CN111778382A - 一种盾构机刀圈的热处理工艺及其工装 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种盾构机刀圈的热处理工艺及其工装，热处理工艺步骤中先将若干刀圈固定在固定轴上，再放入热处理设备中进行加热，加热完成后，将固定轴置于油池上，油池中预先放入冷却油，冷却油的液面仅没过刀圈的刀刃，转动固定轴，转动的过程中刀刃进行油冷淬火，刀圈的刀座进行空冷正火，淬火完成后，将刀圈放入热处理设备中进行回火；由此，本发明将刀刃与刀圈分开进行热处理的方式实现了使刀刃获得高硬度，刀座获得高冲击韧性的目的，解决了现有技术中同时对刀刃与刀座同时进行淬火而导致刀座的冲击韧性难以显著提高的技术问题，进而防止了刀座由于冲击韧性差容易发生崩刃失效的情况，延长了刀圈的使用寿命。

Description

一种盾构机刀圈的热处理工艺及其工装

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，特别是涉及一种盾构机刀圈的热处理工艺及其工装。

背景技术

近年来，我国交通基础设施建设蓬勃发展，各省市规划建设的地铁隧道及穿山公路里程数不断上升，对于全断面岩石隧道掘进机(简称盾构机TBM)的需求量随之大幅增加。目前，我国盾构机产销数量已位居世界前列，然而盾构机的关键耗材——滚刀刀圈的性能质量指标却迟迟达不到国际标准。

在恶劣的硬质岩石(花岗岩、片麻岩)掘进条件下，滚刀刀圈的刃部需要承受强烈的摩擦作用，而刀座部分则需要承担巨大的冲击载荷。此种极端工况使得刀圈在服役条件下极易发生磨损失效及崩刃失效，不仅增加了项目的经济成本以及停工换刀的人工成本，同时还很大层面上延误了项目工期。目前，现有刀圈的掘进性能难以满足服役要求。

现阶段，国内普遍采用整体热处理的方式来对滚刀刀圈的力学性能进行改善，如申请号为“201611269511.9”的发明专利公开了一种盾构刀具的刀圈材料和热处理工艺，其技术特征为在真空炉对刀圈进行整体分级加热后淬火并回火两次的工艺，解决了国产刀圈硬度不足的技术问题。然而整体热处理使得刀圈硬度分布均匀，刀座部分难以获得较高的冲击韧性，容易发生崩刃失效。

另一公开号为“201710903630.3”的发明专利公开了一种用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈及其热处理方法，其技术特征为对刀圈进行整体淬火以及回火后再对刀座部分进行局部回火，有效得提升了刀座部分的韧性。然而在局部回火前，淬火工艺在很大程度上已经决定了刀圈的组织特性，其整体淬火工艺导致刀座冲击韧性较差，即便是局部进行回火也难以对刀座部分的韧性进行显著提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构机刀圈的热处理工艺及其工装，以解决现有技术存在的问题，使刀刃具备较高硬度的同时刀座具有较高的冲击韧性，降低崩刃的发生以延长刀圈的使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种盾构机刀圈的热处理工艺，包括以下步骤：

1)安装刀圈：将若干所述刀圈固定在固定轴上；

2)加热刀圈：对将固定有所述刀圈的所述固定轴放入热处理设备中进行加热；

3)刀圈的热处理：加热完成后，将所述固定轴置于油池上，所述油池中预先放入冷却油，所述冷却油的液面仅没过所述刀圈的刀刃；转动所述固定轴，转动的过程中所述刀刃进行油冷淬火，所述刀圈的刀座进行空冷正火；

4)刀圈回火：淬火完成后，将所述刀圈放入热处理设备中进行回火。

优选的，步骤1)中，所述刀圈装配在所述固定轴上时采用冷装配的方式。

优选的，步骤2)中，加热温度至1080℃～1100℃，保温30min～40min。

优选的，步骤4)中，回火温度为510℃～540℃，回火时间为90min～120min。

优选的，回火次数为2次。

优选的，回火完成之后，进行磨削处理得到成品。

本发明还提供一种上述盾构机刀圈的热处理工艺所使用的工装，包括固定轴与油池，所述刀圈套设在所述固定轴上，两端利用固定件对所述刀圈进行固定；所述油池的侧壁上设置有用于放置所述固定轴的卡槽。

优选的，还包括套设在所述固定轴上的若干套筒，所述套筒位于相邻所述刀圈之间。

优选的，还包括套设在所述固定轴上的垫片，所述垫片位于所述刀圈与所述套筒之间。

优选的，所述固定轴上设置有螺纹结构，所述固定件为与所述螺纹结构配合的螺母。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明通过将固定有刀圈的固定轴放置在油池上，并使得油池中的冷却油液面仅没过刀圈的刀刃，保证只有刀刃进行油冷淬火呈现出板条马氏体组织，获得较高硬度，而刀座由于仅暴露在空气中，只进行空冷正火，保持了空冷状态下的珠光体，从而获得优良的韧性。即本发明将刀刃与刀圈分开进行热处理的方式实现了使刀刃获得高硬度，刀座获得高冲击韧性的目的，解决了现有技术中同时对刀刃与刀座同时进行淬火而导致刀座的冲击韧性难以显著提高的技术问题，进而防止了刀座由于冲击韧性差容易发生崩刃失效的情况，延长了刀圈的使用寿命；

2、本发明记载的工装结构仅由固定轴和带有卡槽的油池组成，且结构简单，制造成本比较低，固定刀圈较为方便，能够减少工人劳动强度；淬火过程中能够将固定轴直接置于油池的卡槽中进行加热，而不必将将刀圈进行拆卸，淬火方式更易实现；

3、本发明中在相邻刀圈之间设置有套筒，能够将刀圈隔开，降低刀座在空冷的过程中相邻刀圈热辐射的影响，以保证刀座正火过程的顺利进行，防止因相邻刀圈距离较近，热辐射较强而引起刀座冷却速度慢，造成其硬度不能达到要求的情况；

4、本发明中在刀圈两侧设置有垫片，不仅保证对刀座的装夹稳固，还能防止装卡时对刀圈端面造成损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为刀圈与固定轴的装配示意图；

图2为刀圈结构示意图；

图3为油池结构示意图；

图4为固定轴与油池的装配示意图；

其中，1、刀圈；2、油池；3、固定轴；4、卡槽；5、套筒；6、垫片；7、螺母；8、刀刃；9、刀座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种盾构机刀圈的热处理工艺及其工装，以解决现有技术存在的问题，使刀刃具备较高硬度的同时刀座具有较高的冲击韧性，降低崩刃的发生以延长刀圈的使用寿命。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

实施例提供一种盾构机刀圈的热处理工艺，包括以下步骤：

1)安装刀圈：将若干刀圈1固定在固定轴3上；

2)加热刀圈：对将固定有刀圈1的固定轴3放入热处理设备中进行加热；

3)刀圈的热处理：加热完成后，将固定轴3置于油池2上，油池2中预先放入冷却油，冷却油的液面仅没过刀圈1的刀刃8；转动固定轴3，转动的过程中刀刃8进行油冷淬火，刀圈1的刀座9进行空冷正火；

4)刀圈回火：淬火完成后，将刀圈1放入热处理设备中进行回火。

由此，本实施例通过将固定有刀圈1的固定轴3放置在油池2上，并使得油池2中的冷却油液面仅没过刀圈1的刀刃8，保证只有刀刃8进行油冷淬火呈现出板条马氏体组织，获得较高硬度，而刀座9由于仅暴露在空气中，只进行空冷正火，保持了空冷状态下的珠光体，从而获得优良的韧性。所以，本实施例将刀刃8与刀圈1分开进行热处理的方式实现了使刀刃8获得高硬度，刀座9获得高韧性的目的，解决了现有技术中同时对刀刃8与刀座9同时进行淬火而导致刀座9韧性难以显著提高的技术问题，进而防止了刀座9由于冲击韧性差容易发生崩刃失效的情况，延长了刀圈1的使用寿命。

图2对刀圈1的结构进行了说明。本实施例针对的刀圈1包括刀刃8与刀座9，刀座9固定在盾构机本体上。

本实施例中刀圈1与固定轴3之间是间隙配合，为了方便刀圈1套设在固定轴3上，本实施例步骤1)中，刀圈1装配在固定轴3上时采用冷装配的方式；所谓冷装配，是对固定轴3先进行冷却，使其外形尺寸收缩，在装配面之间产生装配间隙，以便于刀圈1进行装配的方法，此方法为本领域中常用的装配方式，具体的冷却装置和冷却温度都是本领域技术人员所熟知的，本实施例中不对此进行赘述。

在淬火的过程中，本实施例采用油冷淬火的方式而不采用水冷淬火的方式是由于：水冷虽然冷却速度快，但淬火后刀圈1内部应力较大，容易产生变形、开裂的问题，而油冷淬火能够良好地避免这个问题，使刀刃8在具备较强硬度的同时降低材料内部的应力，防止刀圈1变形甚至开裂。

进一步的，本实施例中步骤2)中，加热温度至1080℃～1100℃，保温30min～40min；本实施例中的热处理设备采用常规设备即可。

步骤4)中，回火温度为510℃～540℃，回火时间为90min～120min；并且为了充分消除刀圈1内部组织应力，增强其韧性，本实施例中对刀圈1进行2次回火处理。

进一步的，回火完成之后，对刀圈1进行精工磨削处理加工得到成品。

表1、表2是现有技术与本实施例对同一常用盾构机刀圈1的热处理结果，其中表1为现有技术对刀圈1进行整体淬火的结果，表2为采用本实施例对刀圈1进行热处理的结果。

表1

表2

通过对比表1、表2可以看出，本实施例公开的对刀圈1热处理工艺能够明显提升刀座9韧性，并且适当地提高固定轴3的转速，能够提高刀刃8的油冷效果。

具体的，采用4Cr5MoSiV1作为盾构机刀圈1的原材料，其成分包括：C0.42％、Cr5.36％、Mo 1.40％、Si 1.14％、V 0.83％，其它组分为Fe及不可避免的杂质。

热处理时，将刀圈1毛坯材料加热到1100℃进行奥氏体化，保温40min，然后将固定轴3置于在油池2的卡槽4中，并连接电动机。开启电动机，以100r/min的使得工装架在卡槽4固定下快速转动，对刀刃8部分进行油冷、刀座9部分进行空冷，并使得刀刃8部分硬度均匀分布。而后在520℃的温度下回火两次，每次回火时间100min，最终测得刀圈1刀刃8硬度达到61HRC，刀座9部分保持了良好的韧性，冲击吸收功Ak值达到32J。

实施例2：

如图1～图4所示，本实施例提供一种上述盾构机刀圈1的热处理工艺所使用的工装，包括固定轴3与油池2，其中，刀圈1套设在固定轴3上，两端利用固定件对刀圈1进行固定；油池2的侧壁上设置有用于放置固定轴3的卡槽4。

本实施例记载的工装结构仅由固定轴3和带有卡槽4的油池2组成，且结构简单，制造成本比较低，固定刀圈1较为方便，能够减少工人劳动强度；淬火过程中能够将固定轴3直接置于油池2的卡槽4中进行加热，而不必将将刀圈1进行拆卸，淬火方式更易实现。

而为了将固定轴3稳固地固定在卡槽4中，且防止固定轴3与卡槽4之间产生较强的磨损，优选的，可以设置一与卡槽4配合的扣合部，在卡槽4与配合部中均固定一轴瓦，将固定轴3置于卡槽4上的轴瓦中后，将扣合部扣合在固定轴3上，然后将扣合部通过螺栓固定在油池上，卡槽4中的轴瓦与扣合部中的轴瓦形成一完整轴瓦，从而一方面起到防止固定轴3磨损的作用，另一方面保证固定轴3转动过程的稳定。本领域技术人员应当理解，固定轴3、卡槽4与轴瓦的半径应相互配合。

为了将固定在固定轴3上的刀圈1隔开，使得刀座9的两个端面均能够与空气充分接触，保证刀座9的正火效果，本实施例中还包括套设在固定轴3上的若干套筒5，套筒5位于相邻刀圈1之间，套筒5与固定轴3同样为间隙配合，且套筒5的宽度根据实际情况而定，应尽量降低刀座9在空冷的过程中相邻刀圈1热辐射的影响，以保证正火过程的顺利进行，防止刀座9冷却速度太慢而造成其硬度不能达到要求的情况。

为了保证对刀座9的装夹稳固，且防止装卡时对刀圈1端面造成损伤，本实施例中还包括套设在固定轴3上的垫片6，垫片6位于刀圈1与套筒5之间。本领域技术人员应当理解，套筒5与垫片6均为耐高温材料制成。

进一步的，固定轴3两端设置有螺纹，固定件为与螺纹结构配合的螺母7。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种盾构机刀圈的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)安装刀圈：将若干所述刀圈固定在固定轴上；

2)加热刀圈：对将固定有所述刀圈的所述固定轴放入热处理设备中进行加热；

3)刀圈的热处理：加热完成后，将所述固定轴置于油池上，所述油池中预先放入冷却油，所述冷却油的液面仅没过所述刀圈的刀刃；转动所述固定轴，转动的过程中所述刀刃进行油冷淬火，所述刀圈的刀座进行空冷正火；

4)刀圈回火：淬火完成后，将所述刀圈放入热处理设备中进行回火。

2.根据权利要求1所述的盾构机刀圈的热处理工艺，其特征在于，步骤1)中，所述刀圈装配在所述固定轴上时采用冷装配的方式。

3.根据权利要求1所述的盾构机刀圈的热处理工艺，其特征在于，步骤2)中，加热温度至1080℃～1100℃，保温30min～40min。

4.根据权利要求1所述的盾构机刀圈的热处理工艺，其特征在于，步骤4)中，回火温度为510℃～540℃，回火时间为90min～120min。

5.根据权利要求4所述的盾构机刀圈的热处理工艺，其特征在于，回火次数为2次。

6.根据权利要求5所述的盾构机刀圈的热处理工艺，其特征在于，回火完成之后，进行磨削处理得到成品。

7.一种如权利要求1-6任意一项所述的盾构机刀圈的热处理工艺所使用的工装，其特征在于，包括固定轴与油池，所述刀圈套设在所述固定轴上，两端利用固定件对所述刀圈进行固定；所述油池的侧壁上设置有用于放置所述固定轴的卡槽。

8.根据权利要求7所述的盾构机刀圈的热处理工装，其特征在于，还包括套设在所述固定轴上的若干套筒，所述套筒位于相邻所述刀圈之间。

9.根据权利要求8所述的盾构机刀圈的热处理工装，其特征在于，还包括套设在所述固定轴上的垫片，所述垫片位于所述刀圈与所述套筒之间。

10.根据权利要求7所述的盾构机刀圈的热处理工装，其特征在于，所述固定轴上设置有螺纹结构，所述固定件为与所述螺纹结构配合的螺母。

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