CN109681222A - 一种镶嵌堆焊结合式滚刀刀圈 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及盾构机刀具技术领域，提供一种镶嵌堆焊结合式耐磨刀圈，包括采用合金钢或碳素结构钢制造的圈体及在其上面开设的燕尾状凹槽，凹槽内嵌有硬质合金齿，硬质合金齿的端部凸起于圈体外圆周，凸起部分之间有耐磨堆焊层，耐磨堆焊层是采用堆焊的形式填满圈体外沿的硬质合金齿之间的空隙，耐磨堆焊层的厚度能使其外层面与硬质合金齿外端面的高度相同，以保证硬质合金齿在圈体外圆周凸起部分与耐磨堆焊层首尾相连组成圆环；硬质合金齿的长度方向与圈体轴向之间呈5°‑30°角。本发明结构新颖，刀圈兼具韧性及耐磨性，既不会崩刃也不会脱齿，而掘进和破岩时刀刃的锋利度巨大，工作效率高，是刀圈方面的创新。
Description
技术领域
本发明涉及盾构机刀具技术领域，更具体的是一种镶嵌堆焊结合式滚刀刀圈。
背景技术
随着城市规模的不断发展和扩大，地铁已经成为解决城市交通问题的最优方式。虽然我国的地铁相比于西方国家起步较晚，但发展迅速，建设中以及筹划修建的地铁线路众多，发展势头强劲。在地铁隧道施工用盾构机，它是利用盾壳抵御围岩压力的情况下，由刀盘切削前方土体并运至后续运输系统，通过顶推千斤顶的推力自行前进，同时由快速组拼成环的钢筋混凝土管片形成隧道主体结构。
目前盾构施工法已经在城市地铁建造的主流方法，安装在刀盘上的滚刀是盾构机破碎岩石的主要刀具，而刀圈是安装在滚刀刀体上的可拆的关键部件，是滚刀磨损的主要部位。滚刀刀圈在整个掘进过程中始终与岩石或泥土相接触，是掘进和破岩的工作刃，目前刀具由于磨损或断裂导致的耗费在隧道施工中占据30%左右的费用，而且刀具磨损到一定程度后，必须更换新刀具，而刀具更换必然耽误隧道施工时间，刀具更换的时间占总施工时间的25%左右。
刀圈施工过程中不仅承受盾构机施予的极大推力，而且还要经受岩石中各种较硬物质的剧烈磨损，因此刀圈工作部分的硬度必须达到60HRC以上，但受到材料性能的限制，在如此高的硬度下会大幅降低刀圈抗冲击性能，在受到大冲击或高频冲击时刀圈容易发生断裂损坏，必须对刀圈进行频繁的更换，而且消耗量很大，降低了盾构机的破岩效率，同时增加了施工成本。
中国专利CN106854993A公开了一种双金属滚刀刀圈，包括基体部分和刃口工作部分，基体部分采用高韧性的合金钢材质锻造而成，刃口工作部分采用硬度为60HRC以上的耐磨合金材质浇筑而成，且在基体部分与刃口工作部分结合处设计有多个梯形卡口。该专利存在的不足是：①刃口由硬度为60HRC以上的耐磨合金材质浇筑而成，造成其抗冲击性能大幅下降；②双金属铸造工艺复杂，生产效率低；③合金钢材质与耐磨合金材质如果要实现冶金结合，必须保证耐磨合金材质的熔点略高于合金钢材质，而该专利文本中并未涉及两种材质的成分，也无浇注工艺，无法进行工业化生产。
中国专利CN201756964U公开了一种盾构机滚刀圈，在圈体外周上钎焊有由多个弧形条组成硬质合金的滚轧环，每个弧形条的两个横侧面上分别设置有凸起的纵向筋。该专利存在如下缺陷：①圈体外沿刀刃全部由硬质合金构成，硬质合金的硬度大耐磨性好，但其抗冲击性差，易出现刀刃崩裂等现象；②硬质合金本身制造成本高，且弧形条的形状复杂，会造成整个刀圈的生产成本大幅提高；③钎焊时硬质合金及圈体材料均不熔化，只有钎料熔化，虽然增加了凸起的纵向筋，但焊缝强度仍然较低，在掘进和破岩的恶劣工况下容易出现硬质合金弧形条脱落的问题。
中国专利CN101633110B公开了一种刀圈制造工艺，刀圈外沿镶嵌硬质合金齿，该专利存在如下不足：①硬质合金齿与圈体是镶嵌组合，基本的钎焊连接也没有，在刀圈旋转工作的过程中硬质合金齿容易脱落；②在专利文本的权利要求1、3、4中均是对硬质合金齿最后进行“在550℃炉内保温150分钟后，以50℃/min以上的冷却速度至室温做淬火处理”，这样的要求不正确，行业公知，只有达到相变点727℃以上后再冷却才是淬火处理，而专利文本的叙述是一个回火工艺，这样反倒降低了其硬度，而在文本第0006段讲述的是“经淬火处理过的刀圈硬度为50-53HRC”，全文并没提到硬质合金齿的硬度，对于硬质合金齿经过前述工艺之后是否符合使用要求不能确定；③硬质合金齿虽然硬度很高，但韧性较差，容易出现刀刃崩裂的现象；④硬质合金制造成本高，而刀圈又是一种易耗件，用量大，这样造成生产成本的大幅增加。
中国专利CN106756592B公开了一种隧道盾构施工用滚刀刀圈，刀圈本体由硬质合金钢制备，钢锭经过均质化处理后模锻并进行机加工，退火后进行软退火、等离子渗氮和热处理。但该专利存在以下问题：行业公知，等离子渗氮层的厚度一般不大于0.8mm，这样薄的渗层在掘进和破岩过程中会造成刀刃很快磨损掉，露出基体，该专利文本第0038段讲述硬度为45-58HRC，与刀圈工况要求硬度60HRC以上有差距，这样势必造成刀圈失效，更换刀圈频繁，生产成本高，生产效率低。
中国专利CN201074516Y公开了一种盾构机滚刀圈，刀圈体的外圆周上嵌装有硬质合金块，硬质合金块通过焊接的方式安装于刀圈的合金槽内。该专利存在问题如下：刀圈体的外圆与硬质合金块齐平，硬质合金块和刀圈体同时进行切割泥土及岩层的工作，如果保证刀圈体不要损失严重，必须要求刀圈体硬度高，这样会造成刀圈体整体韧性下降，无法保证刀圈体的抗冲击性；如果要保证刀圈体的抗冲击性好，其韧性要高，则其硬度不能保证刀圈体可以与硬质合金块一起进行切割泥土及岩层的工作，这样造成的结果是刀圈磨损严重。
综上所述，盾构机用滚刀刀圈的设计和生产存在如下问题：①采用双金属铸造，工艺复杂，无法进行工业化生产；②整个刀圈工作面全部采用堆焊耐磨材料，因面积过大，易出现裂纹等缺陷，使用寿命低；③采用镶嵌硬质合金齿并进行钎焊固定，容易出现硬质合金齿从圈体上脱落的现象；④如果硬质合金齿呈间断式高出刀圈圈体外沿，则会容易出现刀刃崩裂的现象；⑤采用表面热处理，耐磨层太薄，使用寿命短。
受到中国专利 “一种高耐磨抗冲击辊皮衬板和挤压辊的制备方法”（公布号CN108202209A）的启发，通过复合镶铸技术和堆焊方法，将具有合金钢、硬质合金和堆焊高耐磨材料三者复合，使产品具有良好的抗冲击和抗磨损能力，同时磨损表面能通过堆焊方式在线修复。但该技术方案仍存在如下问题：①工作一段时间后，硬质合金棒中间的堆焊金属会磨损大部分，这样就存在着硬质合金棒被整条挤出的可能，这在工作状态下是非常危险的；②硬质合金棒与耐磨堆焊层硬度不同，对于挤压辊或磨辊没有太多影响，但对于盾构机刀圈而言，硬质合金棒的棱线会作为刀刃进行工作，但其棱线与刀圈中心线平行，锋利度差，掘进和破岩效率低。
如何使刀圈具有良好的抗冲击性和抗磨损能力，刀齿既不崩坏也不易脱落，而刀刃又在掘进和破岩时锋利，是盾构机刀具领域工作人员急需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种镶嵌堆焊结合式耐磨刀圈，解决如下问题：圈体具有很好的韧性和抗冲击性；硬质合金齿不易脱落且不会出现崩刃等现象；工作刀刃锋利。
本发明采用如下技术方案：一种镶嵌堆焊结合式耐磨刀圈，包括圈体，其特征在于：所述圈体的外圆周上设置有燕尾状凹槽，所述相邻燕尾状凹槽间有与燕尾槽宽度相同的间隔，所述燕尾状凹槽内嵌有硬质合金齿，所述硬质合金齿的端部凸起于圈体外圆周，所述硬质合金齿在圈体外圆周凸起的部分之间有耐磨堆焊层。
所述的耐磨堆焊层是采用堆焊的形式填满圈体外沿的硬质合金齿之间的空隙。
所述的耐磨堆焊层外层面的厚度与硬质合金齿外端面的高度相同，以保证硬质合金齿在圈体外圆周凸起部分与耐磨堆焊层首尾相连组成圆环。
所述的燕尾状凹槽与硬质合金齿数目相同。
所述的燕尾状凹槽的长度方向与圈体轴向之间呈α角。
所述的α的范围为5°-30°。
所述的硬质合金齿的长度方向与圈体轴向之间呈β角。
所述的β的范围为5°-30°。
对于同一刀圈，所述的α和β角相等。
本发明具有的优点：
1）圈体具有很好的强度和韧性，抗冲击性强。
2）工作刃部由硬质合金齿和耐磨堆焊层组成，不会出现崩刃等现象。
3）硬质合金齿截面下部呈燕尾状，与圈体的燕尾状凹槽相配合，不会出现硬质合金齿脱落的问题。
4）硬质合金齿的长度方向与圈体轴向之间呈5°-30°角，这样的结构可以在掘进和破岩时使刀刃的锋利度增大，泥土或岩石碎屑朝一个方向稳定地排出，工作效率高。
5）每一处耐磨堆焊层的面积较小，不易出现焊接裂纹等缺陷。
附图说明
图1为本发明一种镶嵌堆焊结合式滚刀刀圈主视图；
图2为本发明一种镶嵌堆焊结合式滚刀刀圈俯视图；
图3为本发明一种镶嵌堆焊结合式滚刀刀圈圈体立体图；
图4为本发明一种镶嵌堆焊结合式滚刀刀圈硬质合金齿主视图。
附图标记说明：1、圈体，2燕尾状凹槽、3、硬质合金齿，4、耐磨堆焊层。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1至图4所述，一种镶嵌堆焊结合式耐磨刀圈，包括圈体1，所述圈体外圆周上设置有燕尾状凹槽2，所述相邻燕尾状凹槽2间有与燕尾槽宽度相同的间隔，所述燕尾状凹槽2内嵌有硬质合金齿3，所述硬质合金齿3的端部凸起于圈体1外圆周，所述硬质合金齿3在圈体1外圆周凸起的部分之间有耐磨堆焊层4。
所述的耐磨堆焊层4是采用堆焊的形式填满圈体1外沿的硬质合金齿3之间的空隙，使硬质合金齿3与耐磨堆焊层4、圈体1与耐磨堆焊层4之间呈冶金结合。
所述的耐磨堆焊层4外层面的厚度与硬质合金齿3外端面的高度相同，以保证硬质合金齿3在圈体1外圆周凸起部分与耐磨堆焊层4首尾相连组成圆环。
所述的燕尾状凹槽2与硬质合金齿3数目相同。
所述的圈体1采用合金钢或碳素结构钢制造。
所述的燕尾状凹槽2的长度方向与圈体1轴向之间呈α角，α的范围为5°-30°。
所述的硬质合金齿3的长度方向与圈体1轴向之间呈β角，β的范围为5°-30°。
对于同一刀圈，所述的α和β相等。
所述的耐磨堆焊层4采用气体保护焊工艺进行，所用焊丝是外层为低碳冷轧钢带的药芯焊丝，其药芯成分质量百分比为：石墨烯0.2%-1.0%、金属铬40%-45%、电极石墨5%-9%、大理石2%-4%、碳化铬1%-3%、电解金属锰1%-4%、硅铁3%-6%、钼4%-6%、镍6%-10%、硼铁2%-4%、铌0.5%-3%、钨0.5%-3.0%、稀土0.5%-1%，余量为FHY100 .25还原铁粉；药粉填充率为30%-60%；焊丝直径1.6-2.8mm；采用直流反接法；焊接参数为：焊接电流280-500A，焊接电压26-33V，焊接速度300-800mm/min。
本发明的圈体1采用合金钢或碳素结构钢并进行相应的热处理制造，兼具优良的强度与韧性，圈体1的燕尾状凹槽2对硬质合金齿3有定位和限位作用；硬质合金齿3与耐磨堆焊层4沿圈体1外圆周间隔分布，既能使硬质合金齿3起到切割齿的作用，又因为耐磨堆焊层4的存在使硬质合金齿3在圈体1旋转时能平滑过渡，避免了硬质合金齿3发生崩裂的问题；硬质合金齿3的长度方向与圈体1轴向之间呈5°-30°角，这样的结构可以在掘进和破岩时使刀刃的锋利度增大，泥土或岩石碎屑朝一个方向稳定地排出，工作效率高；耐磨堆焊层4是间隔分布，每一处耐磨堆焊层4的面积较小，避免了焊接裂纹等缺陷的产生，本发明是刀圈方面的创新。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，而其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，都包含在本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种镶嵌堆焊结合式耐磨刀圈，包括圈体（1），其特征在于：所述圈体（1）的外圆周上设置有燕尾状凹槽（2），所述相邻燕尾状凹槽（2）间有与燕尾槽宽度相同的间隔，所述燕尾状凹槽（2）内嵌有硬质合金齿（3），所述硬质合金齿（3）的端部凸起于圈体（1）外圆周，所述硬质合金齿（3）在圈体（1）外圆周凸起的部分之间有耐磨堆焊层（4）。
2.根据权利要求1所述的镶嵌堆焊结合式耐磨刀圈，其特征在于，所述的耐磨堆焊层（4）是采用堆焊的形式填满圈体（1）外沿的硬质合金齿（3）之间的空隙。
3.根据权利要求1所述的镶嵌堆焊结合式耐磨刀圈，其特征在于，所述的耐磨堆焊层（4）外层面的厚度与硬质合金齿（3）外端面的高度相同，以保证硬质合金齿（3）在圈体（1）外圆周凸起部分与耐磨堆焊层（4）首尾相连组成圆环。
4.根据权利要求1所述的镶嵌堆焊结合式耐磨刀圈，其特征在于，所述的燕尾状凹槽（2）与硬质合金齿（3）数目相同。
5.根据权利要求1所述的镶嵌堆焊结合式耐磨刀圈，其特征在于，所述的燕尾状凹槽（2）的长度方向与圈体（1）轴向之间呈α角。
6.根据权利要求5所述的镶嵌堆焊结合式耐磨刀圈，其特征在于，所述的α的范围为5°-30°。
7.根据权利要求1所述的镶嵌堆焊结合式耐磨刀圈，其特征在于，所述的硬质合金齿（3）的长度方向与圈体（1）轴向之间呈β角。
8.根据权利要求7所述的镶嵌堆焊结合式耐磨刀圈，其特征在于，所述的β的范围为5°-30°。
9.根据权利要求6或8所述所述的镶嵌堆焊结合式耐磨刀圈，其特征在于，对于同一刀圈，所述的α和β角相等。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2019
- 2019-03-05 CN CN201910162161.3A patent/CN109681222A/zh not_active Withdrawn
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