CN112696204A - 一种菱形结构帽型齿刀圈及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及盾构盘形滚刀领域，具体涉及一种新型菱形结构帽型齿刀圈及其制造工艺，本发明中菱形结构帽型合金齿选用硬质合金材料，并在刀圈本体上刃口部位两菱形结构帽型合金齿间的顶部和侧面设置两种U行槽，将高性能耐磨材料敷焊至U形槽内，菱形结构帽型合金齿能更有效保护刀圈本体刃口部位不受砂卵石的冲击，进而有效降低刀圈刃口部U型槽内敷焊的耐磨材料受岩石冲击而出现脱落和掉块现象，提高刀圈寿命，有效解决了在砂卵石地层、石英砂地层、软硬不均地层施工时，刀圈受冲击时合金齿偏转容易折断的问题，提高滚刀综合使用寿命，降低施工成本，提高施工效率。

Description

一种菱形结构帽型齿刀圈及其制造工艺

技术领域

本发明涉及盾构盘形滚刀领域，具体涉及一种新型菱形结构帽型齿刀圈及其制造工艺。

背景技术

盘形滚刀在砂卵石和石英砂等磨砺性强的地层以及软硬不均岩石地层施工时，盘型滚刀刀圈经常出现刀圈刃口本体磨损过快和压堆捲刃的现象，以至于高价格购买的产品不能发挥应有的作用，同时因频繁更换刀具造成盾构施工效率的降低，增加了更换刀具的费用和人工成本，以及带压换刀的风险。

发明内容

为了解决背景技术中问题，本发明公开一种更耐磨、更耐冲击、能够切割软硬不均岩石地层综合性能更好的菱形结构帽型齿刀圈及其制造工艺，提高滚刀综合使用寿命、降低施工成本、提高施工效率。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种菱形结构帽型齿刀圈，包括菱形结构帽型合金齿、刀圈本体和耐磨材料，在刀圈本体上沿周向均匀开设有若干菱形槽，在每个菱形槽内分别镶装有菱形结构帽型合金齿，菱形结构帽型合金齿下半部分是圆柱结构，上半部分是帽型结构，菱形结构帽型合金齿帽型两侧设置菱形面，在刀圈本体上刃口部位相邻菱形结构帽型合金齿间的顶部和侧面均布有U形槽，在菱形槽和U形槽内分别敷焊有能耐磨材料，菱形结构帽型合金齿帽型外侧和顶部形状与刀圈本体刃口相同。

进一步地，菱形结构帽型合金齿的原料采用钨钴类硬质合金KE16，且钨钴类硬质合金KE16中钨的百分含量是：84±0.5；钴的百分含量是：16±0.5。

进一步地，钨钴类硬质合金KE16的硬度HRA85.5，抗弯强度≥2740MPa

一种菱形结构帽型齿刀圈的制造工艺，其特征是：包括下述步骤：

1）用国家标准的40CrNiMoA合金结构钢，加入质量百分含量为0.12-0.18的Nb和质量百分含量为0.10-0.15的Rh，炼制成新钢锭毛坯；

2）将炼制的新钢锭毛坯进行模锻预制成型，并将得到的刀圈本体进行第一次热处理；

3）将步骤2）得到的刀圈本体通过粗车、半精车加工出刀圈刃形，再进行半精加工，使用铣刀在刀圈本体刃口上部对菱形结构帽形合金齿槽进行预加工，并使用铣刀在刀圈本体刃口部位顶部和侧面加工两种敷焊耐磨材料的U形槽，再将上述半成品进行二次真空热处理；

4）参照U槽位置及耐磨层的尺寸进行耐磨材料的敷焊，敷焊前先将刀圈本体进行预热300~350℃左右，控制敷焊层圆周部位敷焊平整，与刀圈刃口顶部接平，刃形两侧U形槽内厚度2~3mm，并与刀圈本体刃口两侧面接平，完成耐磨材料敷焊，焊后保温300℃左右缓冷至常温，然后清理焊渣打磨光滑；

5）进行菱型帽型合金齿槽的精加工和圆柱孔的精加工；

6）利用镶齿工装，控制菱形结构帽型齿与合金槽孔过盈量0.04~0.06mm，采用对正认头、静压的方法，完成菱形结构帽型合金齿镶装；

7）精加工刀圈本体的内腔及两侧端面，并按相应标准进行检验后备用。

进一步地，国家标准的40CrNiMoA合金结构钢的化学成分及质量百分含量是：C：0.37-0.44、Si：0.17-0.37、Mn:0.50-0.80、Cr：0.60-0.90、Mo:0.56-0.25、Ni:1.25-1.75，余量为Fe。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）本发明中菱形结构帽型齿刀圈菱形结构帽型合金齿选用硬质合金材料，并在刀圈本体上刃口部位两菱形结构帽型合金齿间的顶部和侧面设置两种U行槽，将高性能耐磨材料敷焊至U形槽内，有效解决了在砂卵石地层、石英砂地层、软硬不均地层施工时，刀圈受冲击时合金齿偏转容易折断的问题，提高滚刀综合使用寿命、降低施工成本和提高施工效率；

2）本发明中菱形结构帽型合金齿能更有效保护刀圈本体刃口部位不受砂卵石的冲击，进而有效降低刀圈刃口部U型槽内敷焊的耐磨材料受岩石冲击而出现脱落和掉块现象，提高刀圈寿命，进一步降低刀具消耗和换刀次数，最终实现盾构施工掘进所需成本的降低。

附图说明

图1是本发明中菱形结构帽型齿刀圈的结构示意图；

图2是本发明中菱形结构帽型合金齿的正视结构示意图；

图3是本发明中菱形结构帽型合金齿的侧视结构示意图；

图4是本发明中菱形结构帽型合金齿的俯视结构示意图；

图5是本发明中刀圈本体的结构示意图；

图6是本发明中菱形结构帽型齿刀圈的制造工艺流程图；

上述图中：1-菱形结构帽型合金齿；2-刀圈本体；3-耐磨材料。

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。

结合附图1详细阐述本发明一种菱形结构帽型齿刀圈，包括菱形结构帽型合金齿1、刀圈本体2和耐磨材料3，在刀圈本体2上沿周向均匀开设有若干菱形槽，在每个菱形槽内分别镶装有菱形结构帽型合金齿1，菱形结构帽型合金齿1下半部分是圆柱结构，上半部分是帽型结构，菱形结构帽型合金齿1帽型两侧设置菱形面，在刀圈本体2上刃口部位相邻菱形结构帽型合金齿间的顶部和侧面均布有U形槽，在菱形槽和U形槽内分别敷焊有能耐磨材料，菱形结构帽型合金齿1帽型外侧和顶部形状与刀圈本体2刃口相同，菱形结构帽型合金齿1原料采用钨钴类硬质合金KE16，且钨钴类硬质合金KE16中钨的百分含量：84±0.5；钴的百分含量：16±0.5，钨钴类硬质合金KE16的硬度HRA85.5，抗弯强度≥2740MPa。

结合附图6，详细阐述本发明中一种菱形结构帽型齿刀圈的制造工艺，包括下述步骤：

1>、定制菱形结构帽型合金齿：由于砂卵石地层和软硬不均岩石地层施工比较复杂，一般要求抗冲击力较大，且在切割岩石过程中刀刃磨损严重，还会产生大量的摩擦热量，使刀具的刃口热硬性降低变软，从而使刀刃磨损更快，破岩能力下降更快的恶性循环，为避免这类情况的发生，选用钨钴类硬质合金KE16制备成菱形结构帽型合金齿，钨钴类硬质合金KE16中Wc百分含量：84±0.5；Co百分含量：16±0.5；硬度HRA85.5；抗弯强度≥2740MPa)，菱形结构帽型合金齿的结构如附图2-附图4所示；

2>、刀圈本体2的制备过程：国家标准的40CrNiMoA合金结构钢的化学成分质量百分含量为：C：0.37-0.44、Si：0.17-0.37、Mn:0.50-0.80、Cr：0.60-0.90、Mo:0.56-0.25、Ni:1.25-1.75，余量为Fe，在此40CrNiMoA合金结构钢的基础上添加两种合金元素铌Nb、铑Rh，其化学成份质量百分含量为Nb=0.12-0.18,、Rh=0.10-0.15，炼制成一种全新的优质合金钢种，该种材料的抗冲击性较40CrNiMoA提高30%以上，耐磨性和热硬性提高25%以上，菱形结构帽型齿刀圈本体的制备过程如下：

1）取基础钢40CrNiMoA合金钢锭若干，按比例加入合金元素铌和铑，按规范炼制成新钢锭毛坯；

2）将炼制的钢锭毛坯进行模锻预制成型，并进行第一次热处理，消除锻造应力，增加刀圈本体2的可加工性；

3）先进行粗车、半精车加工出刀圈刃形，再上立式加工中心进行半精加工，装配数控回转工作台，使用φ20铣刀在刀圈本体刃口上部对菱形结构帽型合金齿槽留量1.5mm进行预加工，如果留量过大的话容易造成精加工工作量较大，留量过小容易在敷焊耐磨材料或热处理时容易造成刀圈本体刃口部位局部硬度过高，造成精加工困难；使用φ16铣刀加工刀圈本体2刃口部位顶部和侧面两种敷焊耐磨材料的U槽，深度分别为：4mm和1mm，较好的控制耐磨材料边界，如图5所示，将上述半成品进行二次真空热处理，硬度HRC40-45；

4）参照U槽位置及耐磨层的尺寸进行高性能耐磨材料的敷焊工序，敷焊前先将刀圈本体进行预热300~350℃左右，控制敷焊层圆周部位敷焊平整，与刀圈刃口顶部接平，刃形两侧U型槽内厚度2~3mm，并与刀圈本体刃口两侧面接平，完成耐磨材料敷焊，要求耐磨材料厚度均匀、焊肉平整无明显凸凹现象，在非敷焊表面刷焊接防溅剂，并在菱形合金齿槽内填充岩棉以保护非敷焊表面，防止焊渣飞溅到刀圈本体的非焊接部位，焊后保温300℃左右缓冷至常温，然后清理焊渣打磨光滑；

5）按要求敷焊高性能耐磨材料后进行菱型帽型合金齿槽的精加工和圆柱孔的精加工，由于刀圈本体成品硬度相对较高，HRC40-45，且菱形结构帽型合金齿槽形状比较复杂，在高硬度下加工比较困难，必须采用特殊加工方法才能加工成所需要的精度；选择立式加工中心，并配数控回转工作台，按铣一槽镗一孔的方法进行加工，先使用Φ20铣刀精铣成上部菱形合金齿槽，再使用Φ24.5合金涂层钨钢钻头预钻下部圆形合金齿孔，然后留量0.1～0.2mm粗镗下部圆形合金齿孔，最后使用Φ20精镗孔刀杆安装立方氮化硼（CBN）刀片精镗成下部圆柱形合金齿孔，精镗的切削速度80～200m/min、进给量0.05～0.2mm/rev、切削深度0.05～0.2mm，保证菱形结构帽型合金槽的位置度、对称度以及加工光洁度和尺寸精度；

6）因为菱形结构帽型合金齿孔和菱形合金齿数量较大，如果采用常规尺寸检验的话，工作量会很大，通过自制通规止规来检测菱形结构帽型合金齿孔和菱形结构帽型合金齿的尺寸和对称度等，从而能精准控制齿孔之间的过盈量，设计制造专用镶齿工装，控制选择齿与孔过盈量0.04~0.06mm，采用对正认头，静压的方法，保证齿、孔菱形结构方向一致，完成菱形结构帽型合金齿1镶装，整个过程严禁使用高硬度材料重击菱形结构帽型合金齿1防止合金齿崩裂；

7）按技术要求精加工刀圈本体2的内腔及两侧端面，并按相应标准进行检验，待做好防护工作后入库；

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。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种菱形结构帽型齿刀圈，其特征是：包括菱形结构帽型合金齿、刀圈本体和耐磨材料，在刀圈本体上沿周向均匀开设有若干菱形槽，在每个菱形槽内分别镶装有菱形结构帽型合金齿，菱形结构帽型合金齿下半部分是圆柱结构，上半部分是帽型结构，菱形结构帽型合金齿帽型两侧设置菱形面，在刀圈本体上刃口部位相邻菱形结构帽型合金齿间的顶部和侧面均布有U形槽，在菱形槽和U形槽内分别敷焊有能耐磨材料，菱形结构帽型合金齿帽型外侧和顶部形状与刀圈本体刃口相同。

2.根据权利要求1所述一种菱形结构帽型齿刀圈，其特征是：菱形结构帽型合金齿原料采用钨钴类硬质合金KE16，且钨钴类硬质合金KE16中钨的百分含量：84±0.5；钴的百分含量：16±0.5。

3.根据权利要求2所述一种菱形结构帽型齿刀圈，其特征是：钨钴类硬质合金KE16的硬度HRA85.5，抗弯强度≥2740MPa。

4.一种菱形结构帽型齿刀圈的制造工艺，其特征是：包括下述步骤：

1）用国家标准的40CrNiMoA合金结构钢，加入质量百分含量为0.12-0.18的Nb和质量百分含量为0.10-0.15的Rh，炼制成新钢锭毛坯；

2）将炼制的新钢锭毛坯进行模锻预制成型，并将得到的刀圈本体进行第一次热处理；

3）将步骤2）得到的刀圈本体通过粗车、半精车加工出刀圈刃形，再进行半精加工，使用铣刀在刀圈本体刃口上部对菱形结构帽形合金齿槽进行预加工，并使用铣刀在刀圈本体刃口部位顶部和侧面加工两种敷焊耐磨材料的U形槽，再将上述半成品进行二次真空热处理；

4）参照U槽位置及耐磨层的尺寸进行耐磨材料的敷焊，敷焊前先将刀圈本体进行预热300~350℃左右，控制敷焊层圆周部位敷焊平整，与刀圈刃口顶部接平，刃形两侧U形槽内厚度2~3mm，并与刀圈本体刃口两侧面接平，完成耐磨材料敷焊，焊后保温300℃左右缓冷至常温，然后清理焊渣打磨光滑；

5）进行菱型帽型合金齿槽的精加工和圆柱孔的精加工；

6）利用镶齿工装，控制菱形结构帽型齿与合金槽孔过盈量0.04~0.06mm，采用对正认头、静压的方法，完成菱形结构帽型合金齿镶装；

7）精加工刀圈本体的内腔及两侧端面，并按相应标准进行检验后备用。

5.根据权利要求4所述一种菱形结构帽型齿刀圈的制造工艺，其特征是：国家标准的40CrNiMoA合金结构钢的化学成分及质量百分含量是：C：0.37-0.44、Si：0.17-0.37、Mn:0.50-0.80、Cr：0.60-0.90、Mo:0.56-0.25、Ni:1.25-1.75，余量为Fe。

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