一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺的制作方法

本发明涉及盾构刀具技术领域，更具体地说，涉及一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺。

背景技术：

盾构隧道掘进机(简称盾构机)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，盘形滚刀作为挤压破岩掘进的主要刀具，是盾构机中的关键部件和易损部件。滚刀刀圈在整个掘进过程中始终与岩石相接触，是掘进和破岩的工作刃，不仅承受盾构机施予的极大推力，而且还要经受岩石中各种较硬物质的剧烈磨损，造成刀圈磨损严重，必须对刀圈进行频繁的更换，而且消耗量很大，降低了盾构机的破岩效率，同时增加了施工成本。增强盾构刀圈的耐磨性、提高其使用寿命成为行业内急需突破的难题。

经检索，中国专利申请号：2009100590614，申请日：2009年4月24日，发明创造名称为：土压平衡盾构机刀盘，该申请案公开了一种土压平衡盾构机刀盘，刀盘盘面上包括中心区、正面区、边缘区；每个刀头顶面从两侧面向中部逐渐隆起形成中间高、两侧低的结构；刀头两侧面的上部为一外扩的斜面；顶面中部固连有条状硬质合金，条状硬质合金两侧的顶面固连有对称分布的四排硬质合金柱齿；硬质合金柱齿的顶部分别与条状硬质合金的顶部依次形成高度差；条状硬质合金、硬质合金柱齿周围的顶面与两侧面上固连有耐磨堆焊层。该申请案能提高掘进速度，降低刀具磨损，提高刀具使用寿命，但该申请案结构复杂，生产加工难度大，生产成本较高。

又如中国专利申请号：201620936968x，申请日：2016年8月25日，发明创造名称为：一种盾构机滚刀圈，该申请案公开了一种盾构机滚刀圈，滚刀圈体的外圆周上设置有环形凹槽，环形凹槽的一个侧壁上设置有通孔，另一个侧壁上设置有相对应的盲孔；环形凹槽内镶嵌有硬质合金块，硬质合金块上设置有与通孔相对应的安装孔；通孔内设置有连接螺栓，连接螺栓穿过通孔和安装孔插入盲孔内；该申请案理论上能够实现硬质合金块的快速拆装，减少刀圈的整体更换，但实际使用时刀圈承受的磨损力极大，通过螺栓配合难以实现硬质合金块的有效固定，容易在工程实践中出现硬质合金块松脱现象，不仅容易对硬质合金块造成更大磨损，也影响刀圈的正常掘进使用，难以实际使用。

再如中国专利申请号：2010205107727，申请日：2010年8月26日，发明创造名称为：盾构机滚刀圈，该申请案公开了盾构机滚刀圈，主要包括圈体，圈体外周上钎焊有硬质合金滚轧环，滚轧环由多个弧形条组成，钎焊在圈体的环形内凹槽中；每个弧形条的两个横侧面上分别设置有凸起的纵向筋；该申请案便于钎焊，钎接牢固，但该申请案只能对刀圈最外侧强度进行加强，使用时滚刀圈容易出现磨损不均、破岩效果不一致的现象，影响刀具的稳定使用。

综上所述，现有技术中广泛采用在刀圈外增设硬质合金的方式来增强刀圈耐磨性，提高滚刀圈的使用寿命，但硬质合金的具体设置方式却千差万别，其最终的使用性能也各有优劣，如何在控制成本的基础上，对硬质合金进行合理设置，利用硬质合金的高强度有效提高盾构刀圈的耐磨性成为行业内矢志不渝的追求。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中盾构刀圈使用磨损严重、更换频繁的不足，提供了一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺，通过在盾构刀圈外侧合理设置硬质合金，来有效增强刀圈的耐磨性，提高其使用寿命，降低生产成本，减少生产损耗。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺，按照以下步骤进行：

步骤一、依次在滚刀圈的纵向过渡段、横向过渡段和正面区域上开设光滑连通的固定凹槽；

步骤二、对滚刀圈进行加热处理，然后采用不锈钢合金焊条在固定凹槽的各侧内壁上均匀焊接一层不锈钢合金；

步骤三、步骤二结束后，采用硬质合金焊条在固定凹槽内焊接硬质合金；焊接结束后对滚刀圈进行保温处理。

更进一步地，滚刀圈包括刀圈本体，刀圈本体内开设有安装空腔，刀圈本体外侧中部沿周向环绕设置有向外突出的正面区域，该正面区域的上下两侧对称设置有环向分布的横向过渡段，该横向过渡段通过环向分布的纵向过渡段与刀圈本体相连，在纵向过渡段、横向过渡段和正面区域的环向侧壁上分别均匀间隔开设有固定凹槽，且纵向过渡段、横向过渡段和正面区域上的固定凹槽分别一一对应相连，固定凹槽内设置有硬质合金。

更进一步地，固定凹槽为弧形凹槽，纵向过渡段、横向过渡段和正面区域上的固定凹槽依次光滑过渡相连通，形成螺旋形分布。

更进一步地，固定凹槽内硬质合金的厚度为3-4mm。

更进一步地，硬质合金表面高出纵向过渡段、横向过渡段和正面区域的表面0-1mm。

更进一步地，硬质合金表面分别与纵向过渡段、横向过渡段和正面区域的表面平齐。

更进一步地，安装空腔的首尾两端沿周向均设置有开口向外渐括的倾斜内壁。

更进一步地，正面区域两侧横向过渡段的切线之间的夹角α为22°-26°。

更进一步地，硬质合金与固定凹槽内壁之间设有不锈钢合金层。

更进一步地，不锈钢合金层焊接在固定凹槽内壁上，硬质合金焊接在不锈钢合金层上。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺，在纵向过渡段、横向过渡段和正面区域的环向侧壁上分别均匀间隔开设有弧形的固定凹槽，固定凹槽内设置有硬质合金，硬质合金的均匀间隔设置能有效增强纵向过渡段、横向过渡段和正面区域的整体切削强度，减少刃口磨损，提高滚刀圈的耐磨性和使用寿命，避免滚刀圈的频繁更换，降低生产成本。

(2)本发明的一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺，纵向过渡段、横向过渡段和正面区域上的固定凹槽分别一一对应相连，依次光滑过渡相连通，形成螺旋形分布，硬质合金的弧形延伸方向与滚刀圈的旋转方向相对，使得挖掘施工时，硬质合金的弧形外凸一侧首先与施工面接触，然后顺着硬质合金的弧线形方向逐渐进给，硬质合金的弧形光滑过渡具有一定导向效果，有助于减少硬质合金自身磨损，增强滚刀圈的整体耐磨性。

(3)本发明的一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺，硬质合金的弧形分布使得其磨损受力点先后分散，避免出现硬质合金的整面磨损，增强其整体使用寿命，进一步保障滚刀圈的高耐磨性。

(4)本发明的一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺的加工工艺，采用焊接方式将硬质合金嵌入固定凹槽内，并先在固定凹槽内焊接不锈钢合金作为过渡层，利用硬质合金与不锈钢合金的良好接触性保障硬质合金的牢固性，防止硬质合金与固定凹槽之间产生裂缝细纹等，有效提高了硬质合金的位置稳定性，保障滚刀圈的稳定使用。

(5)本发明的一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺，正面区域两侧横向过渡段的切线之间的夹角α为22°～26°，既能保障正面区域的刃口锋利程度，提高工作性能，又保持正面区域的切削厚度，避免正面区域的快速磨损，提高刀圈使用寿命。

附图说明

图1为本发明的一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺的主视结构示意图；

图2为本发明的一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺的俯视结构示意图；

图3为本发明的一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺的左视结构示意图。

示意图中的标号说明：1、刀圈本体；2、安装空腔；3、倾斜内壁；4、纵向过渡段；5、横向过渡段；6、正面区域；7、固定凹槽。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

在本发明的描述中，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，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，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

如图1-图3所示，本实施例中的滚刀圈包括刀圈本体1，刀圈本体1内开设有安装空腔2，实际使用时滚刀圈通过安装空腔2安装在中心动力轴上，用于驱动滚刀圈的旋转和进给，安装空腔2的首尾两端沿周向均设置有开口向外渐括的倾斜内壁3，如图1所示，倾斜内壁3的设置便于滚刀圈与中心动力轴的安装与定位配合，进一步地，安装空腔2的内壁为倾斜内壁，与竖直方向夹角为1°-2°(图1中未标识)，形成安装空腔2与中心动力轴的斜度配合，提高配合紧密性并利于两者间的顺利拆卸。

本实施例中刀圈本体1外侧中部沿周向环绕设置有向外突出的正面区域6，该正面区域6的上下两侧对称设置有环向分布的横向过渡段5，如图1所示，该横向过渡段5通过环向分布的纵向过渡段4与刀圈本体1相连，刀圈本体1、纵向过渡段4、横向过渡段5和正面区域6之间均为弧形光滑过渡，且正面区域6两侧横向过渡段5的切线之间的夹角α为22°-26°，具体在本实施例中α为22°；滚刀圈实际使用时正面区域6即为与挖掘面正面接触的刃口部分，纵向过渡段4和横向过渡段5则为侧向刃口部分，本实施例中两侧横向过渡段5和纵向过渡段4的倾斜过渡设置，既能保障正面区域6的刃口锋利程度，提高工作性能，又保持正面区域6的切削厚度，避免正面区域6的快速磨损，提高刀圈使用寿命，同时横向过渡段5和纵向过渡段4的配合还能对切削物进行导向分散，加快其碎料滑落，防止堵塞。

本实施例中在纵向过渡段4、横向过渡段5和正面区域6的环向侧壁上分别均匀间隔开设有弧形的固定凹槽7，如图2所示，且纵向过渡段4、横向过渡段5和正面区域6上的固定凹槽7分别一一对应相连，依次光滑过渡相连通，形成螺旋形分布，如图3所示，固定凹槽7内设置有厚度为3mm的硬质合金，硬质合金表面分别与纵向过渡段4、横向过渡段5和正面区域6的表面平齐，硬质合金的均匀间隔设置能有效增强纵向过渡段4、横向过渡段5和正面区域6的整体切削强度，减少刃口磨损，提高滚刀圈的耐磨性和使用寿命，避免滚刀圈的频繁更换，降低生产成本。

需要说明的是，硬质合金对应也由弧形合金块组成螺旋形分布，且弧形的硬质合金在正面区域6上其顶部处的切线与竖直平面之间夹角β不小于10°，优选为10°-20°，如图3所示，且硬质合金的弧形延伸方向与滚刀圈的工作旋转方向相对，具体如图2中所示，滚刀圈沿顺时针方向进行旋转切削(大箭头所示)，多个固定凹槽7的弧形旋向则对应设置为逆时针方向(小箭头所示)，在刀圈旋转时，硬质合金的弧形设计能有效增大与挖掘施工面的接触面积，提高滚刀圈的耐磨性，且硬质合金的方向及角度设计使得挖掘施工时，硬质合金的弧形外凸一侧首先与施工面接触，然后顺着硬质合金的弧线形方向逐渐进给，硬质合金的弧形光滑过渡具有一定导向效果，有助于减少硬质合金自身磨损，增强滚刀圈的整体耐磨性；其次，实际施工时，硬质合金的弧形分布使得其磨损受力点先后分散，避免出现硬质合金的整面磨损，增强其整体使用寿命，进一步保障滚刀圈的高耐磨性。

本实施例中的滚刀圈，利用硬质合金可以有效增强其耐磨性，提高其使用性能，但如何添加硬质合金、保障其与滚动圈之间的紧密配合却是行业内难题，因硬质合金材质较脆，机械加工极易导致硬质合金的破损破裂，且硬质合金与滚刀圈之间的接触性较差，难以保障硬质合金的牢固设置，因此目前行业内虽然也出现在滚刀圈上设置硬质合金的方式，但是普遍存在硬质合金与滚刀圈配合质量不高、容易出现裂缝等问题，成为制约滚刀圈长期高效使用的难题。本实施例的滚刀圈在硬质合金与固定凹槽7内壁之间设有不锈钢合金层，且不锈钢合金层均匀焊接在固定凹槽7内壁上，不锈钢合金层厚度为0.5-1mm，硬质合金则焊接在不锈钢合金层上。

本实施例的一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺，按照以下步骤进行：

步骤一、依次在滚刀圈的纵向过渡段4、横向过渡段5和正面区域6上开设光滑连通的弧形的固定凹槽7；其中该固定凹槽7依次光滑过渡相连通，形成螺旋形分布，且固定凹槽7的的弧形延伸方向与滚刀圈的工作旋转方向相对；

步骤二、对滚刀圈进行加热处理，具体加热方式和工艺参数等技术人员可根据生产经验和厂内设备进行常规设置，在此不予以详述；然后采用不锈钢合金焊条在固定凹槽7的各侧内壁上均匀焊接一层不锈钢合金；不锈钢合金合金层的厚度为0.5-1mm；

步骤三、步骤二结束后，采用硬质合金焊条在固定凹槽7内继续焊接硬质合金，硬质合金层厚度为3-4mm；纵向过渡段4、横向过渡段5和正面区域6上的硬质合金依次光滑过渡相连，形成螺旋形分布，焊接结束后对滚刀圈进行保温处理，避免滚刀圈急冷产生裂纹，具体保温方式和工艺参数等技术人员可根据生产经验和厂内设备进行常规设置，在此不予以详述。

本实施例采用焊接方式将硬质合金嵌入固定凹槽7内，并先在固定凹槽7内面焊不锈钢合金层作为打底过渡层，利用硬质合金与不锈钢合金的良好面接触性来保障硬质合金的牢固性，防止硬质合金与固定凹槽7之间产生裂缝细纹等，有效提高了硬质合金的位置稳定性和固定性，保障滚刀圈的稳定使用，经验证，加设了不锈钢合金层的滚刀圈，其硬质合金即使经长期使用也很少出现裂纹、松动等现象，滚刀圈的耐磨性和使用寿命都有明显提高。

实施例2

本实施例的一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺，基本同实施例1，所不同的是，本实施例中硬质合金的厚度为4mm，且硬质合金表面分别高出纵向过渡段4、横向过渡段5和正面区域6的表面1mm；本实施例中正面区域6两侧横向过渡段5的切线之间的夹角α为24°，弧形的硬质合金在正面区域6上其顶部处的切线与竖直平面之间夹角β为15°。

实施例3

本实施例的一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺，基本同实施例1，所不同的是，本实施例中硬质合金的厚度为3.5mm，且硬质合金表面分别高出纵向过渡段4、横向过渡段5和正面区域6的表面0.5mm；本实施例中正面区域6两侧横向过渡段5的切线之间的夹角α为26°，弧形的硬质合金在正面区域6上其顶部处的切线与竖直平面之间夹角β为20°。

实施例4

本实施例的一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺，基本同实施例1，所不同的是，本实施例中硬质合金的厚度为4mm，且硬质合金表面分别与纵向过渡段4、横向过渡段5和正面区域6的表面平齐；本实施例中正面区域6两侧横向过渡段5的切线之间的夹角α为25°，弧形的硬质合金在正面区域6上其顶部处的切线与竖直平面之间夹角β为18°。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。