CN214886868U - 一种复合齿 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及岩土钻掘工程领域，具体而言，涉及一种复合齿。复合齿包括齿芯部和包芯部，包芯部套设在齿芯部的外侧，齿芯部的第一端与包芯部的第一端处于同一平面上或齿芯部的第一端突出于包芯部的第一端，包芯部的韧性大于齿芯部的韧性。复合齿在齿芯部外侧包裹具有韧性较大的包芯部，包芯部能够为齿芯部提供支撑保护，提高合金齿抗冲击载荷能力防止齿芯部碎裂。

Description

一种复合齿

技术领域

本实用新型涉及岩土钻掘工程领域，具体而言，涉及一种复合齿。

背景技术

岩土钻掘是一种用于破开土层、岩层的工程，岩土钻掘工程需要使用专业的工程机械，岩土钻掘工程机械主要包括掘进机(Boring machine)和钻机(Drill)。

掘进机主要用于挖掘隧道，其包括普通掘进机和隧道掘进机(Tunnel BoringMachine)，其中隧道掘进机直接在地下或岩层中挖掘隧道，隧道掘进机包括盾构机。

现代隧道建设使用盾构隧道掘进机施工，具有机械化程度高、施工速度快、安全性高的优点，被广泛应用在矿山、铁路、公路等大型施工建设工程中。

盾构机通过带有齿牙的旋转刀圈来破开土层或岩层，其中齿牙为主要的破岩部件。

钻机主要用于向下钻进，常用于勘探或矿产开发工程，其中的旋转钻机(RotaryDrill)具有可旋转的牙轮。

牙轮旋转钻机是钻井勘探中最重要的一种钻具，广泛应用于包括石油勘探、矿物勘探等的钻探行业中。

钻机均通过带有齿牙的牙轮破开土层或岩层，其中齿牙为主要的破岩部件。

在钻掘过程中，齿牙会反复与岩石挤压、摩擦，因此齿牙需要具有高硬度和高耐磨的特点。

现有的齿牙能够满足破岩所需的硬度，但相应的韧性不足，在刀圈或牙轮在使用过程中，若齿牙碰到硬度较高的矿物，齿牙受到的横向剪切力集中于与矿物接触的一点，则会出现齿牙瞬间受到较大的冲击载荷，冲击载荷过大则会导致齿牙碎裂，直接导致齿牙报废，也缩短了采用齿牙的刀圈或牙轮的使用寿命。

硬质合金浪费现象：硬质合金价格昂贵，一般硬质合金齿嵌入母体上的深度约为硬质合金齿总长度的3/4，甚至更多。镶嵌硬质合金齿的盾构机刀圈、牙轮钻头等工程工具的正常磨损时，主要失效形式存在两种，一是当硬质合金磨损到一定程度，尺寸达不到规定使用要求，工具便会进行报废处理，镶嵌到母体中的硬质合金无法有效利用，造成硬质合金的浪费。二是母体磨损到一定层度后，由于硬质合金镶嵌深度变浅，导致硬质合金脱落，造成硬质合金的浪费。目前申请专利(CN201020521527.6)使用设置有中空盲孔的硬质合金以避免硬质合金的浪费。上述专利中的硬质合金齿结构一方面中空盲孔增加了硬质合金的加工费用且造成硬质合金齿强度降低，另一方面硬质合金嵌入母体的深度并未减少，仍存在硬质合金的浪费现象。

实用新型内容

实用新型的目的在于提供一种复合齿，其在齿芯部外侧包裹具有韧性较大的包芯部，包芯部能够为齿芯部提供保护，减少齿芯部受到的冲击载荷，防止齿芯部碎裂。

本实用新型是这样实现的：

一种复合齿，其包括齿芯部和包芯部，包芯部套设在齿芯部的外侧，齿芯部的第一端与包芯部的第一端处于同一平面上或齿芯部的第一端突出于包芯部的第一端，包芯部的韧性大于齿芯部的韧性。

复合齿包括硬度较大但韧性较小的齿芯部，以及韧性较大的包芯部，在使用具有复合齿的刀圈或牙轮进行作业时，若复合齿碰到硬度较高的矿物，则矿物与齿芯部接触，承受冲击载荷，包芯部为齿芯部提供支撑保护，避免齿芯部碎裂，并且由于包芯部的韧性较大，使得包芯部不容易被崩裂，因此提高了复合齿的使用寿命。

在本实用新型较佳的技术方案中，包芯部在齿芯部的径向上的壁厚与齿芯部的径向的最大直径的比例范围为10％至30％。

在本实用新型较佳的技术方案中，齿芯部的第一端呈凸弧形，齿芯部的第一端突出于包芯部的第一端，齿芯部的第一端的外表面与包芯部的第一端的外表面处于同一圆弧面上。

在本实用新型较佳的技术方案中，齿芯部的材料为硬质合金，包芯部的材料为模具钢。

在本实用新型较佳的技术方案中，复合齿还包括尾段部，尾段部与齿芯部的第二端连接，尾段部的韧性大于齿芯部的韧性。

在本实用新型较佳的技术方案中，齿芯部的轴向长度与尾段部的轴向长度的比例范围为2:3至3:2。

在本实用新型较佳的技术方案中，尾段部的靠近齿芯部的一端的直径大于或等于包芯部的第二端的直径。

在本实用新型较佳的技术方案中，齿芯部的材料为硬质合金，尾段部的材料为结构钢。

本实用新型的有益效果主要在于：复合齿在齿芯部外侧包裹具有韧性较大的包芯部，包芯部能够为齿芯部提供保护，与没有包芯部的合金齿相比，本合金齿能够承受更高的冲击载荷，防止齿芯部碎裂。复合齿的制造方法给出了复合齿的焊接制造方法。

钎缝处添加金属网，可降低焊接残余应力，提高合金齿疲劳强度。

尾部端采用上小下大的结构，可以大大增强合金齿镶嵌到母体后的强度，避免合金齿使用过程中脱落。

尾部端采用合金钢材料，大大降低了硬质合金的用量，降低成本，同时减少了合金齿的浪费。

尾部端完全镶嵌到母体中，包芯部和齿芯部部分镶嵌到母体中，在使用过程中能够避免焊缝处磨损，有效利用硬质合金，避免硬质合金的浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型的复合齿的第一实施例的主视图；

图2为本实用新型的复合齿的第一实施例的齿芯部和包芯部的半剖图；

图3为本实用新型的复合齿的第二实施例的主视图；

图4为本实用新型的复合齿的第二实施例的齿芯部和包芯部的半剖图；

图5为本实用新型的复合齿的第三实施例的半剖图；

图6为本实用新型的复合齿的第三实施例的齿芯部和包芯部的半剖图；

图7为本实用新型的复合齿的第四实施例的半剖图；

图8为本实用新型的复合齿的第四实施例的齿芯部和包芯部的半剖图；

图9为本实用新型的复合齿的第一实施例的安装状态示意图；

图10为本实用新型的复合齿的第二实施例的安装状态示意图；

图11为采用本实用新型的复合齿的刀圈的示意图；

图12为采用本实用新型的复合齿的牙轮的示意图。

图中：

10-齿芯部；11-凸起；20-包芯部；30-焊缝部；40-尾段部；100-基材；110-安装孔。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”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相连，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实用新型中的具体含义。

下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实用新型提供了一种复合齿，包括齿芯部10和包芯部20，包芯部20套设在齿芯部10的外侧，齿芯部10的第一端与包芯部20的第一端处于同一平面上或齿芯部10的第一端突出于包芯部20的第一端，包芯部20的韧性大于齿芯部10的韧性。

齿芯部10的硬度大于包芯部20的硬度，包芯部20的韧性大于齿芯部10的韧性，因此包芯部20能够为齿芯部10提供缓冲。

韧性表示材料在塑性变形和破裂过程中吸收能量的能力，定义为材料在断裂前所能吸收的能量与体积的比值。韧性越大，则发生脆性断裂的可能性越小。

当复合齿接触坚硬的矿物时，矿物与包芯部20接触，包芯部20直接受到矿物施加的横向剪切力，齿芯部10与包芯部20接触，因此包芯部20为齿芯部10提供缓冲，减小冲击载荷，从而避免齿芯部10发生碎裂。

此外，包芯部20的韧性较大，因此在受到冲击载荷时，相比齿芯部10更不容易发生碎裂，因此提高了复合齿的使用寿命，即提高了采用该复合齿的刀圈或牙轮的使用寿命。

包芯部20可以采用过盈配合或焊接的方式与齿芯部10连接。

包芯部20在齿芯部10的径向上的壁厚与齿芯部10的径向的最大直径的比例范围为10％至30％。

图1和图2示出了复合齿的第一种实施例，在该实施例中，齿芯部10呈圆柱形，包芯部20呈圆柱管状，包芯部20套设在齿芯部10的外侧。

图1和图2中的上端为齿芯部10和包芯部20的第一端，可以齿芯部10的第一端面与包芯部20的第一端面共面。

图3和图4示出了复合齿的第二种实施例，相比于第一实施例，复合齿的第二种实施例的齿芯部10的第一端呈凸弧形，并且齿芯部10的第一端凸出于包芯部20的第一端，齿芯部10的第一端的外表面与包芯部20的第一端的外表面处于同一圆弧面上。

齿芯部10与包芯部20相接的外表面圆滑过渡。

可以看出，齿芯部10和包芯部20的第一端共同构成了半球形面，齿芯部10的第一端的外表面与包芯部20的第一端的外表面与复合齿的纵截面的交线为半圆。

在其他实施例中，齿芯部10的第一端外表面与包芯部20的第一端的外表面与复合齿的纵截面的交线还可以为其他变曲率的曲线。

本实施例的复合齿可以在第一实施例的复合齿的基础上加工得到，即将第一实施例的复合齿的第一端磨削呈半圆弧，即得到本实施例的复合齿。

本实施例的复合齿还可以采用单独加工包芯部20的第一端的方法得到，即将包芯部20的第一端加工成与齿芯部10的第一端相适配的弧形，即得到本实施例的复合齿。

此外，复合齿还包括尾段部40，尾段部40与齿芯部10的第二端连接，尾段部40的韧性大于齿芯部10的韧性。

在某些实施例中，尾段部40与齿芯部10连接，则尾段部40的靠近齿芯部10的一端的直径小于包芯部20的第二端的直径。

而在图1至图8示出的实施例中，尾段部40不仅与齿芯部10连接，并且与包芯部20连接，尾段部40的靠近齿芯部10的一端的直径大于或等于包芯部20的第二端的直径。

尾段部40可以通过炉中钎焊、感应钎焊、电阻焊等方法与齿芯部10和包芯部20焊接成型。

齿芯部10的轴向长度与尾段部40的轴向长度的比例范围为2:3至3:2。

如图9和图10所示，尾段部40主要用于嵌入基材100，使得复合齿与基材100连接。

尾段部40的韧性大于齿芯部10的韧性，能够提高复合齿整体的韧性，降低复合齿被剪断的风险。

尾段部40的直径沿远离齿芯部10的方向逐渐增大。

尾段部40与齿芯部10和包芯部20焊接，因此形成焊缝部30，焊缝部30的韧性大于齿芯部10的韧性，焊缝部30的韧性小于尾段部40的韧性，因此齿芯部10、焊缝部30和尾段部40形成韧性阶梯，提高复合齿能够承受的冲击载荷，减小复合齿被剪断的概率。

焊缝部30的厚度范围为0.1mm至1mm，复合齿的尺寸越大，焊缝部30越厚。

在图1至图4示出的实施例中，齿芯部10和包芯部20的第二端呈平面，尾段部40的上端也为平面，尾段部40的上端与齿芯部10和包芯部20的第二端焊接成型。

图5和图6示出了复合齿的第三实施例，该实施例的齿芯部10的第一端和包芯部20的第一端与第一实施例相同，不同在于齿芯部10的第二端具有矩形的凸起11，而尾段部40的上端面上开设有与凸起11相适配的凹槽，当齿芯部10与尾段部40对位焊接时，凸起11对应嵌入凹槽内，从而使得尾段部40与齿芯部10的焊接更加紧密，连接更加牢固、可靠。

图7和图8示出了复合齿的第四实施例，该实施例的齿芯部10的第一端和包芯部20的第一端的结构，与第二实施例中的齿芯部10的第一端和包芯部20的第一端的结构相同，不同在于齿芯部10的第二端具有三角形的凸起11，而尾段部40的上端面上开设有与凸起11相适配的凹槽，当齿芯部10与尾段部40对位焊接时，凸起11对应嵌入凹槽内，从而使得尾段部40与齿芯部10的焊接更加紧密，连接更加牢固、可靠。

上述复合齿的第三实施例和第四实施例中的齿芯部10的凸起11的高度范围为1mm至3mm，对应地尾段部40上的凹槽的深度范围为1mm至3mm。

本实用新型的复合齿的齿芯部10的材料可以为硬质合金，例如YG11至YG20，硬质合金具有硬度高，耐磨性好的特点，适合用于钻掘岩土。

包芯部的材料为模具钢，具体可参照GB/T 1299-2014所记载的刚材。

在优选实施例中，包芯部的材料为7Cr7Mo3V1Si。

尾段部40的材料为结构钢，具体可参照GB/T 700-2006所记载的刚材。

在优选实施例中，尾段部40的材料为45号钢。

图9示出了第一实施例的复合齿如何安装到基材100上，基材100上开设安装孔110，尾段部40嵌入安装孔110内，齿芯部10和包芯部20凸出于安装孔110。

安装孔110由钻机在基材100上钻孔加工形成，因此安装孔110的底部呈顶角为118°的锥形。

尾段部40通过冷嵌或热嵌的方式嵌入安装孔110内。

焊缝部30位于安装孔110内，焊缝部30嵌入安装孔110的深度H的范围为3mm至5mm。

齿芯部10和包芯部20的第二端的一段也嵌入安装孔110内，齿芯部10的嵌入安装孔110的部分的长度与齿芯部10的长度的比例范围为1:10至3:10。

图11示出了采用了上述第一实施例或第三实施例的复合齿的刀圈。

图12示出了采用了上述第二实施例或第四实施例的复合齿的牙轮。

本实用新型还提供了一种复合齿的制造方法，用于制造上述的复合齿。

首先通过过盈配合或焊接连接复合齿的齿芯部10和包芯部20，在制造第二实施例或第四实施例的复合齿时，还需要对包芯部20进行磨削，以形成与齿芯部10的第一端对应的弧形。

在制造第一实施例或第二实施例的复合齿时，对齿芯部10和尾段部40的焊接端面进行预处理，即采用碱洗液除油脱脂，酸洗液表面活化，再用酒精超声波洗净、吹风吹干。

处理好的齿芯部10的第二端和尾段部40的上端之间加入钎剂、钎料和金属网格后，按对接要求定位后，放置在焊接装置内，加热至钎料熔化，实施焊接工件的焊接。

而在制造第三实施例和第四实施例的复合齿时，在对齿芯部10和尾段部40的焊接端面进行预处理之前，先需要对尾段部40的上端面进行加工，以加工出与齿芯部10的凸起11对应的凹槽。

以下给出两种焊接方式，分别为感应钎焊和炉中钎焊。

对齿芯部10和尾段部40的焊接端面进行预处理之后，感应钎焊包括：

钎料和不锈钢金属网通过冲压成型，二者的形状与齿芯部10和尾段部40之间的间隙相匹配，不锈钢金属网目数为35目至80目，厚度为0.1mm至0.5mm；

焊接用的钎料种类为铜基钎料或银基钎料；

将尾段部40竖直放置，在尾段部40的与齿芯部10连接的端面上涂抹钎剂，并依次放置钎料焊片、金属网和齿芯部10；

将焊缝完全放入感应加热区，控制加热温度高于钎料熔点30℃至50℃，钎料完全熔化后，保温1s至2s，然后停止加热；

自然冷却至室温，使得尾段部40与齿芯部10相连接。

对齿芯部10和尾段部40的焊接端面进行预处理之后，炉中钎焊包括：

钎料和不锈钢金属网通过冲压成型，二者的形状与齿芯部10和尾段部40之间的间隙相匹配，不锈钢金属网目数为35目至80目，厚度为0.1mm至0.3mm；

焊接用的钎料种类为铜基钎料或银基钎料；

将尾段部40竖直放置，在尾段部40的与齿芯部10连接的端面上涂抹钎剂，并依次放置钎料焊片、金属网和齿芯部10；

将装配好的待焊的复合齿放入真空钎焊炉中，设置加热温度高于钎料熔点30℃至50℃，待焊片完全融化后，保温时间1s至2s，然后停止加热；

复合齿随炉自然冷却至室温，使得尾段部40与齿芯部10相连接。

本实用新型的复合齿可以用于岩土钻掘机械，例如隧道掘进机、普通掘进机和牙轮钻机。

图11示出的刀圈主要应用于盾构机上，刀圈具有环形的基材100，基材100上嵌有本实用新型的复合齿。

图12示出的牙轮为牙轮钻头的一部分，一般三个牙轮组成一个牙轮钻头，用于牙轮钻机上。

牙轮包括圆锥形的基材100，基材100上嵌有本实用新型的复合齿。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复合齿，其特征在于，包括齿芯部(10)和包芯部(20)，所述包芯部(20)套设在所述齿芯部(10)的外侧，所述齿芯部(10)的第一端与所述包芯部(20)的第一端处于同一平面上或所述齿芯部(10)的第一端突出于所述包芯部(20)的第一端，所述包芯部(20)的韧性大于所述齿芯部(10)的韧性。

2.根据权利要求1所述的复合齿，其特征在于，所述包芯部(20)在所述齿芯部(10)的径向上的壁厚与齿芯部(10)的径向的最大直径的比例范围为10％至30％。

3.根据权利要求1所述的复合齿，其特征在于，所述齿芯部(10)的第一端呈凸弧形，所述齿芯部(10)的第一端突出于所述包芯部(20)的第一端，所述齿芯部(10)的第一端的外表面与所述包芯部(20)的第一端的外表面处于同一圆弧面上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的复合齿，其特征在于，所述齿芯部(10)的材料为硬质合金，所述包芯部(20)材料为模具钢。

5.根据权利要求1所述的复合齿，其特征在于，所述复合齿还包括尾段部(40)，所述尾段部(40)与所述齿芯部(10)的第二端连接，所述尾段部(40)的韧性大于所述齿芯部(10)的韧性。

6.根据权利要求5所述的复合齿，其特征在于，所述齿芯部(10)的轴向长度与所述尾段部(40)的轴向长度的比例范围为2:3至3:2。

7.根据权利要求5所述的复合齿，其特征在于，所述尾段部(40)靠近所述齿芯部(10)的一端的直径等于所述包芯部(20)的第二端的直径；

所述尾段部(40)的远离所述齿芯部(10)的一端的直径大于或等于所述包芯部(20)的第二端的直径。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的复合齿，其特征在于，所述齿芯部(10)的材料为硬质合金，所述尾段部(40)的材料为结构钢。

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