一种增加强度的盾构机刀圈加工工艺的制作方法

本发明涉及盾构机刀具技术领域，更具体地说，它涉及一种增加强度的盾构机刀圈加工工艺。

背景技术：

盾构切削刀具主要用于地铁、隧道的盾构机掘进，其结构是在刀体的前面焊接一排或两排以上圆柱状合金。当盾构刀具随刀盘沿圆周方向转动时，开始切削，遇砂卵石时容易出现刀体磨损过快和合金崩裂现象，但当逆时针转动时，背部受到物体的严重磨损，就会造成刀体背角面严重磨损后冲击掉主合金造成刀具报废。因此，有必要对盾构刀具的耐磨性能进行改良，通过对盾构刀具的结构性能进行改进，提高盾构刀具的耐磨性能，降低盾构刀具在采挖过程中的磨损程度，相应地延长盾构刀具的使用寿命，降低维护或更换成本。

目前，公告号为cn108044317a的中国发明专利申请公开了一种高耐磨性盾构机滚刀圈的加工工艺，主要包括以下步骤：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。

上述中的现有技术方案存在以下缺陷：刀具加工过程中，刀具受到的不只有摩擦力，还有较大的加压力，容易产生形变。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种增加强度的盾构机刀圈加工工艺，对钢锭进行电渣重熔，从而使刀具结构强度更高。

本发明为了实现上述目的，提供了如下技术方案：一种增加强度的盾构机刀圈加工工艺，包括以下步骤：步骤s1：电渣重熔，利用电渣炉将钢锭重熔成电渣锭；步骤s2：开坯，利用电液锤将电渣锭进行锻造，使成形为圆柱状的元棒料；步骤s3：切割，按照重量对元棒料进行切割，切割成棒料坯；步骤s4：自由锻，加热棒料坯，然后对棒料坯进行到镦粗，使其成为圆盘状的粗胚；步骤s5：模锻，将粗胚放置于锻模上，然后再利用压力机将粗胚锻压成形为粗成形坯，所述粗成形坯中心位置锻压成形有中心孔，其外圈的厚度小于其靠近中心位置的厚度；步骤s6：碾环，将粗成形坯安装于碾环机上，利用碾环机对碾环使其中心孔的孔径扩大和外径扩大，将粗成形坯碾环呈成型坯；步骤s7：粗检，检测成型坯的外径和内径是否符合要求；步骤s8：球化退火，将粗检合格的成型坯放置于电炉中，对成型坯进行球化退火；步骤s9：再检，将球化退火完成后的成型坯冷却至常温后，检测成型坯的外径、内径、内圈厚度、外圈厚度和质量进行检测；步骤s10：粗车，车床对成型坯进行粗车成型为刀圈；步骤s11：淬火，将刀圈放置于淬火炉中进行淬火；步骤s12：精简，将刀圈冷却后检测刀圈的外径、内径、内圈厚度、外圈厚度。

通过采用上述技术方案，对钢锭进行电渣重熔，提纯金属并获得洁净组织均匀致密的电渣锭。经电渣重熔的钢，纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、洁净均匀致密、金相组织和化学成分均匀，所以刀具结构强度更高；将电渣锭锻造呈圆柱状的元棒料，便于计算元棒料的体积，进而方方便安装体积进行切割所需质量的棒料坯；利用自由锻消除棒料坯内缩孔、缩松、气孔等缺陷，使棒料坯具有更高的力学性能，并且镦粗后的粗胚呈扁平状，方便后续的模锻；然后将粗成形坯碾环呈成型坯，对成型坯球化退火，从而降低硬度，改善切削加工性能，并为淬火做组织准备，然后淬火增加刀圈的硬度，增加刀圈的材料强度，使其可以承受更强的应力，降低刀圈出现形变的可能性。

本发明进一步设置为：于步骤s3中，切割前先对元棒料进行退火处理。

通过采用上述技术方案，利用退火释放开坯锻造产生的内应力，并且降低元棒料的硬度，从而方便后后续对元棒料的切割。

本发明进一步设置为：于步骤s3中，切割前安装所需的棒料坯的重量为于步骤s12中合格后刀圈重量的1.05倍~1.15倍。

通过采用上述技术方案，因为后续冲孔和粗车过程中，会损耗坯料的材料，所以在切割呈棒料坯前需要留有加工余量。

本发明进一步设置为：于步骤s4中，利用天然气加热炉对棒料坯进行加热，天然气加热炉的温度为1180℃~1220℃。

通过采用上述技术方案，在该温度下更加便于锻压，提高了锻压的效率。

本发明进一步设置为：于步骤s6中，将粗成形坯安装于碾环机前，先将粗成形坯放置于天然气加热炉中进行加热，然后将加热后的粗成形坯安装于碾环机进行碾环。

通过采用上述技术方案，经过步骤s4和步骤s5后，粗成形坯温度有所减低，利用天然气加热炉重新为，粗成形坯加热并与后续碾环，并且消除部分模锻和自由锻时产生的应力。

本发明进一步设置为：于步骤s5中，利用锻模锤对粗胚模锻，所述锻模包括上模和下模，所述上模的下表面和下模的上表面开设有圆形的锻模凹槽，所述锻模凹槽中心同轴固定连接有中心型芯，两个所述锻模凹槽内壁和两个中心型芯的侧壁围合成锻模型腔，所述上模的下表面开设有与锻模凹槽呈同轴设置的飞边槽。

通过采用上述技术方案，在模锻时，利用中心型芯对粗胚进行冲孔，方便后续的碾环加工。

本发明进一步设置为：所述中心型芯呈圆台形，所述中心型芯的大径端靠近锻模凹槽的底壁。

通过采用上述技术方案，使中心型芯的小端面对准粗胚，减小中心型芯与粗胚的接触面积，增加两者之间的压强，更加方便的将中心孔冲压成形。

本发明进一步设置为：所述上模和下模合模时两个所述中心型芯不接触，然后在利用自由锻对成型模进行冲孔。

通过采用上述技术方案，利用中心型芯锻压呈向中心凹陷的凹槽，然后利用自由锻将中心孔冲出，先利用中心型芯锻压使粗胚中心的物料向两侧挤压，从而使中心冲落的物料较少，并且对锻压的要求也较低。

本发明进一步设置为：所述中心型芯上端面呈圆弧凸起。

通过采用上述技术方案，进一步使中心型芯的小端面对准粗胚，减小中心型芯与粗胚的接触面积，增加两者之间的压强，更加方便的将中心孔冲压成形。

本发明进一步设置为：所述锻模凹槽包括第一环槽和第二环槽，所述第一环槽和第二环槽呈同轴设置并且两者连通，所述第一环槽的直径大于第二环槽的直径，所述第一环槽深度小于第二环槽的深度，所述第一环槽和第二环槽连接处呈圆弧倒角设置。

通过采用上述技术方案，使成型后的成型坯外圈厚度小于内圈厚度，方便后续加工。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

其一，对钢锭进行电渣重熔，提纯金属并获得洁净组织均匀致密的电渣锭。经电渣重熔的钢，纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、洁净均匀致密、金相组织和化学成分均匀，所以结构强度更高；将电渣锭锻造呈圆柱状的元棒料，便于计算元棒料的体积，进而方方便安装体积进行切割所需质量的棒料坯；利用自由锻消除棒料坯内缩孔、缩松、气孔等缺陷，使棒料坯具有更高的力学性能，并且镦粗后的粗胚呈扁平状，方便后续的模锻；然后将粗成形坯碾环呈成型坯，对成型坯球化退火，从而降低硬度，改善切削加工性能，并为淬火做组织准备，然后淬火增加刀圈的硬度，增加刀圈的材料强度，使其可以承受更强的应力，降低刀圈出现形变的可能性；

其二，因为后续冲孔和粗车过程中，会损耗坯料的材料，所以在切割呈棒料坯前需要留有加工余量；

其三，使中心型芯的小端面对准粗胚，减小中心型芯与粗胚的接触面积，增加两者之间的压强，更加方便的将中心孔冲压成形。

附图说明

图1为实施例1的线框图；

图2为实施例1用于展示锻模的剖面图；

图3为实施例2用于展示锻模的剖面图。

附图标记：1、锻模；2、上模；3、下模；4、锻模凹槽；5、第一环槽；6、第二环槽；7、锻模型腔；8、飞边槽；9、中心型芯。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：一种增加强度的盾构机刀圈加工工艺，如图1所示，包括以下步骤：

步骤s1：电渣重熔，将钢锭放置于电渣炉中进行重熔，使其电渣重熔成电渣锭。经电渣重熔的钢，纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、洁净均匀致密、金相组织和化学成分均匀，所以材料结构强度更高。

步骤s2：开坯，利用电液锤对电渣锭进行锻造，开坯前将电渣锭加热至800℃以上，经过电液锤的敲击下使成形为圆柱状的元棒料。

步骤s3：切割，先对元棒料进行退火处理，利用退火释放开坯锻造产生的内应力，并且降低元棒料的硬度，从而方便后续对元棒料的切割。然后对元棒料进行切割呈多个棒料坯。料坯的重量为合格刀圈重量的1.05倍~1.15倍。通过密度与质量的关系公式，通过安装体积进行切割所需质量的棒料坯。

步骤s4：自由锻，利用天然气加热炉对棒料坯进行加热，天然气加热炉的温度为1180℃~1220℃。将加热后的棒料坯进行到镦粗，使其成为圆盘状的粗胚。

步骤s5：模锻，将自由锻后的粗胚放置于锻模1，此时粗胚温度还未冷却，利用模锻机将粗胚锻压成形为粗成形坯，所述粗成形坯中心位置锻压成形有中心孔，其外圈的厚度小于其靠近中心位置的厚度。

模锻机为蒸汽-空气锤，如图2所示，锻模1包括上模2和下模3，上模2的下表面和下模3的上表面开设有圆形的锻模凹槽4。锻模凹槽4包括第一环槽5和第二环槽6，第一环槽5和第二环槽6呈同轴设置并且两者连通，第一环槽5的直径大于第二环槽6的直径，第一环槽5深度小于第二环槽6的深度，第一环槽5和第二环槽6连接处呈圆弧倒角设置。第二环槽6中心同轴固定连接有中心型芯9，两个锻模凹槽4内壁和两个中心型芯9的侧壁围合成锻模型腔7，上模2的下表面开设有与锻模凹槽4呈同轴设置的飞边槽8。利用中心型芯9对粗胚进行冲孔，方便后续的碾环加工。为进一步方便中心型芯9冲孔，使中心型芯9呈圆台形，中心型芯9的大径端靠近锻模凹槽4的底壁，减小中心型芯9与粗胚的接触面积，增加两者之间的压强，更加方便的将中心孔冲压成形。

步骤s6：碾环，将模锻后的粗成形坯放回天然气加热炉中进行加热，然后将粗成形坯安装于碾环机的芯辊，使中心孔与芯辊适配，然后使压辊挤压粗成形坯，利用碾环机对碾环使其中心孔的孔径扩大和外径扩大，将粗成形坯碾环呈成型坯。

步骤s7：粗检，停止碾环后，粗检成型坯的外径和内径，合格进行下一步步骤。

步骤s8：球化退火，将粗检合格的成型坯放置于电炉中，对成型坯进行球化退火。球化退火会获得类似粒状珠光体的球化组织，球化组织不仅比片状组织有更好的塑性和韧性，而且硬度稍低。在切削加工具有球化组织的工件时，刀具可以避免切割硬而脆的渗碳体，而在软的铁素体中通过，因而延长了刀具的使用寿命，提高了钢的切削加工性从而降低硬度，改善切削加工性能，并为淬火做组织准备。

步骤s9：再检，将球化退火完成后的成型坯冷却至常温后，检测成型坯的外径、内径、内圈厚度、外圈厚度和质量进行检测。成型坯的外径、内径、内圈厚度、外圈厚度和质量均符合的进行下一步骤。

步骤s10：粗车，先对中心孔进行粗车，然后再以中心孔的内壁为基准面对刀圈的侧壁和端面进行车削。

步骤s11：淬火，将刀圈放置于淬火炉中进行加热并且保护一段时间，然后快速浸没于淬火液中冷却。然后在将刀圈放置于回火炉中进行回火。淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以回火，以大幅提高钢的刚性、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等。

步骤s12：精检，将刀圈冷却至常温后，检测刀圈的外径、内径、内圈厚度、外圈和厚度。当刀圈的外径、内径、内圈厚度、外圈和厚度均符合时，将刀圈包装装箱。

实施例2：一种增加强度的盾构机刀圈加工工艺，如图3所示，与实施例1不同之处在于，步骤s5：模锻，将自由锻后的粗胚放置于锻模1，此时粗胚温度还未冷却，利用模锻机将粗胚锻压成形为粗成形坯，粗成形坯中心位置锻压成形有中心凹槽，其外圈的厚度小于其靠近中心位置的厚度。

模锻机为蒸汽-空气锤，锻模1包括上模2和下模3，上模2的下表面和下模3的上表面开设有圆形的锻模凹槽4。锻模凹槽4包括第一环槽5和第二环槽6，第一环槽5和第二环槽6呈同轴设置并且两者连通，第一环槽5的直径大于第二环槽6的直径，第一环槽5深度小于第二环槽6的深度，第一环槽5和第二环槽6连接处呈圆弧倒角设置。第二环槽6中心同轴固定连接有中心型芯9，两个锻模凹槽4内壁和两个中心型芯9的侧壁围合成锻模型腔7，上模2的下表面开设有与锻模凹槽4呈同轴设置的飞边槽8。利用中心型芯9对粗胚进行冲孔，方便后续的碾环加工。为进一步方便中心型芯9冲孔，使中心型芯9呈圆台形，中心型芯9上端面呈圆弧凸起。上模2和下模3合模时两个所述中心型芯9不接触，从而模锻后粗成形坯两端中心位置具有向下凹陷的中线凹槽。然后将粗成形坯放置于垫环上，将冲头放置中心凹槽内，冲头呈圆台形，其大径端置于中心凹槽内，其轴向长度大于粗成形坯的厚度。然后利用电液锤敲击冲头，将中心凹槽底部的余料取出，完成冲孔从而形成中心孔。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。