CN106498144A - 全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法 - Google Patents
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Abstract
全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法属于真空热处理技术领域，目的在于解决现有技术存在的工艺复杂、生产效率低的问题。本发明的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法包括以下步骤：将多个同规格的滚刀刀圈组装得到一体的多个滚刀刀圈组合；将获得的滚刀刀圈组合进行真空淬火处理；对经淬火处理的滚刀刀圈组合进行2‑3次回火处理，使刀圈硬度达到工艺要求，完成热处理。本发明利用调整淬火工艺来实现真空油淬滚刀刀圈的梯度硬度，使用的辅助结构简单，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明属于真空热处理技术领域，具体涉及一种全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法。
背景技术
TBM（全断面隧道掘进机）滚刀刀圈从端部到刃部的硬度由低到高呈梯度硬度，可以提高装配质量，有利于提高刀圈的使用寿命，但目前绝大部分的刀圈各部位硬度都是均匀的。针对梯度硬度，高校等研究部门做了很多利用对工件回火温度的控制（即采用中频感应回火处理）方法来实现刀圈梯度硬度及真空气淬时实现梯度硬度的试验。
对滚刀刀圈梯度硬度的处理，现有工艺一种是：刀圈真空油淬后采用控制回火温度，即对刀圈端部及刃部采用不同温度进行回火的方式；另一种是：真空淬火采用气淬时用石棉板对端部进行隔热，从而降低端部的冷却速度来达到梯度硬度。为了研究出符合生产实际的真空油淬时实现硬度梯度的刀圈热处理工艺，对上述工艺进行了反复研究与探讨，发现此工艺只适用于单件实验，实际生产过程中不但因工艺、工装复杂，而且温度的梯度分布很难控制均匀，工厂批量生产无法采用此工艺。
现有技术存在以下缺点：
1、利用回火实现滚刀刀圈梯度硬度，需要对滚刀刀圈径向方向的不同部位上控制梯度分布的回火温度，即端部要求高温、刃部要求低温，要完成此工艺需要设置特殊的加热源与冷却装置，不但工装复杂而且操作繁琐。
2、对刀圈刃部和端部，很难准确控制梯度温度，从而达不到理想的梯度硬度效果。
3、真空气淬时用石棉板等材料，控制工件不同位置不同的冷却速度从而实现梯度硬度，但石棉板的强度有限，无法多件同时组合淬火，所以只适合于单件生产，生产效率低，不适合于企业的批量生产。
4、刀圈真空淬火普遍使用油淬，采用3中的方案进行真空油淬，石棉板进入到淬火油很快会软化，无法保证工艺要求，所以油淬时无法采用此工艺。
发明内容
本发明的目的在于提出一种全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法，解决现有技术存在的工艺复杂、质量不稳定、只适合在实验室进行试验或单件生产，不适合批量生产，生产效率低的问题。
为实现上述目的，本发明的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法包括以下步骤：
步骤一：用2520耐热白钢板加工出结构相同的一个上盖板和一个下盖板，所述上盖板和下盖板的直径大于滚刀刀圈端部直径；
步骤二：在上盖板和下盖板的一个面上加工出圆环形槽；
步骤三：用2520耐热白钢管加工出一个套筒，所述套筒的高度为组合后的多个滚刀刀圈的高度，所述套筒的外径小于滚刀刀圈内径；
步骤四：将套筒焊接在下盖板的圆环形槽内；
步骤五：将下盖板环形槽内放入碳毡垫，将套筒外表面包覆碳毡；
步骤六：将多个同规格的滚刀刀圈依次套在套筒外侧，所述滚刀刀圈内表面和碳毡外侧接触，靠近下盖板的滚刀刀圈的端部和下盖板圆环形槽内的碳毡垫接触；
步骤七：安装上盖板，将上盖板通过多个紧固螺栓固定在所述套筒上，所述上盖板的圆环形槽内设置有碳毡垫，位于最上端的滚刀刀圈的端部和上盖板的圆环形槽内的碳毡垫接触，得到组成一体的多个滚刀刀圈组合；
步骤八，将步骤七中获得的滚刀刀圈组合进行真空淬火处理；
步骤九：对经淬火处理的滚刀刀圈组合进行2-3次回火处理，使刀圈硬度达到工艺要求，完成热处理。
步骤八中所述的真空淬火处理具体为：把步骤七中获得的滚刀刀圈组合体在真空炉中加热、保温结束后入油淬火，使滚刀刀圈刃部能够与淬火油直接接触，加快其冷却速度；端部因无法和淬火油直接接触，从而控制其冷却速度，使端部温度缓慢降低。
所述上盖板和下盖板的直径大于滚刀刀圈端部直径20mm。
所述上盖板和下盖板上的圆环形槽深为7mm，所述上盖板和下盖板的厚度为25mm。
所述套筒的外径小于滚刀刀圈内径20mm，所述套筒的壁厚为20mm。
步骤五中所述的碳毡垫的尺寸比滚刀刀圈端部内径的尺寸大3-6mm。
步骤五中所述的碳毡垫的尺寸比滚刀刀圈端部内径的尺寸大5mm。
所述套筒外表面包覆的碳毡的厚度为10mm。
多个同规格的滚刀刀圈同轴设置，相邻的两个滚刀刀圈端部互相紧密接触。
所述上盖板、下盖板和套筒同轴设置。
本发明的有益效果为：本发明由于上盖板、下盖板和套筒同轴设置，且多个同规格的滚刀刀圈同轴设置，相邻的两个滚刀刀圈端部互相紧密接触，所以当保温结束后入油淬火时滚刀刀圈刃部能够与淬火油直接接触，加快其冷却速度；采用耐高温、隔热的碳毡垫使端部及内表面不与流动的淬火油直接接触，端部因无法和淬火油直接接触，从而控制其冷却速度，使端部温度缓慢降低，从而保证了刀圈的梯度硬度。
本发明的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法对滚刀刀圈进行热处理后，刀圈的端部硬度比刃部硬度低7--8HRC，达到滚刀刀圈径向方向上，由内向外硬度呈由低到高的梯度分布要求，即保证了刃部高硬度、高耐磨性又可以提高端部的韧性和冲击功，这样刀圈在使用过程中刃部微观裂纹向内部（端部）扩展时，端部较高的韧性可以有效地阻挡裂纹的扩展，从而有效地降低滚刀刀圈的整体断裂倾向。另外，端部硬度的降低还有利于滚刀刀圈与刀体的安装配合。
本专利的优点在于：1、通过改进淬火工艺、工装来达到刀圈硬度梯度问题，不需要增加设备，只需投入少量的工装；2、本专利通过淬火改变了端部及刃部的组织，使端部及刃部得到了不同的淬火组织；3、通过淬火端部及刃部已得到了不同组织，所以不需要增加其他回火设施及采用梯度分布回火温度的工艺；4、改进前的工艺一次只能处理一个刀圈，采用本专利工艺，可以多件同时淬火和同时回火，提高了生产效率；5、采用耐高温、隔热的碳毡使端部及内表面不与流动的淬火油直接接触，大大降低了此部位的冷却速度。6、本专利淬火质量稳定，梯度硬度的效果明显，提高了刀圈的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法流程图；
图2为本发明的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法中滚刀刀圈组合结构示意图；
图3为本发明的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法处理后单个滚刀刀圈端面图；
其中：1、上盖板，2、紧固螺栓，3、碳毡，4、套筒，5、滚刀刀圈，6、碳毡垫，7、下盖板，8、端部，9、刃部。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1和附图2，本发明的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法包括以下步骤：
步骤一：用2520耐热白钢板加工出结构相同的一个上盖板1和一个下盖板7，所述上盖板1和下盖板7的直径大于滚刀刀圈5端部8直径；
步骤二：在上盖板1和下盖板7的一个面上加工出圆环形槽；
步骤三：用2520耐热白钢管加工出一个套筒4，所述套筒4的高度为组合后的多个滚刀刀圈5的高度，所述套筒4的外径小于滚刀刀圈5内径；
步骤四：将套筒4焊接在下盖板7的圆环形槽内；
步骤五：将下盖板7环形槽内放入碳毡垫6，将套筒4外表面包覆碳毡3；
步骤六：将多个同规格的滚刀刀圈5依次套在套筒4外侧，所述滚刀刀圈5内表面和碳毡3外侧接触，靠近下盖板7的滚刀刀圈5的端部8和下盖板7圆环形槽内的碳毡垫6接触；
步骤七：安装上盖板1，将上盖板1通过多个紧固螺栓2固定在所述套筒4上，所述上盖板1的圆环形槽内设置有碳毡垫6，位于最上端的滚刀刀圈5的端部8和上盖板1的圆环形槽内的碳毡垫6接触，得到组成一体的多个滚刀刀圈5组合；
步骤八，将步骤七中获得的滚刀刀圈5组合进行真空淬火处理；
步骤九：对经淬火处理的滚刀刀圈5组合进行2-3次回火处理，使刀圈硬度达到工艺要求，完成热处理。
步骤八中所述的真空淬火处理具体为：把步骤七中获得的滚刀刀圈5组合体在真空炉中加热、保温结束后入油淬火，滚刀刀圈5刃部9与淬火油直接接触；端部8避免和淬火油直接接触。其中在真空炉中的加热温度为1050-1070℃，保温时间为1.5-2小时。
所述上盖板1和下盖板7的直径大于滚刀刀圈5端部8直径20mm。
所述上盖板1和下盖板7上的圆环形槽深为7mm，所述上盖板1和下盖板7的厚度为25mm。
所述套筒4的外径小于滚刀刀圈5内径20mm，所述套筒4的壁厚为20mm。
步骤五中所述的碳毡垫6的尺寸比滚刀刀圈5端部8内径的尺寸大3-6mm。
步骤五中所述的碳毡垫6的尺寸比滚刀刀圈5端部8内径的尺寸大5mm。
所述套筒4外表面包覆的碳毡3的厚度为10mm。
多个同规格的滚刀刀圈5同轴设置，相邻的两个滚刀刀圈5端部8互相紧密接触。
所述上盖板1、下盖板7和套筒4同轴设置。
参见附图3滚刀刀圈5端部8和刃部9结构示意图。
表1和表2为改进前后滚刀刀圈5端部8和刃部9硬度结果。
表1改进前
表2改进后
改进后端部8的硬度比改进前降低7—8HRC。
Claims (9)
1.全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：用2520耐热白钢板加工出结构相同的一个上盖板(1)和一个下盖板(7)，所述上盖板(1)和下盖板(7)的直径大于滚刀刀圈(5)端部(8)的直径；
步骤二：在上盖板(1)和下盖板(7)的一个面上加工出圆环形槽；
步骤三：用2520耐热白钢管加工出一个套筒(4)，所述套筒(4)的高度为组合后的多个滚刀刀圈(5)的高度，所述套筒(4)的外径小于滚刀刀圈(5)内径；
步骤四：将套筒(4)焊接在下盖板(7)的圆环形槽内；
步骤五：将下盖板(7)环形槽内放入碳毡垫(6)，将套筒(4)外表面包覆碳毡(3)；
步骤六：将多个同规格的滚刀刀圈(5)依次套在套筒(4)外侧，所述滚刀刀圈(5)内表面和碳毡(3)外侧接触，靠近下盖板(7)的滚刀刀圈(5)的端部(8)和下盖板(7)圆环形槽内的碳毡垫(6)接触；
步骤七：安装上盖板(1)，将上盖板(1)通过多个紧固螺栓(2)固定在所述套筒(4)上，所述上盖板(1)的圆环形槽内设置有碳毡垫(6)，位于最上端的滚刀刀圈(5)的端部(8)和上盖板(1)的圆环形槽内的碳毡垫(6)接触，得到组成一体的多个滚刀刀圈(5)组合；
步骤八：将步骤七中获得的滚刀刀圈(5)组合进行真空淬火处理；
步骤九：对经淬火处理的滚刀刀圈(5)组合进行2-3次回火处理，使刀圈硬度达到工艺要求，完成热处理。
2.根据权利要求1所述的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法，其特征在于，步骤八中所述的真空淬火处理具体为：把步骤七中获得的多个同规格、同轴设置的滚刀刀圈(5)组合体在真空炉中加热、保温结束后入油淬火，使滚刀刀圈(5)刃部(9)与淬火油直接接触；相邻的两个滚刀刀圈(5)端部(8)互相紧密接触，避免和淬火油直接接触。
3.根据权利要求1所述的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法，其特征在于，所述上盖板(1)和下盖板(7)的直径大于滚刀刀圈(5)端部(8)直径20mm。
4.根据权利要求1所述的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法，其特征在于，所述上盖板(1)和下盖板(7)上的圆环形槽深为7mm，所述上盖板(1)和下盖板(7)的厚度为25mm。
5.根据权利要求1所述的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法，其特征在于，所述套筒(4)的外径小于滚刀刀圈(5)内径20mm，所述套筒(4)的壁厚为20mm。
6.根据权利要求1所述的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法，其特征在于，步骤五中所述的碳毡垫(6)的尺寸比滚刀刀圈(5)端部(8)内径尺寸大3-6mm。
7.根据权利要求6所述的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法，其特征在于，步骤五中所述的碳毡垫(6)的尺寸比滚刀刀圈(5)端部(8)内径的尺寸大5mm。
8.根据权利要求1所述的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法，其特征在于，所述套筒(4)外表面包覆的碳毡(3)的厚度为10mm。
9.根据权利要求1所述的全断面隧道掘进机滚刀刀圈的梯度硬度热处理方法，其特征在于，所述上盖板(1)、下盖板(7)和套筒(4)同轴设置。
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