CN110802311A - 一种盾构机滚刀刀圈抗磨、抗冲击处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种盾构机滚刀刀圈抗磨、抗冲击处理方法，包括如下步骤：(1)制备毛坯；(2)加工毛坯；(3)扫描基体表面获取基体数据；(4)建立三维模型，设定电弧增材加工参数；(5)利用电弧增材制造机器人系统，对刀圈进行电弧增材制造；(6)增材沉积态金属。本发明通过机器人增材制造技术在滚刀刀圈表面熔覆合金层，提高了滚刀刀圈表面的硬度、韧性和耐磨损性能，有效减少了磨损量，提高了抗冲击性能，延长了滚刀刀圈的服役周期，提高了掘进作业效率，降低了生产成本；具有对环境无污染、无辐射、低噪声、成品率高以及综合成本低等优点。

Description

一种盾构机滚刀刀圈抗磨、抗冲击处理方法
技术领域
本发明涉及一种盾构机滚刀刀圈抗磨、抗冲击处理方法，属于机械技术领域。
背景技术
随着我国城市的不断发展，地铁在缓解城市交通压力方面发挥着重要的作用，目前在地铁施工中，盾构机的应用越来越广泛，滚刀是盾构机上用于掘进的刀具，滚刀由滚刀体组成，滚刀体中部通过刀圈安装合金，刀圈由一个固定环卡装在滚刀体上，滚刀是一种可更换刀圈的刀具，通常有单刃、双刃和多刃之分，常以辐射状或螺旋状分布装在盾构机刀盘上。盾构机在千斤顶的压力下向前掘进，同时盾构机刀盘作旋转运动，安装在盾构机刀盘上的刀具在随刀盘公转同时，自己在摩擦力和压力下作自转，从而利用刀圈刃口对岩石表面产生滚动切削作用。当盾构机掘进的岩土层中含有大量的鹅卵石时，由于鹅卵石的强度较高，同时容易滑动，造成其很难被刀具直接切碎。由于施工过程中的高强度、高硬度和复杂的地质条件，使盾构机滚刀刀圈成为掘进过程中最容易损坏的零部件，也是制约掘进效率的瓶颈，使得刀具的费用占整个掘进成本的百分之三十左右，滚刀刀圈在使用过程中受到正向的正压力、切向的摩擦力、以及侧向变应力的影响，极易造成刀具磨损，因此迫切需要采用表面改性技术，在保持滚刀内部优良韧性的同时，综合提高其表面的硬度、耐磨性和抗冲击性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中盾构机滚刀刀圈在高强度、高硬度和复杂的地质条件工况下耐磨性差、使用寿命低的问题，提供一种盾构机滚刀刀圈抗磨、抗冲击处理方法。
为解决这一技术问题，本发明提供了一种盾构机滚刀刀圈抗磨、抗冲击处理方法，包括如下步骤：
(1)滚刀刀圈基体采用30CrMnSi钢材料，用现有的热锻工艺制备毛坯；
(2)采用机械加工方法加工毛坯，加工后预留电弧增材的厚度12mm，即尺寸比刀圈要求尺寸小12mm，获得刀圈基体1；
(3)采用三维激光扫描仪，扫描基体表面，获取基体1表面三维几何形状的数据，该数据与刀圈的目标尺寸比较，确定不同部位增材的形状和尺寸；
(4)建立金属零件的三维模型，获得三维模型的STL文件，对STL三维模型进行面向提高熔敷效率、表面质量及性能优先方向的区块化处理，并对每个区块的STL文件进行切片处理，获得电弧增材加工路径，设定电弧增材加工参数；
(5)利用电弧增材制造机器人系统，根据电弧增材加工路径和加工参数对刀圈进行电弧增材制造，电弧增材制造机器人系统由6轴机器人、配合3轴变位机组成；
(6)为保证增材沉积态金属与基体的结合强度，以及沉积态金属的耐磨、耐冲击、抗裂、抗疲劳性能，沉积态金属的厚度要达到12mm以上，沉积态金属分为过渡层和工作层，过渡层金属为3-4mm，余为工作层。
所述的过渡层的焊丝采用药芯焊丝，药芯焊丝由药粉和用于包裹药粉的钢管组成，钢管为SPCC或H08A低碳钢材质，药粉的填充率为10-15％，填充率为药粉质量与药粉、钢管质量之和的比值；焊丝直径为1.2mm，药粉由合金和造渣稳弧剂均匀混合制成，合金含量重量百分比为90wt％，造渣稳弧剂含量为10wt％；其中上述合金中以重量百分比计含有如下合金元素：0.06％C，0.10％Si，1.6％Mn，2.5％Ni，1.2％Mo，0.15％％Ti，0.20％V，余为Fe；上述造渣稳弧剂由以下重量份的材料混合制成：金红石10份，钾长石8份，钛酸钾3份，氟化钠2份；其中：金红石的成分以重量比计TiO2含量不小于92％；钾长石成分以重量比计K2O和Na2O之和不小于12％，K2O不小于8％，余为SiO2、Al2O3和不影响性能的杂质；钛酸钾成分以重量比计K2TiO3含量不小于98％；氟化钠的成分以重量百分比计NaF不小于98％；上述粉末的粒度为75微米～180微米，即粒度为-80目～+200目。
所述过渡层的金属采用直径1.2mm焊丝熔覆，采用小直径焊丝、小热输入焊接，降低稀释率，减少基体30CrMnSi对过渡层成分的影响；采用火焰将基体待焊部位预热120-150℃后，再采用电弧焊熔覆进行增材制造；电弧增材制造的工艺参数为：95％Ar+5％O2富氩气体保护，焊接电流200-220A，电弧电压22-24V，保护气体流量25L/min，焊丝速度为500mm/min，过渡层2采用一层多道熔覆，厚度3-4mm。
所述工作层采用Mo2FeB2金属陶瓷药芯焊丝，药芯焊丝由药粉和用于包裹药粉的钢管组成，钢管采用304，其化学成分以质量百分比计优选：Cr为17.5％-19.5％、Ni为8.0％-10.5％、C不大于0.07％、Si不大于0.75％、Mn不大于2.0％、S不大于0.030％、P不大于0.045％、N不大于0.10％、余为Fe和不影响性能的杂质；药粉以质量百分比计如下：12％硼粉，45％钼粉，2％金属铬，2％金属镍，0.5％石墨，3.5％钒铁，3.2％钛铁，1.5％稀土硅镁合金，1.2％纳米二硼化钛，余为铁粉；金属陶瓷药芯焊丝的填充率为45％，填充率为药粉质量与药粉、钢管质量之和的比值，焊丝直径为1.6mm。
所述工作层焊丝直径为1.6mm，采用80％Ar+20％CO2富氩气体保护焊，焊接电流320-350A，电弧电压32-35V，保护气体流量25L/min，焊丝速度为520mm/min。
有益效果：本发明通过机器人增材制造技术在滚刀刀圈表面熔覆合金层，提高了滚刀刀圈表面的硬度、韧性和耐磨损性能，有效减少了磨损量，提高了抗冲击性能，延长了滚刀刀圈的服役周期，提高了掘进作业效率，降低了生产成本；机器人增材工艺具有对环境无污染、无辐射、低噪声、成品率高以及综合成本低等优点；采用6轴机器人、配合3轴变位机，增材制造时使刀圈焊接位置始终处于平焊位置，提高了效率，节约了时间，同时提高了滚刀刀圈表面熔覆沉积层性能的一致性；刀圈增材沉积层金属设计为打底层和工作层，打底层与基体具有较高的结合强度，良好的韧性、抗裂性和抗冲击性能，对工作层有良好地支撑作用。工作层采用Mo2FeB2金属陶瓷，其线膨胀系数与工作层金属接近，使工作层应力较小，提高了抗裂性能，从而具有优异的抗疲劳性能和抗冲击性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明刀圈的径向截面示意图。
图中：1基体、2过渡层、3工作层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做具体描述。
图1所示为本发明的结构示意图。
图2所示为本发明刀圈的径向截面示意图。
本发明所述对刀圈实施抗磨、抗冲击处理的方法，步骤是：
(1)滚刀刀圈基体采用30CrMnSi钢材料，用现有的热锻工艺制备毛坯。
(2)采用机械加工方法加工毛坯，加工后预留电弧增材的厚度12mm，即尺寸比刀圈要求尺寸小12mm，获得刀圈基体。
(3)采用三维激光扫描仪，扫描基体表面，获取基体表面三维几何形状的数据。该数据与刀圈的目标尺寸比较，确定不同部位增材的形状和尺寸。
(4)建立金属零件的三维模型，获得三维模型的STL文件，对STL三维模型进行面向提高熔敷效率、表面质量及性能优先方向的区块化处理，并对每个区块的STL文件进行切片处理，获得电弧增材加工路径，设定电弧增材加工参数；
(5)利用电弧增材制造机器人系统，根据电弧增材加工路径和加工参数对刀圈进行电弧增材制造。电弧增材制造机器人系统由6轴机器人、配合3轴变位机组成。
(6)为了保证增材沉积态金属与基体的结合强度，以及沉积态金属的耐磨、耐冲击、抗裂、抗疲劳性能，沉积态金属的厚度要达到12mm以上，沉积态金属分为过渡层和工作层，过渡层金属为3-4mm，余为工作层。
过渡层的焊丝采用药芯焊丝，药芯焊丝由药粉和用于包裹药粉的钢管组成，钢管为SPCC或H08A低碳钢材质，药粉的填充率为10-15％(填充率为药粉质量与药粉、钢管质量之和的比值)，焊丝直径为1.2mm。药粉由合金和造渣稳弧剂均匀混合制成，合金含量为90wt％(wt％为重量百分比)，造渣稳弧剂含量为10wt％；其中上述合金中以重量百分比计含有如下合金元素：0.06％C，0.10％Si，1.6％Mn，2.5％Ni，1.2％Mo，0.15％％Ti，0.20％V，余为Fe；上述造渣稳弧剂由以下重量份的材料混合制成：金红石10份，钾长石8份，钛酸钾3份，氟化钠2份；其中：金红石的成分以重量比计TiO2含量不小于92％；钾长石成分以重量比计K2O和Na2O之和不小于12％，K2O不小于8％，余为SiO2、Al2O3和不影响性能的杂质；钛酸钾成分以重量比计K2TiO3含量不小于98％；氟化钠的成分以重量百分比计NaF不小于98％；上述粉末的粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。
过渡层的金属采用直径1.2mm焊丝熔覆，采用小直径焊丝、小热输入焊接，这样可以降低稀释率，减少基体30CrMnSi对过渡层成分的影响。采用火焰将基体待焊部位预热120-150℃后，再采用电弧焊熔覆进行增材制造。电弧增材制造的工艺参数为，95％Ar+5％O2富氩气体保护，焊接电流200-220A，电弧电压22-24V，保护气体流量25L/min，焊丝速度为500mm/min。过渡层采用一层多道熔覆，厚度3-4mm。
工作层采用Mo2FeB2金属陶瓷药芯焊丝，药芯焊丝由药粉和用于包裹药粉的钢管组成，钢管采用304，其化学成分以质量百分比计优选：Cr为17.5％-19.5％、Ni为8.0％-10.5％、C不大于0.07％、Si不大于0.75％、Mn不大于2.0％、S不大于0.030％、P不大于0.045％、N不大于0.10％、余为Fe和不影响性能的杂质。药粉以质量百分比计如下：12％硼粉，45％钼粉，2％金属铬，2％金属镍，0.5％石墨，3.5％钒铁，3.2％钛铁，1.5％稀土硅镁合金，1.2％纳米二硼化钛，余为铁粉。金属陶瓷药芯焊丝的填充率为45％(填充率为药粉质量与药粉、钢管质量之和的比值)，焊丝直径为1.6mm。
工作层焊丝直径为1.6mm，为了提高增材熔覆效率，可以适当增大焊接热输入。采用80％Ar+20％CO2富氩气体保护焊，焊接电流320-350A，电弧电压32-35V，保护气体流量25L/min，焊丝速度为520mm/min。
本发明通过机器人增材制造技术在滚刀刀圈表面熔覆合金层，提高了滚刀刀圈表面的硬度、韧性和耐磨损性能，有效减少了磨损量，提高了抗冲击性能，延长了滚刀刀圈的服役周期，提高了掘进作业效率，降低了生产成本；机器人增材工艺具有对环境无污染、无辐射、低噪声、成品率高以及综合成本低等优点；采用6轴机器人、配合3轴变位机，增材制造时使刀圈焊接位置始终处于平焊位置，提高了效率，节约了时间，同时提高了滚刀刀圈表面熔覆沉积层性能的一致性；刀圈增材沉积层金属设计为打底层和工作层，打底层与基体具有较高的结合强度，良好的韧性、抗裂性和抗冲击性能，对工作层有良好地支撑作用。工作层采用Mo2FeB2金属陶瓷，其线膨胀系数与工作层金属接近，使工作层应力较小，提高了抗裂性能，从而具有优异的抗疲劳性能和抗冲击性能。
采用MLD-10型动载磨料磨损试验机进行磨料磨损试验，对本发明制备的刀圈材料和目前使用的40CrNiMo进行对比，试验的冲击次数分别设定为2万和3万次，试验的冲击功设定为0.5J，以模拟刀圈在实际工况下受到的相对冲击功。试验以GCr15钢为下试样，其经840℃油淬处理，下试样以200r/min速度旋转，上试样不断冲击下试样。试验的磨料为石英砂，粒度为10～20目，流量为200ml/min。
冲击次数为2万次时，本发明材料的磨损失重为0.145克，40CrNiMo的磨损失重为0.582克，耐磨性提高4.01倍。冲击次数为3万次时，本发明材料的磨损失重为0.183克，40CrNiMo的磨损失重为1.317克，耐磨性提高7.20倍。从试验结果可以看出，本发明的刀圈与目前使用的相比，抗冲击磨损性能显著提高；另一方面，随着使用时间的增加，本发明刀圈的冲击磨损失重增长缓慢，而目前使用的40CrNiMo的冲击磨损失重增长较快，本发明刀圈使用寿命显著提高。
本发明上述实施方案，只是举例说明，不是仅有的，所有在本发明范围内或等同本发明的范围内的改变均被本发明包围。

Claims (5)

1.一种盾构机滚刀刀圈抗磨、抗冲击处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)滚刀刀圈基体(1)采用30CrMnSi钢材料，用现有的热锻工艺制备毛坯；
(2)采用机械加工方法加工毛坯，加工后预留电弧增材的厚度12mm，即尺寸比刀圈要求尺寸小12mm，获得刀圈基体1；
(3)采用三维激光扫描仪，扫描基体(1)表面，获取基体(1)表面三维几何形状的数据，该数据与刀圈的目标尺寸比较，确定不同部位增材的形状和尺寸；
(4)建立金属零件的三维模型，获得三维模型的STL文件，对STL三维模型进行面向提高熔敷效率、表面质量及性能优先方向的区块化处理，并对每个区块的STL文件进行切片处理，获得电弧增材加工路径，设定电弧增材加工参数；
(5)利用电弧增材制造机器人系统，根据电弧增材加工路径和加工参数对刀圈进行电弧增材制造，电弧增材制造机器人系统由6轴机器人、配合3轴变位机组成；
(6)为保证增材沉积态金属与基体的结合强度，以及沉积态金属的耐磨、耐冲击、抗裂、抗疲劳性能，沉积态金属的厚度要达到12mm以上，沉积态金属分为过渡层(2)和工作层(3)，过渡层(2)金属为3-4mm，余为工作层(3)。
2.根据权利要求1所述的盾构机滚刀刀圈抗磨、抗冲击处理方法，其特征在于：所述的过渡层(2)的焊丝采用药芯焊丝，药芯焊丝由药粉和用于包裹药粉的钢管组成，钢管为SPCC或H08A低碳钢材质，药粉的填充率为10-15％，填充率为药粉质量与药粉、钢管质量之和的比值；焊丝直径为1.2mm，药粉由合金和造渣稳弧剂均匀混合制成，合金含量重量百分比为90wt％，造渣稳弧剂含量为10wt％；其中上述合金中以重量百分比计含有如下合金元素：0.06％C，0.10％Si，1.6％Mn，2.5％Ni，1.2％Mo，0.15％％Ti，0.20％V，余为Fe；上述造渣稳弧剂由以下重量份的材料混合制成：金红石10份，钾长石8份，钛酸钾3份，氟化钠2份；其中：金红石的成分以重量比计TiO2含量不小于92％；钾长石成分以重量比计K2O和Na2O之和不小于12％，K2O不小于8％，余为SiO2、Al2O3和不影响性能的杂质；钛酸钾成分以重量比计K2TiO3含量不小于98％；氟化钠的成分以重量百分比计NaF不小于98％；上述粉末的粒度为75微米～180微米，即粒度为-80目～+200目。
3.根据权利要求1所述的盾构机滚刀刀圈抗磨、抗冲击处理方法，其特征在于：所述过渡层(2)的金属采用直径1.2mm焊丝熔覆，采用小直径焊丝、小热输入焊接，降低稀释率，减少基体30CrMnSi对过渡层成分的影响；采用火焰将基体待焊部位预热120-150℃后，再采用电弧焊熔覆进行增材制造；电弧增材制造的工艺参数为：95％Ar+5％O2富氩气体保护，焊接电流200-220A，电弧电压22-24V，保护气体流量25L/min，焊丝速度为500mm/min，过渡层2采用一层多道熔覆，厚度3-4mm。
4.根据权利要求1所述的盾构机滚刀刀圈抗磨、抗冲击处理方法，其特征在于：所述工作层(3)采用Mo2FeB2金属陶瓷药芯焊丝，药芯焊丝由药粉和用于包裹药粉的钢管组成，钢管采用304，其化学成分以质量百分比计优选：Cr为17.5％-19.5％、Ni为8.0％-10.5％、C不大于0.07％、Si不大于0.75％、Mn不大于2.0％、S不大于0.030％、P不大于0.045％、N不大于0.10％、余为Fe和不影响性能的杂质；药粉以质量百分比计如下：12％硼粉，45％钼粉，2％金属铬，2％金属镍，0.5％石墨，3.5％钒铁，3.2％钛铁，1.5％稀土硅镁合金，1.2％纳米二硼化钛，余为铁粉；金属陶瓷药芯焊丝的填充率为45％，填充率为药粉质量与药粉、钢管质量之和的比值，焊丝直径为1.6mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的盾构机滚刀刀圈抗磨、抗冲击处理方法，其特征在于：所述工作层(3)焊丝直径为1.6mm，采用80％Ar+20％CO2富氩气体保护焊，焊接电流320-350A，电弧电压32-35V，保护气体流量25L/min，焊丝速度为520mm/min。
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