种盾构机用滚刀刀圈锻造模具，包括相互匹配的锻造用上模具和锻造用下模具，锻造用上模具和锻造用下模具通过导向定位销连接，锻造用上模具和锻造用下模具之间相对应面为分模面；锻造用上模具设有上模腔、飞边仓部、飞边桥部，上模腔凹陷于锻造用上模具且与飞边桥部连通，飞边桥部与飞边仓部连通；锻造用下模具具有下模腔、飞边仓部、飞边桥部，下模腔凹陷于锻造用下模具且与飞边桥部连通，飞边桥部与飞边仓部连通；上模腔与下模腔具有相同的内轮廓及几何外形，上模腔与下模腔对称设置构成模腔，上模腔、下模腔的飞边桥部对称组合，上模腔、下模腔的飞边仓部对称组合；当锻造用上模具和锻造用下模具闭合后，上模腔和下模腔结合的内部腔体与锻件外部形状相同。
所述的盾构机用滚刀刀圈锻造模具，锻造用上模具的飞边仓部和锻造用下模具的飞边仓部组合高度H为8～12mm，飞边仓部组合宽度L2为30～60mm。
所述的盾构机用滚刀刀圈锻造模具，锻造用上模具和锻造用下模具分别具有吊耳螺头孔、导向定位孔，吊耳螺头孔的中心线与锻造用下模具的一个边缘呈45°交角，导向定位孔的中心线与锻造用下模具的一个边缘呈45°交角，导向定位孔的中心线与吊耳螺头孔中心线呈90°交角；或者，吊耳螺头孔的中心线与锻造用上模具的一个边缘呈45°交角，导向定位孔的中心线平行于锻造用上模具的一个边缘，导向定位孔的中心线与吊耳螺头孔中心线呈90°交角。
所述的盾构机用滚刀刀圈锻造模具，导向定位孔直径为50～80mm，导向定位销直径为50～80mm，导向定位孔和导向定位销的长度为200～300mm，导向定位孔与导向定位螺栓采用间隙配合；吊耳螺头孔直径为5～15mm，深度为30～60mm。
所述的盾构机用滚刀刀圈锻造模具，上模腔和下模腔的拔模斜度为4°～8°，下模腔底部和上模腔顶部的凹圆角半径3～7mm，下模腔和上模腔的凸台处凸圆角半径3～7mm；锻造用上模具的飞边桥部和锻造用下模具的飞边桥部组合高度h为4～6mm，飞边桥部组合宽度L1为14～20mm。
所述的盾构机用滚刀刀圈锻造模具，锻造用上模具、锻造用下模具通过导向定位销呈交叉结合，漏出四个楔角，便于锻造完成后锻造用上模具和锻造用下模具从分模面分离。
所述锻造模具的盾构机用滚刀刀圈的锻造方法，具体步骤如下：
步骤一，截取部分圆棒料，加热冲孔，制备坯料；
步骤二，将步骤一中的坯料进行扩孔至所需环形坯料尺寸；
步骤三，将步骤二中的环形坯料进行粗加工，在环形坯料边缘处进行倒圆角处理；
步骤四，展开锻件的成型过程：将步骤三所述环形坯料进行加热至所需锻造温度后，置于锻造模具中进行锻造，制成锻件；
步骤五，将步骤四所述成型后锻造用上模具和锻造用下模具分离，取出锻件；
步骤六，将步骤五中的锻件送入退火炉内进行随炉冷却。
所述的盾构机用滚刀刀圈的锻造方法，步骤一中坯料加热温度为1100℃～1180℃，步骤二中坯料加热温度至1100℃～1180℃，步骤四中坯料加热温度为1100℃～1200℃，步骤四中模具预热温度为150℃～300℃。
所述的盾构机用滚刀刀圈的锻造方法，步骤一、步骤二、步骤四中坯料的均在真空炉内加热。
所述的盾构机用滚刀刀圈的锻造方法，步骤四中，当坯料在锻造模具中成型时，坯料会首先向模腔底部扩展，然后向模腔顶部扩展，在成型的最后阶段，多余金属从飞边桥部溢出，形成飞边；锻造用上模具与锻造用下模具分离时，锻造成型后的锻件通过飞边仓部与飞边之间的间隙取出。
相对于现有技术，本发明的优点及有益效果是：
1、本发明所述锻造方法中，由于对环形坯料进行倒圆角处理，防止了折叠缺陷的产生；同时，按照本发明所述锻造方法，锻件不会出现裂纹。
2、按照本发明所述锻造方法生产的锻件，具有较高的致密度，金属流线完整、均匀，同时提升组织力学性能。
3、本发明锻造用上模具和锻造用下模具的定位导向孔在模具上位置分布不一致，使锻造用上模具和锻造用下模具闭合时出现四个楔角，便于锻造用上模具和锻造用下模具的脱离，省去了模具钳口位置。
4、本发明锻造用上模具和锻造用下模具脱离时，锻件产生的飞边流入飞边槽，但不会充满整个飞边槽，考虑到锻件尺寸不大，可通过飞边与飞边槽间隙将锻件取出，相比于传统锻造工艺，本发明省去了顶出装置。
总之，本发明设计锻造模具省去了模具钳口位置与顶出装置，结构简单，工程便于实现。采用本发明锻造模具和锻造方法生产出的锻件锻造流线闭合、均匀，锻件致密度高，组织力学性能好。
附图说明
图1为本发明实施例提供的锻件截面示意图；
图2为本发明实施例提供的锻造模具的270°上下二等角轴测示意图；
图3为本发明实施例提供的锻造模具结构示意图。
附图标记说明：
110—锻件刃部位置，220—锻件中部位置，330—锻件底部边缘位置，440—锻件底部中心位置，1—锻造用上模具，2—导向定位销，3—锻造用下模具，4—吊耳螺头孔，5—导向定位孔，6—上模腔，7—分模面，8—下模腔，9—飞边仓部，10—飞边桥部，11—模腔内轮廓；h—桥部高度，R1—模腔底部凹圆角，—模腔内侧壁拔模斜度，L1—飞边槽桥部宽度，L2—飞边槽仓部宽度，H—飞边槽仓部高度。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获取其他的附图。
如图1所示，盾构机用滚刀刀圈锻件为锻件刃部位置110、锻件中部位置220和锻件底部位置(锻件底部边缘位置330、锻件底部中心位置440)等依次组合形成的一体结构，一般是通过传统技术中的轧环方式加工。该锻件在锻件刃部位置110和锻件底部中心位置440，锻件流线并不呈闭合状态；锻件底部边缘位置330处锻件流线经机械加工后垂直于边缘处，呈切断状态；锻件中部位置220处金属变形量较小，致密性较差；同时，采用轧环方式生产的盾构机用滚刀刀圈锻造流线分布不均匀。上述特征对盾构机用滚刀刀圈寿命有很大的影响。
如图2、图3所示，本发明实施例提供一种盾构机用滚刀刀圈锻造模具，包括相互匹配的锻造用上模具1和锻造用下模具3，锻造用上模具1和锻造用下模具3通过导向定位销2连接，锻造用上模具1和锻造用下模具3之间相对应面为分模面7。锻造用上模具1具有吊耳螺头孔4、导向定位孔5、上模腔6、飞边仓部9、飞边桥部10，吊耳螺头孔4的中心线与锻造用上模具1的一个边缘呈45°交角，导向定位孔5的中心线平行于锻造用上模具1的一个边缘，导向定位孔5的中心线与吊耳螺头孔4中心线呈90°交角，上模腔6凹陷于锻造用上模具1且与飞边桥部10连通，飞边桥部10与飞边仓部9连通。
锻造用下模具3结构与锻造用上模具1结构基本相同，锻造用下模具3具有吊耳螺头孔、导向定位孔、下模腔8、飞边仓部、飞边桥部，上模腔6与下模腔8具有相同的模腔内轮廓11及几何外形，上模腔6与下模腔8对称设置构成模腔，下模腔8凹陷于锻造用下模具3且与飞边桥部连通，飞边桥部与飞边仓部连通，上模腔6、下模腔8的飞边桥部对称组合，上模腔6、下模腔8的飞边仓部对称组合；吊耳螺头孔的中心线与锻造用下模具3的一个边缘呈45°交角，导向定位孔的中心线与锻造用下模具3的一个边缘呈45°交角，导向定位孔5的中心线与吊耳螺头孔4中心线呈90°交角。
整套模具的连接方式为：当锻造用上模具1和锻造用下模具3的导向定位孔对齐后，插入导向定位销2。当锻造用上模具1和锻造用下模具3闭合后，上模腔6和下模腔8结合的内部腔体与锻件外部形状相同。
本发明中，锻造用上模具1和锻造用下模具3的设计尺寸均为700×700×150mm，锻造用上模具1的飞边仓部和锻造用下模具3的飞边仓部组合形成飞边槽仓部高度H为8～12mm(本实施例为12mm)，飞边仓部组合形成飞边槽仓部宽度L2为30～60mm(本实施例为50mm)；导向定位孔直径为50～80mm(本实施例为60mm)，导向定位销直径为50～80mm(本实施例为60mm)，导向定位孔和导向定位销的长度为200～300mm(本实施例为280mm)，导向定位孔与导向定位螺栓采用间隙配合；吊耳螺头孔直径为5～15mm(本实施例为10mm)，深度为30～60mm(本实施例为50mm)，吊耳螺头孔的作用是与吊耳配合，便于工厂现场对模具的装卸、运输、使用等。
结合图3，本发明中模腔(锻造用上模具1的上模腔6和锻造用下模具3的下模腔8)设计模腔内侧壁拔模斜度为4°～8°(优选5°～6°)，便于锻件的顺利取出；同时，为便于金属充型过程中充满整个模膛，本发明中设计下模腔底部和上模腔顶部的模腔底部凹圆角半径R1＝3～7mm(优选R1＝3～4mm)，以及下模腔和上模腔的凸台处凸圆角半径R1＝3～7mm(优选R1＝3～4mm)；为了减小锻造过程中的压力，锻造用上模具1的飞边桥部和锻造用下模具3的飞边桥部组合桥部高度h为4～6mm，飞边桥部组合形成飞边槽桥部宽度L1为14～20mm(本实施例为18mm)。
本发明中，导向定位孔5既起到了导向的作用，同时成型过程中也有定位的作用，锻造用上模具1和锻造用下模具3通过导向定位销2连接在一起，当坯料在本发明设计盾构机用滚刀刀圈锻造模具中成型时，坯料会首先向模腔底部扩展，然后向模腔顶部扩展，在成型的最后阶段，多余金属从飞边桥部10溢出，形成飞边。
结合图2，本发明设计盾构机用滚刀刀圈锻造模具的锻造用上模具1、锻造用下模具3通过导向定位销2呈交叉结合，漏出四个楔角，便于锻造完成后锻造用上模具1和锻造用下模具3从分模面7分离，此设计省去了模具钳口的设计。锻造用上模具1与锻造用下模具3分离时，通过飞边仓部9与飞边之间的间隙将锻件取出，此设计省去了顶出装置。
使用上述锻造模具进行盾构机用滚刀刀圈的锻造方法，其具体步骤如下：
步骤一，截取部分圆棒料，加热冲孔，为制取环形坯料制坯。该步骤中所截取的圆棒料一般直径均小于盾构机用滚刀刀圈直径，截取下来的圆棒料经加热至1100℃～1180℃，进行冲孔过程。
步骤二，将步骤一中的坯料进行扩孔至所需环形坯料尺寸。该步骤中，环形坯料外径略小于盾构机用滚刀刀圈直径，环形坯料内径略大于盾构机用滚刀刀圈直径，目的是方便坯料的充型，步骤一中的坯料经温升1100～1180℃，展开扩孔过程。
步骤三，将步骤二中的环形坯料进行粗加工，在环形坯料边缘处进行倒圆角处理，圆角大小为R15～20mm。该步骤中，倒圆角处理会使坯料在成型过程中产生折叠缺陷的几率大大降低。
步骤四，展开锻件的成型过程：将步骤三所述环形坯料进行加热至所需锻造温度后，置于锻造模具中进行锻造，制成锻件。所述步骤四中，锻造模具需要预热，锻造模具(锻造用上模具1和锻造用下模具3)预热温度为150℃～300℃，环形坯料加热至1100℃～1200℃(优选为1120℃～1150℃)，将环形坯料从炉中取出由石棉包裹运至模具，待环形坯料进入模具后展开锻造过程。
步骤五，将步骤四所述成型后，锻造用上模具1、锻造用下模具3分离，取出锻件；锻造用上模具1与锻造用下模具3通过四个楔形角分离，通过飞边与飞边槽之间的间隙取出锻件。
步骤六，将步骤五中的锻件送入退火炉内进行随炉冷却，防止冷速过快导致锻件开裂。
为了防止坯料氧化，上述过程中所有加热过程均在真空炉内进行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构机用滚刀刀圈锻造模具，其特征在于：包括相互匹配的锻造用上模具和锻造用下模具，锻造用上模具和锻造用下模具通过导向定位销连接，锻造用上模具和锻造用下模具之间相对应面为分模面；锻造用上模具设有上模腔、飞边仓部、飞边桥部，上模腔凹陷于锻造用上模具且与飞边桥部连通，飞边桥部与飞边仓部连通；锻造用下模具具有下模腔、飞边仓部、飞边桥部，下模腔凹陷于锻造用下模具且与飞边桥部连通，飞边桥部与飞边仓部连通；上模腔与下模腔具有相同的内轮廓及几何外形，上模腔与下模腔对称设置构成模腔，上模腔、下模腔的飞边桥部对称组合，上模腔、下模腔的飞边仓部对称组合；当锻造用上模具和锻造用下模具闭合后，上模腔和下模腔结合的内部腔体与锻件外部形状相同。
2.按照权利要求1所述的盾构机用滚刀刀圈锻造模具，其特征在于：锻造用上模具的飞边仓部和锻造用下模具的飞边仓部组合高度H为8～12mm，飞边仓部组合宽度L2为30～60mm。
3.按照权利要求1所述的盾构机用滚刀刀圈锻造模具，其特征在于：锻造用上模具和锻造用下模具分别具有吊耳螺头孔、导向定位孔，吊耳螺头孔的中心线与锻造用下模具的一个边缘呈45°交角，导向定位孔的中心线与锻造用下模具的一个边缘呈45°交角，导向定位孔的中心线与吊耳螺头孔中心线呈90°交角；或者，吊耳螺头孔的中心线与锻造用上模具的一个边缘呈45°交角，导向定位孔的中心线平行于锻造用上模具的一个边缘，导向定位孔的中心线与吊耳螺头孔中心线呈90°交角。
4.按照权利要求3所述的盾构机用滚刀刀圈锻造模具，其特征在于：导向定位孔直径为50～80mm，导向定位销直径为50～80mm，导向定位孔和导向定位销的长度为200～300mm，导向定位孔与导向定位螺栓采用间隙配合；吊耳螺头孔直径为5～15mm，深度为30～60mm。
5.按照权利要求1所述的盾构机用滚刀刀圈锻造模具，其特征在于：上模腔和下模腔的拔模斜度为4°～8°，下模腔底部和上模腔顶部的凹圆角半径3～7mm，下模腔和上模腔的凸台处凸圆角半径3～7mm；锻造用上模具的飞边桥部和锻造用下模具的飞边桥部组合高度h为4～6mm，飞边桥部组合宽度L1为14～20mm。
6.按照权利要求1所述的盾构机用滚刀刀圈锻造模具，其特征在于：锻造用上模具、锻造用下模具通过导向定位销呈交叉结合，漏出四个楔角，便于锻造完成后锻造用上模具和锻造用下模具从分模面分离。
7.一种权利要求1至6所述锻造模具的盾构机用滚刀刀圈的锻造方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一，截取部分圆棒料，加热冲孔，制备坯料；
步骤二，将步骤一中的坯料进行扩孔至所需环形坯料尺寸；
步骤三，将步骤二中的环形坯料进行粗加工，在环形坯料边缘处进行倒圆角处理；
步骤四，展开锻件的成型过程：将步骤三所述环形坯料进行加热至所需锻造温度后，置于锻造模具中进行锻造，制成锻件；
步骤五，将步骤四所述成型后锻造用上模具和锻造用下模具分离，取出锻件；
步骤六，将步骤五中的锻件送入退火炉内进行随炉冷却。
8.按照权利要求7所述的盾构机用滚刀刀圈的锻造方法，其特征在于，步骤一中坯料加热温度为1100℃～1180℃，步骤二中坯料加热温度至1100℃～1180℃，步骤四中坯料加热温度为1100℃～1200℃，步骤四中模具预热温度为150℃～300℃。
9.按照权利要求7所述的盾构机用滚刀刀圈的锻造方法，其特征在于，步骤一、步骤二、步骤四中坯料的均在真空炉内加热。
10.按照权利要求7所述的盾构机用滚刀刀圈的锻造方法，其特征在于，步骤四中，当坯料在锻造模具中成型时，坯料会首先向模腔底部扩展，然后向模腔顶部扩展，在成型的最后阶段，多余金属从飞边桥部溢出，形成飞边；锻造用上模具与锻造用下模具分离时，锻造成型后的锻件通过飞边仓部与飞边之间的间隙取出。
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