一种盾构机滚刀刀圈表面强化方法与流程

本发明涉及材料表面改性技术领域，特别涉及一种盾构机滚刀刀圈表面强化工艺。

背景技术：

近年来，先进的盾构机施工技术已经广泛运用在工程建设中，但是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刀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，因此需要采用表面改性技术，在保持滚刀内部优良的轻度(廉价的材质)和韧性的同时，综合提高其表面的硬度、耐磨性等性能。

表面强化技术是利用高能激光束，使基材表层和添加的合金元素熔化混合，从而形成以原基材为基的新的表面合金层，由于这项技术具有组织均匀致密、基体的热效应低、性能优异、柔性化程度高和工艺成本低廉等鲜明特点，而受到国内外相关研究领域的广泛关注。

通过激光合金化技术对滚刀表面进行改性，对于提高滚刀的耐用度有着重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是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，导致早期失效。

为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种盾构机滚刀刀圈表面强化方法，，本发明的技术方案是这样实施的：

一种盾构机滚刀刀圈表面强化方法，包括以下步骤：

s1：选择合金粉末，将所述合金粉末进行真空干燥处理；

s2：定位变位机，将需要加工强化修复的滚刀刀圈装夹在带有卡盘的变位机上；

s3：对所述需要加工强化修复的滚刀刀圈刀刃表面进行打磨处理；

s4：通过重力送粉和激光同步对所述滚刀刀圈表面进行熔覆，

待滚刀刀圈一面强化完成后，通过机器人联动控制所述变位机将所述滚刀刀圈翻转至另一面，进行熔覆；

s5：激光强化后续处理，对所述处理完成后的滚刀刀圈保温冷却。

优选地，所述s1中的合金粉末设为镍基碳化钨粉。

优选地，所述s4中激光器为8000w高功率半导体激光器。

优选地，所述s4中采用的的激光功率为4.5-5.5kw，扫描速度5-10mm/s，搭接量为20-30％。

优选地，所述s4中采用的的激光器光斑设为长方形光斑。

优选地，所述s4中的重力送粉包括集粉腔、以及若干个粉路，所述粉路与所述集粉腔连通，所述粉路设置在所述滚刀刀圈上方且所述粉路开口朝向所述滚刀刀圈，当向所述集粉腔内输送氩气，所述合金化粉末通过所述粉路自由落在所述滚刀刀圈上。

优选地，所述粉路设为四个，所述四个围绕所述滚刀刀圈均匀分布。

优选地，所述s5中保温冷却具体操作方式是取消后续加热步骤，将修复后的所述滚刀刀圈放入保温棉中，让其自然冷却。

实施本发明的有益效果是：

1、通过合金化粉末熔覆在滚刀刀圈表面，实现滚刀刀圈表面的修复和强化，提高了滚刀刀圈表面的硬度、韧性，同时提高了滚刀刀圈表面的耐磨损性能，有效减少了磨损量，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。

2、激光熔覆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。

3、通过机动性、灵活性比较强的机器人加工，配备变位机自动翻转，一次强化成型，节约了时间，同时提高了滚刀刀圈表面修复效果的一致性。

4、通过将修复后的滚刀刀圈放置在保温棉内冷却有效地缩短了时间，提高了工作效率。

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，下面将对实施例或现有技术描述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种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为修复前后相同时间后的滚刀刀圈上磨损量的示意图。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例：一种盾构机滚刀刀圈表面强化方法，包括以下步骤：

s1：选择合金粉末，将所述合金粉末进行真空干燥处理；

s2：定位变位机，将需要加工强化修复的滚刀刀圈装夹在带有卡盘的变位机上；

s3：对所述需要加工强化修复的滚刀刀圈刀刃表面进行打磨处理；

s4：通过重力送粉和激光同步对所述滚刀刀圈表面进行熔覆，待滚刀刀圈一面强化完成后，通过机器人联动控制所述变位机将所述滚刀刀圈翻转至另一面，进行熔覆；

s5：激光强化后续处理，对所述处理完成后的滚刀刀圈保温冷却。

合金粉末通过重力送粉送至滚刀刀圈处，使滚刀刀圈刀刃处被合金化粉末包围，配合激光同步，实现滚刀刀圈表面的熔覆工艺，使合金粉末附着在滚刀刀圈表面被磨损的地方，实现对滚刀刀圈表面的修复，同时提高滚刀刀圈的耐用度，将合金粉末真空干燥是用于减少合金化粉末中的杂质，对滚刀刀圈表面进行打磨处理是为了减少在熔覆过程中的杂质，进而提高修复质量，通过熔覆工艺使有磨损的滚刀刀圈得以修复、强化、再利用，降低滚刀刀圈报废成本，节约材料，由于合金粉末附着在滚刀刀圈表面形成涂层，修复后的滚刀刀圈能超越正常滚刀刀圈的机械强度1～2倍，增强使用寿命，提高工作效率，节约成本，此熔覆工艺也适用于未磨损的滚刀刀圈表面用于强化，增加滚刀刀圈表面的耐磨度。

s1中的合金粉末设为镍基碳化钨粉末，镍基粉末价格适中，熔点较低在100～150℃，自熔成渣性良好，镍基碳化钨粉形成的涂层具有优异的耐腐蚀性、耐磨性和良好的耐热性，它可以用于制备具有综合性能要求的涂层，甚至在600℃以下代替钴基合金。

上述所用的镍基碳化钨粉末中由60％镍ni(除了ni，还含c、cr、fe、si、b)和40％碳化钨wc(除了wc，还含c)组成，其中镍基金属粉末的粒径为53～150μm，wc颗粒的粒径为53～160μm，熔覆涂层组织主要由40％碳化钨和60％镍基合金粉末组成，具备超高硬度和韧性，可以作为满足综合性能要求的涂层，实现对滚刀刀圈磨损部分的修复的同时，能有效提高了滚刀刀圈的耐磨性能，对磨损起到了阻碍作用，能有效减少滚刀刀圈表面裂纹的形成。

在一个优选的实施方式中，s4中激光器为8000w高功率半导体激光器，使用高功率激光器可以满足熔覆过程的实现条件，其中，s4中采用的的激光功率为4.5-5.5kw，扫描速度5-10mm/s，搭接量为20-30％。

在一个优选的实施方式中，s4中采用的的激光光斑设为长方形光斑，当然，其他能够满足熔覆过程的光斑形状均可适用，现有中大多数激光器采用圆形光斑，在此实施方式中采用长方形光斑，光斑尺寸为19*10mm，为配合激光功率，光斑面积不宜不低于170mm²，配合4.5kw的激光功率，可以大大减少加工时间，提高熔覆过程的效率，一次有效宽度至少为17mm，减少加工过程耗费的时间成本，上述均为可以实现滚刀刀圈表面具有较佳修复效果的加工过程中参数范围，并已通过实验进行验证(参考图1，图中左侧图为修复前t时间内的磨损示意图，右侧图为修复后t时间内的磨损示意图，阴影部分为磨损量)，具体参数值需要根据滚刀刀圈表面磨损程度来决定，在此不作赘述。

在一个优选的实施方式中，s4中的重力送粉包括集粉腔以及若干个粉路，所述粉路与所述集粉腔连通，粉路设置在滚刀刀圈上方且粉路开口朝向滚刀刀圈，当向集粉腔内输送氩气，通过氩气气体压力将粉末从集粉腔内输送到粉路内，合金化粉末通过粉路自由落在滚刀刀圈上，上述的重力送粉装置主要是通过合金粉末自身的重力落入需要修复的滚刀刀圈表面，合金粉末由上而下落下，可以提高粉末附着在滚刀刀圈表面的均匀性，减少了熔覆层不均匀导致修复部分厚度不一致而对修复部位耐用性造成的影响，操作过程中只需根据滚刀刀圈表面磨损度控制送粉量即可，操作简单，方便，相比人工涂刷，本实施方式减少了人工调制不均及涂刷不均等因素对熔覆效果造成的影响，同时减少了自然凉干等工序，提升了加工效率，在此实施方式中，重力送粉具体表现形式是通过粉路及气体压力配合实现输送，现有技术中利用其他辅助装置可以实现重力送粉的目的在此也适用，在此不一一列举。

在一个优选的实施方式中，粉路可以设置为一个或多个，上述实施方式中的粉路设为四个，四个围绕所述滚刀刀圈均匀分布，由于粉末在自身重力下向下移动，且粉末自身重力较小，会在向下的过程中向四处飞散，粉路的均匀和非均匀分布在一定程度上并不会对修复部分熔覆的涂层厚度产生很大影响，但是当粉路非均匀分布时，靠近粉路的一块会在较短时间内完成熔覆过程，粉路的均匀分布可以减少合金化粉末四处分散面积，使需要修复的部分整体同时完成熔覆过程，减少合金化粉末由于分散范围过大产生的成本浪费，提高熔覆过程的效率，具体的送粉量和送粉时间可依据实际情况中滚刀刀圈表面的磨损程度作出适当调整。

熔覆过程需要激光与重力装置的同步操作实现，当滚刀刀圈需要修复的部分一面修复完成好后需要翻转方可进行另一面的熔覆，fanuc机器人机动性、灵活性比较强，利用fanuc机器人附带变位轴，配合变位机自动翻转，大大提供了操作人员劳动强度及安全，同时保证了修复过程的一致性，现有技术中上述翻转过程一般采用数控机床加工方式加工，待滚刀刀圈一面强化完成后，将其翻转至另一面，重新涂刷，重新位置定位，相比之下，本实施方式中的翻转方式减少了安全隐患，由于滚刀刀圈自身重量近60公斤，在翻转过程中可能会产生滑落的情况，利用fanuc机器人减少了这种情况的产生，同时由于不需要人工，保证了操作人员的安全，与此同时，减少了重新涂刷需要的时间，提高了工作效率，除此之外，还可以减少重新定位导致的每次修复效果和耐用度不一致，无需重新定位，实现一次强化成型。

在一个优选的实施方式中，s5中保温冷却具体操作方式是取消后续加热步骤，将修复后的滚刀刀圈放入保温棉中，让滚刀刀圈自然冷却，经过实验得出该实施方式下滚刀刀圈冷却时间约为6h/个，与现有的后续处理时间相比较，通过这种实施方式可以节约大量时间，减少了不必要的保温炉采购成本，同时节约操作场地和搬运时间，给操作人员减少不必要的体力及提高操作人员在工作过程中的安全性。

上述列举的各种实施例，在不矛盾的前提下，可以相互组合实施，本领域技术人员可结合附图和上文对实施例的解释，作为对不同实施例中的技术特征进行组合的依据。

需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。