CN108518227B - 一种盾构刀具及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧道工程施工技术，特别涉及一种盾构刀具及其制备工艺。本发明的盾构刀具包括钢体、胎体和刀片；所述胎体包裹设置在所述钢体的一端；所述胎体远离所述钢体的一端的上端具有刃口，并在刃口处设有刀槽，所述刀片焊接固定在所述刀槽处。制备工艺包括步骤一、模具组装；步骤二、在模具的模腔内对应刀槽的部位装配好预制的刀片替换件；步骤三、装粉装料，将碳化钨粉料填实在模腔内部，形成内部具有孔隙的碳化钨粉体模型；步骤四、熔渗；步骤五、将刀具胎体模型取出，去除刀片替换件，并将预制的刀片钎焊在刀槽处。优点：刀具材料设计合理，刃口耐磨性能较强，整体结构强度较高，使用寿命长，加工工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程施工技术，特别涉及一种盾构刀具及其制备工艺。
背景技术
盾构机是一种隧道工程施工的专门设备，施工时，盾构机一边利用刀盘及其上安装固定的多种刀具来切割土体，一边进行排土和拼装预制混凝土衬砌块，如此循环推进，直至隧道安全贯通。其中盾构刀具在掘进中起关键作用，也直接影响到盾构工程的进度和效率。目前不管是滚动类刀具(包括钢齿/球齿滚刀、钢刀圈/球齿刀圈盘形滚刀)还是切削类刀具(包括边切刀、刮刀、齿刀、先行刀等)，其结构主要由硬质合金刀刃部件和支撑联结的钢体部件组成，如最为简单结构的盾构切刀而言，其刀刃采用硬度>86HRA，抗弯强度>1200MPa的硬质合金材质制成，硬度高，耐磨，强度较高，并具有一定的韧性；钢体采用Q235类材质，韧性好，加工性能好，主要起支承联结作用，但硬度低，不耐磨损；刀刃和钢体之间用钎焊方式进行连接，形成刀具整体。
目前盾构机掘进过程中主要存在的一个问题是刀具使用寿命短容易失效问题，以武汉某施工场地的施工实例来看，盾构机每掘进20米，必须停工更换失效刀具，遇到不适应土体时，换刀操作更加频繁，否则盾构机掘进非常缓慢，甚至寸步难行，直接影响到盾构机的工作效率、工程进展及工程的经济效益。而刀具失效的主要原因在于刀具耐磨性不够，刀刃及周边钢体区域磨损严重，另外还存在刀体断裂和刀刃脱落的现象发生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种盾构刀具及其制备工艺，有效的克服了现有技术的缺陷。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
提供一种盾构刀具，包括钢体、胎体和刀片；
上述胎体包裹设置在上述钢体的一端；
上述胎体远离所述钢体的一端的上端具有刃口，并在刃口处设有刀槽，上述刀片焊接固定在上述刀槽处。
本发明的有益效果是：刀具采用三层梯度性能材质组成结构，其结构强度高，耐磨性能好，使用寿命长。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，上述钢体上设有上下贯穿其的多个安装孔。
采用上述进一步方案的有益效果是便于刀具与盾构刀盘的装配组合使用。
进一步，上述刀片为聚晶金刚石复合片。
采用上述进一步方案的有益效果是刀片硬度和耐磨性较佳，经久耐用。
进一步，上述胎体为碳化钨胎体。
采用上述进一步方案的有益效果是便于后期熔渗处理，形成坚固耐磨胎体，有效固定刀片。
还提供一种盾构刀具的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、模具组装，根据刀具的几何结构对模具各个部分进行拆解设计，并在设计完之后完成拼装，形成完整的模具；
步骤二、在模具的模腔内对应刀槽的部位装配好预制的刀片替换件；
步骤三、装粉装料，将碳化钨粉料填实在模腔内部，形成内部具有孔隙的碳化钨粉体模型；
步骤四、熔渗，在碳化钨粉体模型上端插入钢体，并在碳化钨粉体模型上端位于钢体的四周与模腔内壁之间的间隙处装填铜粒子，之后将整个模具在1000-1100℃放入加热炉中加热至1000-1100℃之间，以使铜粒子全部熔化并渗入到碳化钨粉体模型的内部孔隙中，形成刀具胎体模型；
步骤五、将刀具胎体模型取出，去除刀片替换件，并将预制的刀片钎焊在刀槽处。
采用该工艺的有益效果是整个加工过程操作简单易行。
进一步，上述模具为石墨模具。
采用上述进一步方案的有益效果是利于脱模。
上述刀片替换件为石墨替换件。
采用上述进一步方案的有益效果是利于拆除。
附图说明
图1为本发明的盾构刀具的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、钢体，2、胎体，3、刀片，11、安装孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例一：如图1所示，本实施例提供一种盾构刀具，包括钢体1、胎体2和刀片3；
上述胎体2包裹设置在上述钢体1的一端；
上述胎体2远离上述钢体1的一端的上端具有刃口，并在刃口处设有刀槽，上述刀片3焊接固定在上述刀槽处。
整个刀具从“刀刃-胎体-钢体”由不同材料制成，整体上具备一定强度和韧性的梯度体系，因此除了耐磨性显著提高外，耐冲击性进一步增强，较能适应盾构施工参数环境，因此使用时能大幅减少刀具磨损，延长刀具使用寿命，减轻刀具更换频率，从而使盾构施工效率提高30-50％，有效地减少了现场换刀频率和工作强度，保证盾构机掘进进度和施工效率。
需要说明的是，如图1，胎体2的前端面为斜面，该斜面与水平面之间形成夹角β，且5°＜β＜15°，最佳为12°；胎体2的后端面也是斜面，与竖直平面之间形成夹角α，且0°＜α＜20°，最佳的为14°。
较佳的，上述钢体1上设有上下贯穿其的多个安装孔11，便于将整个刀具通过穿过安装孔11的连接件与盾构机刀盘等其他结构连接固定，连接件可以是螺钉或螺栓等。
较佳的，上述刀片3为聚晶金刚石复合片，其硬度和耐磨性比较突出。
较佳的，上述胎体2为碳化钨胎体，利于后期熔渗处理。
实施例二：本实施例提供一种盾构刀具的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、模具组装，根据刀具的几何结构对模具各个部分进行拆解设计，并在设计完之后完成拼装，形成完整的模具，该模具为上端开口的模具，其模腔内部的下部设计为与胎体2相匹配的腔体。一般的胎体2在制模时刃口端向下，装有钢体1的一端向上；
步骤二、在模具的模腔内对应刀槽的部位装配好预制的刀片替换件；
步骤三、装粉装料，将碳化钨粉料填实在模腔内部，形成内部具有孔隙的碳化钨粉体模型，一般的，胎体2使用多粒度的组合配方，以保证胎体2整体的致密度和熔渗后的表面质量；装料时要不断地进行振动模具，以保证粉料的流动来填实模腔；
步骤四、熔渗，在碳化钨粉体模型上端插入钢体，并在碳化钨粉体模型上端位于钢体1的四周与模腔内壁之间的间隙处装填铜粒子，之后将整个模具在1000-1100℃放入加热炉中加热至1000-1100℃之间，以使铜粒子全部熔化并渗入到碳化钨粉体模型的内部孔隙中，形成刀具胎体模型；
步骤五、将刀具胎体模型取出，去除刀片替换件，并将预制的刀片3钎焊在刀槽处。
需要说明的是，在钎焊前，必须对刀槽进行清理，除去油污和氧化膜层，保证0.01～0.1毫米装配间隙，之后采用铜基或银基焊剂，通过高频加热将刀片3钎焊在刀槽处。刀片3采用六面顶压机高温高压制备，通常呈规则方块形、棱柱形、圆形；焊接钎料有铜基、银基、铝基、镍基等合金，熔点在450℃以上，焊接过程中添加硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等助熔剂，高频加热/焊接操作简便、无局部变形、焊接强度高、节约材料显著，综合机械性能优越。
钎焊完毕之后，将整个刀具进行表面清理并打包即可。
上述模具为石墨模具，比较利于脱模。
上述刀片替换件为石墨替换件，便于后期的拆除。
本发明将传统盾构切刀的简单联结二部分的组成结构改进为三层梯度性能材料的组成结构，并巧妙地运用熔渗技术将三者冶金结合形成整体；再通过新材料的运用和刀具结构参数的优化设计，使刀具棱角分明，各部位的性能均得到大幅提升，梯度性能结构设置进一步提高刀具整体耐磨性，刀具使用寿命提高50％以上，最后优化改进传统的熔渗技术及其工艺，融入现在制造技术手段完成超硬刀具的制备，加工环节简单易行。
整个技术方案提高了切刀的耐磨能力和抗冲击性，降低了切刀刀头的磨损消耗，较大延长了盾构切刀的使用寿命，减少换刀频次。刀具制造工艺简单无污染，工序能耗低，生产流程较短。将以上研制的超硬盾构切刀用于模拟试验，在切削深度和切削速度不变的情况下，切刀磨损消耗减少了28％-50％，盾构施工综合效率提高40％以上。
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 (6)
1.一种盾构刀具的制备工艺，其特征在于，所述盾构刀具包括钢体(1)、胎体(2)和刀片(3)；
所述胎体(2)包裹设置在所述钢体(1)的一端；
所述胎体(2)远离所述钢体(1)的一端的上端具有刃口，并在刃口处设有刀槽，所述刀片(3)焊接固定在所述刀槽处；
制备工艺包括以下步骤：
步骤一、模具组装，根据刀具的几何结构对模具各个部分进行拆解设计，并在设计完之后完成拼装，形成完整的模具；
步骤二、在模具的模腔内对应刀槽的部位装配好预制的刀片替换件；
步骤三、装粉装料，将碳化钨粉料填实在模腔内部，形成内部具有孔隙的碳化钨粉体模型；
步骤四、熔渗，在碳化钨粉体模型上端插入钢体，并在碳化钨粉体模型上端位于钢体(1)的四周与模腔内壁之间的间隙处装填铜粒子，之后将整个模具在1000-1100℃放入加热炉中加热至1000-1100℃之间，以使铜粒子全部熔化并渗入到碳化钨粉体模型的内部孔隙中，形成刀具胎体模型；
步骤五、将刀具胎体模型取出，去除刀片替换件，并将预制的刀片(3)钎焊在刀槽处。
2.根据权利要求1所述的一种盾构刀具的制备工艺，其特征在于：所述模具为石墨模具。
3.根据权利要求1或2所述的一种盾构刀具的制备工艺，其特征在于：所述刀片替换件为石墨替换件。
4.根据权利要求1所述的一种盾构刀具的制备工艺，其特征在于：所述钢体(1)上设有上下贯穿其的多个安装孔(11)。
5.根据权利要求4所述的一种盾构刀具的制备工艺，其特征在于：所述刀片(3)为聚晶金刚石复合片。
6.根据权利要求5所述的一种盾构刀具的制备工艺，其特征在于：所述胎体(2)为碳化钨胎体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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