一种侧排土打孔针及其加工方法与流程

本发明属于打孔机械领域，更具体地说，涉及一种侧排土打孔针及其加工方法。

背景技术：

随着社会的发展和人们生活水平的提高，环境问题也开始越来越引起人们的重视。目前，很多农场、高尔夫球场等都建设有大面积的草坪，草坪建成后，除对草坪进行合理的施肥、灌水、修剪等养护管理外，还需要适时打孔。打孔的主要目的是为了增加土壤的透气性、透水性，帮助植物更好的吸收养分，并切断根茎和匍匐茎从而刺激新的根茎生长。

从草坪中的草生长发育本身的需要和草坪的坪用特性来说，打孔措施是非常重要的。打孔是通过选择合适的打孔机械在适宜的时期，从草坪上打出土卷，改良草坪的物理性状和其他特性，以加快草坪芜枝层的分解，促进草坪地上和地下部分生长发育的一种养护措施。由于草坪的表面形成致密的冠层，同时表面的枯草层会阻碍水分进入土壤。随着土壤板结的加剧，水分更是难以进入，严重时会形成“干斑”，这种“干斑”使得无论怎么浇水都使水无法渗透到土壤中去。打孔针直接穿透草皮和枯草层，形成一个水分进入土壤的通道，同时也为氧气的进入创造条件。另外，草坪根系周期性地进行着生长、死亡的代谢过程。这些死亡的根系留在土地的空隙中，等待微生物将其分解成为矿物质，矿物质再被植物重新吸收利用。但是，对死亡根系的分解需要一定的时间，没有来得及分解的就成为了土地中的有机质。这些有机质就像海绵一样，能够吸收数倍于自身的水分。过多的有机质，会给草坪生长带来负面影响，容易发生“啃草”现象，通过打孔可以改善土壤的透气性，加快有机质的分解。

根据草坪的实际使用情况，可以选择不同的打孔针对草坪进行打孔操作，侧排土打孔针可以用于在草坪上钻出空心孔，将草坪中富含有机质的土芯取出，再铺入有机质含量较低的土壤，从而达到降低草坪有机质含量的效果。

如中国专利申请号为：cn201520728927.7，公开日为：2015年9月18日的专利文献，公开了一种打孔针，属于草坪打孔机械领域。其包括针体，所述的针体为柱状结构，包括依次连接的入土部、出土部和安装部，所述的入土部为管状结构，入土部顶端为圆形进土口，所述的出土部一侧设置有出土口，出土部内部设置有出土轨道，出土轨道一端与入土部内部的管道内壁连接，另一端与出土口连接，所述的出土轨道为圆滑形轨道，安装部为实心结构，所述出土部靠近入土部连接部分出土口为出土弧面，所述的出土弧面由入土部外壁延伸至出土口底部。它具有打孔结束后草不被带出、打孔深、连接部强度好的优点。但是，打孔针加工时首先需要对其端部进行钻孔，再在打孔针的侧面铣槽，该方案中的打孔针钻孔深度较大，这种加工方式虽然会使得其加工更加简便，但是钻孔深度较深会导致其出土部尾端圆弧面的弧长较短，形成的坡度较大，铣削该尾端圆弧面时沿针体轴向的单位长度内的铣削深度更大，不好控制，容易在圆弧面和孔的连接处因为二者之间的壁厚不一而形成台阶状壁面，导致打孔针打孔时土壤在尾端堆积甚至堵塞，影响打孔效率。

又如中国专利申请号为：cn201520728917.3，公开日为：2016年2月10日的专利文献，公开了一种组装式打孔针，属于草坪打孔机械领域。其包括针体和连接部分，所述的针体为管状结构，包括依次连接的入土部、出土部和安装部，所述的入土部为管状结构，入土部顶端为圆形进土口，所述的出土部一侧设置有出土口，出土部内部设置有出土轨道，出土轨道一端与入土部内部的管道内壁连接，另一端与出土口连接，所述的出土轨道为圆滑形轨道，所述的安装部为管状结构，安装部两侧壁上分别对称设置有通孔，所述的连接部分包括连接头和连接轴，针体和连接部分通过插销穿过安装孔连接。它具有打孔结束后草不被带出、打孔深、连接部强度好、替换方便、加工方便和精度高的优点。但是，该打孔针为整体型的空心圆管式结构，因此其整体强度不高，长时间工作下容易发生变形，影响打孔效率。另外，尽管该方案的打孔针为侧面开槽的侧排土结构，但是其高速运转打孔时仍会有部分土壤进入打孔针的尾端，即打孔针与打孔机的连接处，堵塞打孔针与打孔机连接处的缝隙，影响打孔效率甚至导致打孔机发生损坏。

上述两种打孔针均为侧排土打孔针结构，现有技术中对于该类型打孔针的加工方法均为对圆棒先钻孔，后铣槽，最后再通过打磨将打孔针表面的毛刺去除，形成平整的壁面。但是，只通过该方法加工的打孔针的力学性能并不够理想，实际使用中容易发生变形、开裂或打孔效率低等问题，影响打孔效率。

技术实现要素：

1、要解决的问题

针对现有侧排土打孔针的打孔效率不高的问题，本发明提供一种侧排土打孔针，通过合理的结构设计，能够高效率地对草坪进行打孔操作，打孔针的使用寿命较长。

本发明还提供一种侧排土打孔针的加工方法，根据本方案打孔针的特定结构对打孔针进行一系列加工成型，再结合其后期的热处理工艺进一步加强该打孔针的组织性能和力学性能，能够得到形状精确、强度高和耐磨性好的打孔针，增加了其使用寿命。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种侧排土打孔针，包括圆柱状针体，针体从其尾端至前端依次为安装部、出土部和入土部，入土部内设置有进土通道，所述出土部的侧面上设置有出土口，出土部内设置有出土轨道；所述出土轨道为圆弧面，其一端连接出土口，另一端连接进土通道。

作为技术方案的进一步改进，所述的进土通道前端为打孔端；所述打孔端的开口从其尾端至前端逐渐缩小。

作为技术方案的进一步改进，所述出土口通过圆弧边与入土部连接。

作为技术方案的进一步改进，所述安装部的直径小于出土部的直径，安装部表面设有螺纹。

一种加工上述侧排土打孔针的方法，包括以下步骤：

①用车床对待加工棒料的两个端面进行加工，使棒料达到设定好的长度并使其两个端面平齐，再对棒料的尾端车削形成安装部；

②用钻床对棒料的前端面钻孔形成进土通道；

③用铣床对棒料侧面加工形成与进土通道连接的加工平面，再从加工平面与安装部之间的棒料侧面开始，沿进土方向的反向对棒料进行铣削形成圆弧面的出土轨道；

④用缩管机对进土通道的前端进行加工，形成具有锥度的打孔端；

⑤对步骤④加工后的棒料进行热处理；

⑥对热处理后的棒料进行喷砂处理，然后对其表面进行涂油，完成整个打孔针的加工。

作为加工方法的进一步改进，所述棒料采用40cr钢作为原料。

作为加工方法的进一步改进，步骤②中，在钻孔之前还包括以下步骤：在棒料的前端面钻出用于定位的端面中心孔。

作为加工方法的进一步改进，还包括对步骤③加工后的棒料进行去毛刺的步骤。

作为加工方法的进一步改进，步骤⑤中的热处理过程具体如下：

1)炉内加热

设定热处理炉的炉内温度为840℃-860℃之间的一个恒定温度，将步骤④加工后的棒料放入热处理炉中，保温40-50分钟后取出；

2)淬火处理

将棒料置于淬火介质中进行淬火，一段时间后取出并空冷至室温；

3)回火处理

设定热处理炉的炉内温度为220℃-235℃之间的一个恒定温度，将棒料置于炉中保温2-3小时后取出，空冷至室温；

作为加工方法的进一步改进，淬火处理的具体过程为：将棒料置于油温在60℃-80℃之间的淬火油中进行油淬，油淬时间为1-1.5分钟，取出空冷至室温。

作为加工方法的进一步改进，淬火处理的具体过程为：将棒料置于温度位于330℃-360℃之间的盐浴中，淬火时间为25-30分钟，取出后空冷至室温。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明一种侧排土打孔针，通过进土通道和出土口之间的圆弧面出土轨道，使得打孔时取出的土壤可以更加顺畅和方便地沿圆弧面从出土口排出，防止土壤因为出土轨道尾端为直角出土口而导致土壤堆积堵塞在出土轨道内，另外，因为出土轨道的弧面是从出土口靠近安装部的一端一直延伸到进土通道，所以其坡度较缓，使得铣削出土轨道时能够更好地控制出土轨道前端的壁厚与进土通道的壁厚保持一致，防止因为二者连接处的壁厚不一而产生台阶，从而需要二次铣削，费时费力；

(2)本发明一种侧排土打孔针，针体前端采用带有一定斜度的打孔端，使得打孔针工作时能够更加容易地插入地下，提高打孔效率；

(3)本发明一种侧排土打孔针，出土口与入土部的外壁之间通过圆弧边连接，使得打孔针从地下拔出时可以沿着圆弧边的角度更顺畅地拔出，且不容易夹带草，提高了打孔效率；

(4)本发明一种侧排土打孔针，安装部表面的螺纹使得打孔针能够更加方便地通过安装部安装在打孔机上，连接更加紧固；

(5)本发明一种侧排土打孔针的加工方法，针对打孔针的特定结构对棒料进行车削、钻孔和铣削操作，得到的打孔针形状精确，再结合后期的热处理工艺，使得打孔针的力学性能和组织性能得到了极大的提高，打孔针在使用时的强度和耐磨性均得到了加强，使得其打孔时不易发生变形和开裂等情况，使用寿命大大增加；

(6)本发明一种侧排土打孔针的加工方法，通过在棒料的端面先钻出用于定位的中心圆孔，使得钻床对棒料钻孔时位置更加精准，防止钻孔位置偏移而导致进土通道的壁厚不一致，从而令打孔针在工作时容易发生变形和开裂现象；

(7)本发明一种侧排土打孔针的加工方法，经过热处理后的工件表面会形成部分氧化层或者其他较为难清理的粘结物，通过喷砂操作能够方便快捷地清理掉工件表面的氧化层或粘结物，使工件表面变得清洁，再配合后续的涂油操作，能够使工件表面变得光滑的同时形成一层保护层，保护层可以隔绝工件表面和空气接触，避免工件在后续使用中发生氧化现象；

(8)本发明一种侧排土打孔针的加工方法，通过回火处理能够有效地减少或消除淬火时的内应力，且本发明的回火温度处于220℃-235℃之间，属于低温回火，能够将淬火时形成的淬火马氏体转变为回火马氏体，在保持钢的高强度、高硬度和良好耐磨性的同时提高打孔针的韧性，提高打孔针的打孔效率和使用寿命；

(9)本发明一种侧排土打孔针的加工方法，淬火处理采用60℃-80℃之间的淬火油进行油淬，这种淬火方法操作简便，适用于打孔针这种小尺寸的工件，淬火效率较高，而油温处于60℃-80℃之间的淬火油的流动性较好，油的粘度较低，能够有效地提高淬火油对于打孔针工件在400℃-650℃时的冷却速度，从而提高打孔针的力学性能；

(10)本发明一种侧排土打孔针的加工方法，淬火处理采用330℃-360℃的盐浴对工件进行淬火，工件在盐浴中保温足够长时间并在工件内外温度达到一致后取出，其前期高温下转化的奥氏体组织在盐浴中转变为下贝氏体组织，下贝氏体组织的强度和硬度较高且韧性良好，能够有效地提高钢的综合力学性能，从而提高打孔针的质量，减小打孔针的变形和开裂倾向。

附图说明

图1为本发明一种侧排土打孔针的俯视图；

图2为本发明一种侧排土打孔针的主视图；

图中：1、安装部；2、出土部；21、出土轨道；22、弧形板；23、加工平面；3、入土部；31、进土通道；32、打孔端。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1和图2所示，一种侧排土打孔针，主要用于对草坪进行打孔操作。打孔针在高速旋转下钻入草坪内并将其中富含有机质的土芯取出，再铺入有机质含量较低的土壤，从而改善草坪的物理性状和其他特性，以加快草坪芜枝层的分解，促进草坪地上和地下部分的生长发育。其包括针体，针体为圆柱状，从针体的尾端至前端依次为安装部1、出土部2和入土部3。其中，安装部1为打孔针与打孔机的连接处；出土部2用于将打孔时取出的土壤排出，入土部3为打孔针打孔时插入土壤的部位。下面分别对安装部1、出土部2和入土部3的结构做详细描述。

入土部3位于针体的前端，其内沿针体的轴向具有进土通道31，进土通道31的长度为整个棒料长度的1/5-1/4，本实施例的入土部3的长度为棒料长度的1/5。进土通道31一端连接出土部2，另一端从针体相对于安装部1的另一端面连通外部。进土通道31连通外部的前端为打孔端32，打孔端32的长度为进土通道的1/4-1/3，本实施例的打孔端32的长度为进土通道的1/4。打孔端32的开口从其尾端至前端逐渐缩小，形成具有一定角度的锥面，使得打孔针工作时能够更加容易地通过打孔端32插入地下，提高打孔效率。

出土部2的侧面上开设有出土口，出土部2内具有圆弧面状的出土轨道21，出土轨道21的一端与出土口连接，另一端与进土通道31连接，打孔机工作时，打孔端32取出的土壤由进土通道31进入出土轨道21，并沿出土轨道21的弧面从出土口排出，出土轨道21的弧面设计使得土壤可以更加方便地从出土口排出，提高打孔针的工作效率。本实施例中，出土轨道21沿针体的轴向长度为进土通道31的长度的2倍，且出土轨道21的弧面是从出土口靠近安装部的一端一直延伸到进口通道处，使得铣刀加工出土轨道21时的坡度比较缓和，从而可以更好地控制出土轨道21前端的壁厚与进土通道31的壁厚保持一致，防止因为二者连接处的壁厚不一而产生台阶，从而需要二次铣削，费时费力。另外，出土口与入土部3的外壁之间通过圆弧边22连接，使得打孔针从地下拔出时可以沿着圆弧边22更顺畅地拔出，且不容易夹带出草，提高了打孔效率。

安装部1通过车床车削形成，形状为与打孔机上的安装孔相匹配的圆柱状，其直径小于出土部2的直径。安装部1表面具有与打孔机安装孔内的螺纹相配合的螺纹，打孔针通过安装部1固定安装在打孔机上，在打孔机的作用下旋转工作。

综上所述，本实施例的一种侧排土打孔针，通过合理的结构设计，能够高效率地对草坪进行打孔操作，取出的土壤能够及时地从出土口排出针体外，防止发生土壤在针体内堵塞和板结而影响打孔效率的情况。

实施例2

本实施例提供了一种加工实施例1中的侧排土打孔针的方法，采用车削、钻孔、铣削等多种加工方式对棒料进行加工成型，再使用热处理的方式进一步提高成型工件的综合性能，最后对工件进行喷砂涂油处理从而保证成型工件的表面质量。棒料的长度和直径可根据实际情况确定，本实施例中的棒料长度取155mm，直径取15mm，原料采用40cr钢。具体加工方法如下：

①将待加工棒料置于车床的工作位并固定夹紧，对棒料的两个端面进行车削操作，使得棒料的端面平整且两个端面互相平齐，待棒料长度减少至150mm后停止车削，调整棒料的角度和位置，调整完毕后车床工作对棒料的尾端进行车削并形成如图1和图2所示的安装部1，安装部1为实心圆柱状，位于棒料尾端面的中心处，其长度为30mm，直径为6mm，表面具有与打孔机安装孔的螺纹相配合的螺纹。该步骤中通过对棒料的两个端面进行车削，一方面可以控制棒料的长度达到预定的长度，另一方面相互平齐的两个端面也使得棒料的后续加工更加精准，最终制得的成品打孔针形状精确。

②先在棒料的前端面上钻出一个端面中心孔，再将棒材的前端面置于钻床的加工位固定并夹紧，使钻头垂直于棒料的前端面并对准端面中心孔，启动钻头对棒材前端面进行钻孔操作并形成进土通道31。本实施例的进土通道31直径为13mm，长度为30mm，进土通道31的侧壁壁厚为1.5mm。该步骤中，端面中心孔在钻孔操作中起到了定位钻孔位置的作用，使得钻头可以精准地从端面中心孔处进行钻孔，防止钻孔位置偏移而导致进土通道31侧壁的壁厚不一致，从而令打孔针在工作时薄壁一侧发生变形和开裂现象。

③将棒料置于铣床的工作位置，从进土通道31尾端的棒料侧壁开始，沿进土方向对棒料铣削并形成如图2所示的加工平面23，加工平面23的深度为7.5mm，长度为30mm，宽度为15mm。以距离安装部1尾端60mm的棒料侧面位置为起点，沿加工平面23短边的中线所在的直线对棒料进行铣削，一直铣削至进土通道31的尾端后，形成如图2所示的出土轨道21和圆弧边22，并控制出土轨道21与进土通道31连接处的壁厚为1.5mm，防止因为二者连接处的壁厚不一致而产生台阶，从而需要进行二次铣削消除台阶，费时费力。铣削完成后，通过研磨刷对棒料的钻孔面和铣削面进行研磨，去除钻孔和铣削操作中产生的毛刺和飞边，使棒料的壁面变得清洁平整。

④用缩管机对进土通道31的前端进行缩口操作，形成如图2所示的打孔端32，打孔端32在棒料轴向上的长度为10mm。打孔端32的尾端开口直径与进土通道31的直径相同，由其尾端至前端开口逐渐减小，前端开口直径为7mm。这种渐缩式的打孔端32使得打孔针工作时可以更轻易地插入地面，提高打孔机的打孔效率。经该步骤加工后，得到成型的打孔针工件。

⑤对步骤④中的打孔针工件进行热处理，从而提高打孔针工件的综合性能，尤其是对于打孔针前端的打孔端32的强度和韧性做出较大加强，因为打孔针的针体前端在工作过程中会受到极大的摩擦力和作用力，其韧性不够则容易发生开裂或断裂的情况，其强度不够则容易发生变形。热处理的具体步骤如下：

1)炉内加热

设定热处理炉的炉内温度为840℃-860℃之间的一个恒定温度，本实施例的加热温度为850℃。将待加工工件放入热处理炉中，保温50分钟后取出。40cr钢的ac1(钢加热时，开始形成奥氏体的温度)为743℃，因此将原料为40cr钢的工件置于850℃加热50分钟后，工件的奥氏体化过程基本完成。

2)淬火处理

将加热后的工件置于油温在60℃-80℃之间的淬火油中进行油淬，本实施例采取油温为70℃的淬火油，油淬时间为1分钟，取出后空冷至室温，此时工件内的奥氏体组织转变为马氏体组织。该淬火方法拥有操作简便、节省工序的优点，且采取油温为70℃的淬火油加强了淬火效果，淬火后工件的综合性能更好，具体原因吐下：

钢在淬火时的冷却可以根据不同的温度范围分为多个阶段。要想淬火得到好的综合性能的钢，当温度处于650℃以上时应该进行缓慢冷却，以尽量降低淬火应力；当温度处于400℃-650℃时应该快速冷却，以通过过冷奥氏体最不稳定的区域，壁面发生珠光体或贝氏体转变；但温度处于400℃以下时，应当再次缓慢冷却以尽量减小马氏体转变时产生的组织应力。本实施例中，淬火油的冷却特性较好，但是其冷却能力较低，因此淬火油对温度处于400℃-650℃时的工件的冷却效果并不是很好，而油温为60℃-80℃的淬火油的流动性较好，油的粘度较低，能够有效地提高淬火油对于工件在400℃-650℃时的冷却速度，从而提高打孔针的综合性能。

3)回火处理

设定热处理炉的炉内温度为220℃-235℃之间的一个恒定温度，本实施例采取230℃，将棒料置于炉中保温2-3小时后取出，空冷至室温。通过回火处理能够有效地减少或消除淬火时的内应力，且该步骤中的回火温度属于低温回火，能够将淬火时形成的淬火马氏体转变为回火马氏体，在保持钢的高强度、高硬度和良好耐磨性的同时提高工件的韧性，提高打孔针的打孔效率和使用寿命。

⑥对热处理后的棒料进行喷砂处理，然后对其表面进行涂油，完成整个打孔针的加工。经过热处理后的工件表面会形成部分氧化层或者其他较为难清理的粘结物，通过喷砂操作能够方便快捷地清理掉工件表面的氧化层或粘结物，使工件表面变得清洁，再配合后续的涂油操作，能够使工件表面变得光滑的同时形成一层保护层，保护层可以隔绝工件表面和空气接触，避免工件在后续使用中发生氧化现象。

综上所述，本实施例的一种侧排土打孔针的加工方法，针对打孔针的特定结构对棒料进行车削、钻孔和铣削操作，得到的打孔针形状精确，再结合后期的热处理工艺，使得打孔针的力学性能和组织性能得到了极大的提高，打孔针在使用时的强度和耐磨性均得到了加强，使得其打孔时不易发生变形和开裂等情况，使用寿命大大增加。

实施例3

实施例2的侧排土打孔针的加工方法，能够加工出形状精确、综合性能好的打孔针，但是，其淬火处理采用单液淬火法，工件的初始温度与淬火油的温度相差较大，因此其淬火时会产生较大的淬火应力，实际操作过程中可能会产生工件变形或开裂的情况。本实施例在实施例2的基础上，提供另一种淬火方法，该淬火方法为等温淬火法，具体过程如下：

将加热后的工件置于温度位于330℃-360℃之间的盐浴中，本实施例取盐浴的温度为350℃，成分为50％硝酸钾+50％亚硝酸钠，淬火时间为28分钟，待工件内外温度保持一致后，取出后空冷至室温。

相比较实施例2的淬火方法，本实施例的淬火方法的加工时间较长，但是工件的初始温度与淬火介质之间的温差较小，有效地减小了工件淬火时的淬火应力，工件不易发生变形或开裂。另外，该淬火方法使得工件内的奥氏体组织能在盐浴中转变为下贝氏体组织，而由于下贝氏体组织的强度和硬度较高且韧性良好，能够有效地提高钢的综合力学性能，从而提高工件质量，减小工件的变形和开裂倾向。需要注意的是，虽然理论上通过本实施例的等温淬火后，工件内的组织已经转变为较为稳定的下贝氏体组织，不需要后续回火加工。但是，在实际操作中，工件在淬火过程中仍会有部分奥氏体组织没有发生转变，这部分奥氏体组织会在后续的空冷过程中转变为淬火马氏体组织，因此经该淬火方法加工后的工件仍需进行回火处理，从而将不稳定的淬火马氏体组织转变为稳定的组织，本实施例中采取230℃的低温回火将淬火马氏体组织转变为回火马氏体组织。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。