CN116677395B - 一种等梯度一体式盘形滚刀及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等梯度一体式盘形滚刀及其制造工艺，刀轴，所述刀轴的外侧设置有轴承组；第一端盖和第二端盖，所述第一端盖和第二端盖设置于轴承组的两侧，所述第一端盖和第二端盖与轴承组之间安装有浮动密封环，所述第一端盖的一侧通过锁紧盖安装于刀轴的一侧；等梯度刀圈，所述等梯度刀圈安装于第一端盖和第二端盖之间；其中，所述刀轴的远离锁紧盖的一侧通过卡环与第二端盖卡接，所述锁紧盖和轴承组与刀轴之间通过密封组件密封连接；增强安装的稳定性，省去传统刀毂，便于装配。同时通过密封组件设置于锁紧盖和轴承组与刀轴之间，增强刀轴安装间隙处的密封性。
Description
技术领域
本发明涉及盾构滚刀技术领域，具体涉及一种等梯度一体式盘形滚刀及其制造工艺。
背景技术
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构，机械式盾构。根据盾构机不同的分类，盾构开挖方法可分为：敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体开挖与运输。
盾构机在软土掘进主要依靠齿刀、刮刀切削土体，而在岩石地层主要依靠盾构滚刀切削土体。现有的盾构机盘形滚刀多采用硬度较强的金属锻造而成，滚刀的刀圈硬度较大时，滚刀刀圈的内部韧性不够，易使得滚刀刀圈发生碎裂；同时，滚刀通过刀轴、刀毂、刀圈和端盖等多种结构拼接，增加装配的难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等梯度一体式盘形滚刀及其制造工艺，解决以下技术问题：
现有的盾构机盘形滚刀多采用硬度较强的金属锻造而成，滚刀的刀圈硬度较大时，滚刀刀圈的内部韧性不够，易使得滚刀刀圈发生碎裂；同时，滚刀通过刀轴、刀毂、刀圈和端盖等多种结构拼接，增加装配的难度。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种等梯度一体式盘形滚刀及其制造工艺，包括：
刀轴，所述刀轴的外侧设置有轴承组；
第一端盖和第二端盖，所述第一端盖和第二端盖设置于轴承组的两侧，所述第一端盖和第二端盖与轴承组之间安装有浮动密封环，所述第一端盖的一侧通过锁紧盖安装于刀轴的一侧；
等梯度刀圈，所述等梯度刀圈安装于第一端盖和第二端盖之间；
其中，所述刀轴的远离锁紧盖的一侧通过卡环与第二端盖卡接，所述锁紧盖和轴承组与刀轴之间通过密封组件密封连接。
作为本发明进一步的方案：所述密封组件，所述密封组件包括：
第一密封胶条，所述卡环与第二端盖之间设置有第一密封胶条；
第二密封胶条，所述锁紧盖与第一端盖之间设置有第二密封胶条；
第三密封胶条，所述锁紧盖与刀轴之间设置有第三密封胶条；
第四密封胶条，所述轴承组与刀轴之间设置有第四密封胶条。
作为本发明进一步的方案：所述刀轴的内部设置有储油腔，所述储油腔的一侧设置有推进槽，所述推进槽与储油腔相联通，所述推进槽的内部滑动连接有推进活塞，推进活塞的内部设置有注油管，所述刀轴的一侧螺纹连接有推进螺杆，所述推进螺杆的末端延伸至推进槽的内部，所述推进螺杆位于推进活塞远离储油腔的一侧。
作为本发明进一步的方案：所述轴承组的内侧设置有调节隔环，所述调节隔环的内部设置有充油管，所述储油腔与调节隔环之间设置有进油槽，所述进油槽与充油管的内部相联通；所述锁紧盖与刀轴通过锁紧螺钉固定连接。
一种等梯度一体式盘形滚刀的制造工艺,其特征在于，包括以下步骤：
S1：制备等梯度刀圈；
S2：将轴承组装配到刀轴的外侧；
S3：在轴承组的两侧装配第一端盖和第二端盖，并通过第一端盖和第二端盖相对一侧设置的刀圈卡块卡住等梯度刀圈；
S4：将第一端盖和第二端盖焊接固定。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S1包括以下步骤：
S101：将钢管切割成环形毛坯，对环形毛坯进行预热；
S102：对预热好的环形毛坯进行锻压，形成刀圈基座环形坯；
S103：将刀圈基座环形坯放置在退火炉中进行退火，制成半成品刀圈基座；
S105：对半成品刀圈基座进行淬火处理和回火处理；
S106：回火处理后的刀圈基座表面依次堆焊若干层梯度焊层，且若干层梯度焊层由内至外的硬度逐渐增加；堆焊完成，形成等梯度刀圈。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S101中对环形毛坯进行预热的温度为950℃-1100℃；
所述步骤S102中对预热好的环形毛坯进行锻压时，锻压模具加热至1050℃-1200℃；
所述步骤S103中，对半成品刀圈基座进行淬火处理的温度范围为1160℃-1280℃，对半成品刀圈基座进行回火处理的温度范围为450℃-620℃。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S106包括以下步骤：
S1061：对回火后的刀圈基座的中部捆绕铜制金属丝网，采用镍铜合金焊料，焊料从铜制金属丝网上的孔洞渗透进入金属丝网内部，形成金属丝网支撑环；
S1062：在刀圈基座和金属丝网支撑环的外侧堆焊一层碳化钨层，形成第一梯度层；在第一梯度层外侧堆焊一层碳化钨层作为第二梯度层；在第二梯度层外侧堆焊一层碳化钨层作为第三梯度层；在第三梯度层外侧堆焊一层碳化钨层作为第四梯度层；在第四梯度层外侧堆焊一层碳化钨层作为第五梯度层；
其中，第一梯度层、第二梯度层、第三梯度层和第四梯度层的硬度逐渐增加。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S1061中，镍铜合金焊料包含的成分及各个成分的质量百分比为：Cu:30％～38％，Mn：4％～6％，S i：2％～5％，N i：50％～58％，Fe：2％～5％，T i：8％～13％。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S1062中，第一梯度层包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：25％～30％、镍铬合金粉：60％～70％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％；
第二梯度层包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：30％～35％、镍铬合金粉：55％～65％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％；
第三梯度层包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：35％～40％、镍铬合金粉：50％～60％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％；
第四梯度层包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：45％～48％、镍铬合金粉：45％～52％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％；
第五梯度层包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：49％～52％、镍铬合金粉：40％～50％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％。
本发明的有益效果：
本发明通过一体式等梯度刀圈设计，整体模锻，通过等梯度刀圈与第一端盖和第二端盖之间直接安装连接，同时，通过锁紧盖锁紧刀轴的一侧，刀轴的远离锁紧盖的一侧通过卡环与第二端盖卡接，使得刀轴稳定的与第一端盖和第二端盖安装，增强安装的稳定性，省去传统刀毂，便于装配。同时通过密封组件设置于锁紧盖和轴承组与刀轴之间，增强刀轴安装间隙处的密封性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明刀轴的结构示意图；
图4是本发明调节隔环的结构示意图。
图中：1、第一端盖；2、等梯度刀圈；3、刀圈卡块；4、浮动密封环；5、轴承组；6、卡环；601、第一密封胶条；7、第四密封胶条；8、调节隔环；9、充油管；10、刀轴；11、第三密封胶条；12、锁紧盖；13、第二密封胶条；14、锁紧螺钉；15、第二端盖；16、储油腔；17、进油槽；18、推进活塞；19、推进槽；20推进螺杆；注油管。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1-4所示，本发明为一种等梯度一体式盘形滚刀及其制造工艺，包括：
刀轴10，刀轴10的外侧设置有轴承组5；
第一端盖1和第二端盖15，第一端盖1和第二端盖15设置于轴承组5的两侧，第一端盖1和第二端盖15与轴承组5之间安装有浮动密封环4，第一端盖1的一侧通过锁紧盖12安装于刀轴10的一侧；
等梯度刀圈2，等梯度刀圈2安装于第一端盖1和第二端盖15之间；
其中，刀轴10的远离锁紧盖12的一侧通过卡环6与第二端盖15卡接，锁紧盖12和轴承组5与刀轴10之间通过密封组件密封连接。
具体的，一体式等梯度刀圈2设计，整体模锻，通过等梯度刀圈2与第一端盖1和第二端盖15之间直接安装连接，同时，通过锁紧盖12锁紧刀轴10的一侧，刀轴10的远离锁紧盖12的一侧通过卡环6与第二端盖15卡接，使得刀轴10稳定的与第一端盖1和第二端盖15安装，增强安装的稳定性，省去传统刀毂，便于装配。同时通过密封组件设置于锁紧盖12和轴承组5与刀轴10之间，增强刀轴10安装间隙处的密封性。
作为本发明进一步的方案：密封组件，密封组件包括：
第一密封胶条601，卡环6与第二端盖15之间设置有第一密封胶条601；
第二密封胶条13，锁紧盖12与第一端盖1之间设置有第二密封胶条13；
第三密封胶条11，锁紧盖12与刀轴10之间设置有第三密封胶条11；
第四密封胶条7，轴承组5与刀轴10之间设置有第四密封胶条7。
具体的，通过密封组件设置于锁紧盖12和轴承组5与刀轴10之间，增强刀轴10安装间隙处的密封性，通过第一密封胶条601、第二密封胶条13、第三密封胶条11和第四密封胶条7的设置，为刀轴10和端盖的安装增加多重密封性。
作为本发明进一步的方案：刀轴10的内部设置有储油腔16，储油腔16的一侧设置有推进槽19，推进槽19与储油腔16相联通，推进槽19的内部滑动连接有推进活塞18，推进活塞18的内部设置有注油管21，刀轴10的一侧螺纹连接有推进螺杆20，推进螺杆20的末端延伸至推进槽19的内部，推进螺杆20位于推进活塞18远离储油腔16的一侧。
具体的，当滚刀内部油液需要补充时，向内转动推进螺杆20，推进螺杆20伸入推进槽19内部，并推动推进活塞18移动至储油腔16，储油腔16内部的油液被挤出，便于为滚刀的轴承处补充油液；同时移出推进螺杆20，即可通过注油管21往储油腔16的内部补充油液。
作为本发明进一步的方案：轴承组5的内侧设置有调节隔环8，调节隔环8的内部设置有充油管9，储油腔16与调节隔环8之间设置有进油槽17，进油槽17与充油管9的内部相联通；锁紧盖12与刀轴10通过锁紧螺钉14固定连接。
具体的，储油腔16内部设置润滑油，滚刀转动时，储油腔16内的油液在旋转离心力的作用下，流向轴承组5,便于在滚刀使用时为轴承组5处不长油液。
实施例二
请参阅图1所示，一种等梯度一体式盘形滚刀的制造工艺,其特征在于，包括以下步骤：
S1：制备等梯度刀圈2；
S2：将轴承组5装配到刀轴10的外侧；
S3：在轴承组5的两侧装配第一端盖1和第二端盖15，并通过第一端盖1和第二端盖15相对一侧设置的刀圈卡块3卡住等梯度刀圈2；
S4：将第一端盖1和第二端盖15焊接固定。
具体的，通过等梯度刀圈2与第一端盖1和第二端盖15之间直接安装连接，同时，通过锁紧盖12锁紧刀轴10的一侧，刀轴10的远离锁紧盖12的一侧通过卡环6与第二端盖15卡接，使得刀轴10稳定的与第一端盖1和第二端盖15安装，增强安装的稳定性，省去传统刀毂，便于装配。
作为本发明进一步的方案：步骤S1包括以下步骤：
S101：将钢管切割成环形毛坯，对环形毛坯进行预热；
S102：对预热好的环形毛坯进行锻压，形成刀圈基座环形坯；
S103：将刀圈基座环形坯放置在退火炉中进行退火，制成半成品刀圈基座；
S105：对半成品刀圈基座进行淬火处理和回火处理；
S106：回火处理后的刀圈基座表面依次堆焊若干层梯度焊层，且若干层梯度焊层由内至外的硬度逐渐增加；堆焊完成，形成等梯度刀圈。
具体的，通过锻压和淬火处理和回火处理，使得刀圈基座206具有更强的硬度，保证刀圈基座206具有较强的稳定性。
通过刀圈基座206外层的梯度焊层的硬度之间增加，使得等梯度刀圈2具有最外层的硬度最高，有助于等梯度刀圈2最外层进行削切，而等梯度刀圈2的内部具有较高的强韧性。
作为本发明进一步的方案：步骤S101中对环形毛坯进行预热的温度为950℃-1100℃；
步骤S102中对预热好的环形毛坯进行锻压时，锻压模具加热至1050℃-1200℃；
步骤S103中，对半成品刀圈基座进行淬火处理的温度范围为1160℃-1280℃，对半成品刀圈基座进行回火处理的温度范围为450℃-620℃。
作为本发明进一步的方案：步骤S106包括以下步骤：
S1061：对回火后的刀圈基座206的中部捆绕铜制金属丝网，采用镍铜合金焊料，焊料从铜制金属丝网上的孔洞渗透进入金属丝网内部，形成金属丝网支撑环；
S1062：在刀圈基座206和金属丝网支撑环的外侧堆焊一层碳化钨层，形成第一梯度层201；在第一梯度层201外侧堆焊一层碳化钨层作为第二梯度层202；在第二梯度层202外侧堆焊一层碳化钨层作为第三梯度层203；在第三梯度层203外侧堆焊一层碳化钨层作为第四梯度层204；在第四梯度层204外侧堆焊一层碳化钨层作为第五梯度层205；
其中，第一梯度层201、第二梯度层202、第三梯度层203和第四梯度层204的硬度逐渐增加。
具体的，通过刀圈基座206的中部捆绕铜制金属丝网，在金属丝网支撑环的外侧堆焊一层碳化钨层，使得堆焊的碳化钨层易顺着铜制金属丝网的空隙将铜制金属丝网的网格空隙填满，有助于增强刀圈基座206与堆焊的碳化钨层的接合强度。
作为本发明进一步的方案：步骤S1061中，镍铜合金焊料包含的成分及各个成分的质量百分比为：Cu:30％～38％，Mn：4％～6％，S i：2％～5％，N i：50％～58％，Fe：2％～5％，T i：8％～13％。
作为本发明进一步的方案：步骤S1062中，第一梯度层201包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：25％～30％、镍铬合金粉：60％～70％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％；
第二梯度层202包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：30％～35％、镍铬合金粉：55％～65％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％；
第三梯度层203包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：35％～40％、镍铬合金粉：50％～60％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％；
第四梯度层204包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：45％～48％、镍铬合金粉：45％～52％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％；
第五梯度层205包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：49％～52％、镍铬合金粉：40％～50％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％。
具体的，通过逐渐增加梯度焊层中碳化钨含量，可使得刀圈基座206外层的梯度焊层的硬度之间增加，增强等梯度刀圈2的外侧的硬度，有助于等梯度刀圈2最外层进行削切，而等梯度刀圈2的内部具有较高的强韧性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”仅由于描述目的，且不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (7)
1.一种等梯度一体式盘形滚刀，其特征在于，包括：
刀轴(10)，所述刀轴(10)的外侧设置有轴承组(5)；
第一端盖(1)和第二端盖(15)，所述第一端盖(1)和第二端盖(15)设置于轴承组(5)的两侧，所述第一端盖(1)和第二端盖(15)与轴承组(5)之间安装有浮动密封环(4)，所述第一端盖(1)的一侧通过锁紧盖(12)安装于刀轴(10)的一侧；
等梯度刀圈(2)，所述等梯度刀圈(2)安装于第一端盖(1)和第二端盖(15)之间；
其中，所述刀轴(10)的远离锁紧盖(12)的一侧通过卡环(6)与第二端盖(15)卡接，所述锁紧盖(12)和轴承组(5)与刀轴(10)之间通过密封组件密封连接；
所述等梯度一体式盘形滚刀的制造工艺,包括以下步骤：
S1：制备等梯度刀圈(2)；
S2：将轴承组(5)装配到刀轴(10)的外侧；
S3：在轴承组(5)的两侧装配第一端盖(1)和第二端盖(15)，并通过第一端盖(1)和第二端盖(15)相对一侧设置的刀圈卡块(3)卡住等梯度刀圈(2)；
S4：将第一端盖(1)和第二端盖(15)焊接固定；
所述步骤S1包括以下步骤：
S101：将钢管切割成环形毛坯，对环形毛坯进行预热；
S102：对预热好的环形毛坯进行锻压，形成刀圈基座环形坯；
S103：将刀圈基座环形坯放置在退火炉中进行退火，制成半成品刀圈基座；
S105：对半成品刀圈基座进行淬火处理和回火处理；
S106：回火处理后的刀圈基座表面依次堆焊若干层梯度焊层，且若干层梯度焊层由内至外的硬度逐渐增加；堆焊完成，形成等梯度刀圈；
所述步骤S106包括以下步骤：
S1061：对回火后的刀圈基座(206)的中部捆绕铜制金属丝网，采用镍铜合金焊料，焊料从铜制金属丝网上的孔洞渗透进入金属丝网内部，形成金属丝网支撑环；
S1062：在刀圈基座(206)和金属丝网支撑环的外侧堆焊一层碳化钨层，形成第一梯度层(201)；在第一梯度层(201)外侧堆焊一层碳化钨层作为第二梯度层(202)；在第二梯度层(202)外侧堆焊一层碳化钨层作为第三梯度层(203)；在第三梯度层(203)外侧堆焊一层碳化钨层作为第四梯度层(204)；在第四梯度层(204)外侧堆焊一层碳化钨层作为第五梯度层(205)；
其中，第一梯度层(201)、第二梯度层(202)、第三梯度层(203)和第四梯度层(204)的硬度逐渐增加。
2.根据权利要求1所述的一种等梯度一体式盘形滚刀,其特征在于，
所述密封组件包括：
第一密封胶条(601)，所述卡环(6)与第二端盖(15)之间设置有第一密封胶条(601)；
第二密封胶条(13)，所述锁紧盖(12)与第一端盖(1)之间设置有第二密封胶条(13)；
第三密封胶条(11)，所述锁紧盖(12)与刀轴(10)之间设置有第三密封胶条(11)；
第四密封胶条(7)，所述轴承组(5)与刀轴(10)之间设置有第四密封胶条(7)。
3.根据权利要求1所述的一种等梯度一体式盘形滚刀,其特征在于，所述刀轴(10)的内部设置有储油腔(16)，所述储油腔(16)的一侧设置有推进槽(19)，所述推进槽(19)与储油腔(16)相联通，所述推进槽(19)的内部滑动连接有推进活塞(18)，推进活塞(18)的内部设置有注油管(21)，所述刀轴(10)的一侧螺纹连接有推进螺杆(20)，所述推进螺杆(20)的末端延伸至推进槽(19)的内部，所述推进螺杆(20)位于推进活塞(18)远离储油腔(16)的一侧。
4.根据权利要求3所述的一种等梯度一体式盘形滚刀,其特征在于，所述轴承组(5)的内侧设置有调节隔环(8)，所述调节隔环(8)的内部设置有充油管(9)，所述储油腔(16)与调节隔环(8)之间设置有进油槽(17)，所述进油槽(17)与充油管(9)的内部相联通；所述锁紧盖(12)与刀轴(10)通过锁紧螺钉(14)固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种等梯度一体式盘形滚刀,其特征在于，所述步骤S101中对环形毛坯进行预热的温度为950℃-1100℃；
所述步骤S102中对预热好的环形毛坯进行锻压时，锻压模具加热至1050℃-1200℃；
所述步骤S103中，对半成品刀圈基座进行淬火处理的温度范围为1160℃-1280℃，对半成品刀圈基座进行回火处理的温度范围为450℃-620℃。
6.根据权利要求1所述的一种等梯度一体式盘形滚刀,其特征在于，所述步骤S1061中，镍铜合金焊料包含的成分及各个成分的质量百分比为：Cu:30％～38％，Mn：4％～6％，Si：2％～5％，Ni：50％～58％，Fe：2％～5％，Ti：8％～13％。
7.根据权利要求1所述的一种等梯度一体式盘形滚刀,其特征在于，
所述步骤S1062中，第一梯度层(201)包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：25％～30％、镍铬合金粉：60％～70％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％；
第二梯度层(202)包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：30％～35％、镍铬合金粉：55％～65％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％；
第三梯度层(203)包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：35％～40％、镍铬合金粉：50％～60％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％；
第四梯度层(204)包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：45％～48％、镍铬合金粉：45％～52％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％；
第五梯度层(205)包含的成分及各个成分的质量百分比为：碳化钨：49％～52％、镍铬合金粉：40％～50％；成型剂和粘结剂总量：5％～10％。
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