全断面隧道掘进机滚刀刀圈的闭式模锻锻造方法与流程

本发明属于锻造技术领域，具体涉及一种全断面隧道掘进机滚刀刀圈的闭式模锻锻造方法。

背景技术：

滚刀刀圈是全断面隧道掘进机施工的关键零件，在全断面隧道掘进机掘进过程中滚刀刀圈与岩体直接接触，在纵向推力作用下，通过刀圈对岩石进行挤压、起裂最终完成对岩石的破碎，其工作条件极其恶劣，所以滚刀刀圈在掘进过程中会出现以下失效形式：非正常磨损、卷边、崩刃和断裂。为了防止和减少上述失效缺陷，要求刀圈具有高硬度、高耐磨性、高的冲击韧性等综合力学性能。

影响滚刀刀圈性能的因素很多，主要有：原材料、锻造工艺、锻件毛坯的退火及半成品的热处理工艺等。断面隧道掘进机的滚刀刀圈传统的锻造工艺为自由锻。但是存在以下技术缺陷：锻件精度低、加工量大、表面易产生锻造缺陷；无法精准的控制所需要的金属流向；难以准确控制终端温度；在锻造过程中如拔长时进锤量过大，易出现表面横向裂纹、如进锤量过小易出现内部的横向裂纹；锻造倒棱时压下量过大或翻转拔长次数过多，会造成表面纵向及内部纵向裂纹；总之，影响自由锻锻件质量的因素有多种，且操作过程难以控制精准，从而影响锻件的质量，对成品刀圈的性能有不同程度的影响。

目前，全断面隧道掘进机的滚刀刀圈加工前的毛坯采用的是自由锻或辊锻，锻造原料用的是不同材质的电渣锭锻造加工出的圆棒料。自由锻或辊锻存在以下技术缺陷：

1、自由锻和辊锻的锻件精度低、加工量大、表面质量差、生产效率低、锻耗比大、金属消耗较多；

2、自由锻造时金属坯料除上、下与模板接触部分外，其它个个方向均能不受外部限制而自由变形流动，故无法精准的控制所需要的金属流向；

3、自由锻和辊锻因每次加热后，因为受到终锻温度的限制无法一次锻造成形，需要2--3次的反复加热和锻造，生产效率低且加热及锻造成本高；

4、如终锻温度控制不当，很容易造成锻件表面裂纹和内部的微观裂纹，严重影响锻件的内在质量；

5、自由锻只能用圆棒料进行锻造，材料的利用率低，增加零件的材料成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供全断面隧道掘进机滚刀刀圈的闭式模锻锻造方法，解决现有技术存在的锻造精度低、加工量大、表面质量差、无法准确控制金属流向、锻件内部组织密度偏低、生产效率低和材料利用率低的技术问题。

为实现上述目的，本发明全断面隧道掘进机滚刀刀圈的闭式模锻锻造方法包括以下步骤：

步骤一：选取圆环形管料作为锻件毛坯料；

步骤二：对步骤一中选好的毛坯料的内表面和外表面进行车削，去除表面氧化皮；

步骤三：对步骤二中获得的毛坯料的上边缘和下边缘进行倒角加工，倒角的角度α为：7°至9°。

步骤四：将步骤三中获得的毛坯料装入闭式模具中，使用万吨压力机进行第一次锻打；

步骤五：对步骤四中经过第一次锻打的毛坯件，使用万吨压力机进行第二次锻打，获得锻件；

步骤六：打开闭式模具，取出锻件；

步骤七：将步骤六中的锻件进行等温球化退火，获得滚刀刀圈锻件。

所述步骤二中去掉氧化皮的毛坯料，外径和高度按(5-6):1进行下料。

所述步骤四中进行第一次锻打的温度为1100℃，压力为4000-4500吨。

所述步骤五中对毛坯件进行第二次锻打的温度小于1100℃，大于等于1050℃，压力为8000-8500吨。

所述步骤四中的闭式模具包括上模、下模、三个导向杆；压板、顶板、三个顶杆和弹簧；压板与顶板通过螺钉连接；顶杆与顶板同步运动；三个顶杆圆周均布安装在下模上；一个导向杆对应一个顶杆，导向杆与下模为螺纹链接，弹簧套在顶杆上。

所述上模和下模端部与刃部之间的过渡圆角为R24。

所述上模的刃部斜度为单面8度。

所述下模的刃部斜度为单面8度。

所述上模和下模型腔的外边缘作为定位导向，定位导向的间隙为1mm。

本发明的有益技术效果：1、本发明采用闭式模锻方法，毛坯件采用环形管料，下好料后对内、外表面进行车削，把原料表面氧化皮等缺陷加工掉，用圆环形管料比常规的圆棒料大大提高了材料的利用率，降低了材料成本和加工成本；

2、整个锻造过程只需控制好始锻温度和终锻温度，把始锻温度确定为1100℃、终锻温度控制在大于等于1050℃，把锻造温度范围严格控制在≤50℃；大大缩短锻造温度范围；保证了加热的锻件毛坯在具有较高的塑性和较小的变形抗力温度范围内完成整个锻造过程，获得细小、均匀的晶粒组织，提高锻件机械性能，能够充分控制组织偏析，得到致密的锻造组织，避免自由锻或辊锻时终端温度控制不当，造成表面及内部裂纹等缺陷；

3、闭式模具包括上模和下模，锻件的顶出结构设计在下模，采用上、下模型腔外边缘作为定位导向，导向间隙设计为1mm，有效地防止了金属溢流，且便于开模；端部和刃部的过渡圆角设计为R24，刃部斜度设计为单面8度，保证了金属的流向和型腔的充满度；设计上充分考虑毛坯在锻造过程中的金属流向及成形，使锻后的工件刃部增强致密度及机械性能，利用锻造过程中的金属流向对组织、性能等的影响原理确定出了最佳的模具型腔形状及各部位尺寸；

4、采用闭式模具进行模锻，锻件的几何形状完全与成品相似，对锻件毛坯的设计充分考虑锻件内部组织的致密性、金属流向、材料的利用率等，在重量上确定为毛坯重大于成品重2KG；降低了机械加工余量，不但提高材料利用率还可大大降低加工成本；

5、锻打次数采用两次，即对加热毛坯只需锻打两次便可成形，采用大吨位，两次锻打工艺可以提高锻件的组织致密度，提高成品的性能；同时又可以维护好模具，提高模具的使用寿命；

6、本发明锻造方法采用闭式模锻工艺避免了自由锻或辊锻时锻件精度低、加工量大、表面质量差、生产效率低、锻耗比大金属消耗较多的锻造缺陷；且获得的滚刀刀圈的刃部的组织密度比端部的组织密度高。

附图说明

图1为本发明全断面隧道掘进机滚刀刀圈的闭式模锻锻造方法的流程图；

图2为本发明全断面隧道掘进机滚刀刀圈的闭式模锻锻造方法中的毛坯件锻造金属流向示意图；

图3为本发明全断面隧道掘进机滚刀刀圈的闭式模锻锻造方法中的闭式模具结构示意图；

其中，1、下模，2、上模，3、顶杆，4、弹簧，5、压板，6、顶板，7、导向杆，8、端部与刃部之间的过渡圆角，9、刃部斜度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

参见附图1、附图2和附图3，本发明全断面隧道掘进机滚刀刀圈的闭式模锻锻造方法包括以下步骤：

步骤一：选取圆环形管料作为锻件毛坯料；

步骤二：对步骤一中选好的毛坯料的内表面和外表面进行车削，去除表面氧化皮；

步骤三：对步骤二中获得的毛坯料的上边缘和下边缘进行倒角加工，倒角的角度α为：7°至9°。

步骤四：将步骤三中获得的毛坯料装入闭式模具中，使用万吨压力机进行第一次锻打；

步骤五：对步骤四中经过第一次锻打的毛坯件，使用万吨压力机进行第二次锻打，获得锻件；

步骤六：打开闭式模具，取出锻件；

步骤七：将步骤六中的锻件进行等温球化退火，获得滚刀刀圈锻件。

所述步骤二中去掉氧化皮的毛坯料，外径和高度按(5-6):1进行下料。

所述步骤四中进行第一次锻打的温度为1100℃，压力为4000-4500吨。

所述步骤五中对毛坯件进行第二次锻打的温度小于1100℃，大于等于1050℃，压力为8000-8500吨。

所述步骤四中的闭式模具包括上模2、下模1、三个导向杆7、压板5、顶板6、三个顶杆3和弹簧4；压板5与顶板6通过螺钉连接；三个顶杆3圆周均布安装在下模1上；每个顶杆3对应一个导向杆7；顶杆3与顶板6同步运动，导向杆7与下模1为螺纹链接；弹簧4套在顶杆3上。

所述上模2和下模1端部与刃部之间的过渡圆角8为R24。

所述上模2的刃部斜度为单面8度。

所述下模1的刃部斜度9为单面8度。

所述上模2和下模1型腔的外边缘作为定位导向，导向间隙为1mm。

具体实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于步骤一中所述的毛坯料的外径和高度的比例为：5.8:1。

具体实施例三：

本实施例与实施例一的区别在于步骤一中所述的毛坯料的外径和高度的比例为：5:1。

具体实施例四：

本实施例与实施例一的区别在于步骤一中所述的毛坯料的外径和高度的比例为：6:1。

具体实施例五：

本实施例与实施例一的区别在于步骤三中所述的倒角加工加工出的角度α为8°。

具体实施例六：

本实施例与实施例一的区别在于步骤三中所述的倒角加工加工出的角度α为7°。

具体实施例七：

本实施例与实施例一的区别在于步骤三中所述的倒角加工加工出的角度α为9°。

具体实施例八：

本实施例与实施例一的区别在于步骤四中的第一次锻打压力确定为4200吨

具体实施例九：

本实施例与实施例一的区别在于步骤四中的第一次锻打压力确定为4000吨。

具体实施例十：

本实施例与实施例一的区别在于步骤四中的第一次锻打压力确定为4500吨。

具体实施例十一：

本实施例与实施例一的区别在于步骤五中的第二次锻打压力确定为8300吨。

具体实施例十二：

本实施例与实施例一的区别在于步骤五中的第二次锻打压力确定为8000吨。

具体实施例十三：

本实施例与实施例一的区别在于步骤五中的第二次锻打压力确定为8000吨。