專利名稱：一種地鐵盾構(gòu)用刀具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新材料領(lǐng)域中的高性能結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域。該發(fā)明主要用于地鐵盾構(gòu)，使其刀具性能更加優(yōu)越。 本發(fā)明已在地鐵盾構(gòu)刀具中得到應(yīng)用，效果很好，同時(shí)可以滿足地鐵施工的技術(shù)需求，且噴涂后如果涂層 剝落可以再次噴涂，進(jìn)一步提高施工效率。 背錄技術(shù)
我國(guó)城市人口的高度集中，土地的日益緊張，迫使人類不得不"飛天入地"。地鐵已成為衡量一個(gè)城市 綜合實(shí)力的重要指標(biāo)。世界上現(xiàn)代化程度較高的城市大多有比較成熟與完整的軌道交通系統(tǒng)，有些城市的 軌道交通運(yùn)量占城市公交運(yùn)量的50%以上，有的甚至達(dá)70%以上。巴黎有1000萬人口，軌道交通承擔(dān)70 %的公交運(yùn)量。這一比例在東京是80%，在莫斯科和香港是55%。而在北京，居民乘用地鐵和地面公交 車的出行比例不足30%，其中地鐵又不及公交總量的15%。
隨著北京經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，特別即將舉辦2008年奧運(yùn)會(huì)，大大促進(jìn)了北京軌道交通的發(fā)展進(jìn)程。 北京于今年已經(jīng)完成地鐵5號(hào)線的施工工作并且成功運(yùn)營(yíng)，根據(jù)規(guī)劃，將建設(shè)地鐵四號(hào)線、十號(hào)線、奧運(yùn) 支線、亦莊線、機(jī)場(chǎng)專線、九號(hào)線等8條地鐵線路。到2008年，北京的地鐵里程將達(dá)到300公里，而現(xiàn) 在不足100公里，建設(shè)任務(wù)十分艱巨。
在人口密集的繁華鬧市內(nèi)既不能用明挖法施工，又不能用礦山法施工，最好的選擇就是盾構(gòu)法。采用 盾構(gòu)法施工，既可避免對(duì)地面大開挖，又可減少噪音；既能提高速度，又能降低造價(jià)；既可保證安全質(zhì)量， 又不受氣候影響。美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、日本、等許多發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用這種施工法。
根據(jù)盾構(gòu)施工時(shí)盾構(gòu)刀具所遇工況以及盾構(gòu)刀具失效分析可知，在盾構(gòu)施工的工作環(huán)境中，工況復(fù)雜、 條件惡劣，盾構(gòu)機(jī)刀具常受到砂礫、卵石等高應(yīng)力下的磨粒磨損和強(qiáng)烈的沖擊作用。目前國(guó)內(nèi)地鐵的挖掘 工作所使用的盾構(gòu)刀具主要都引進(jìn)于德國(guó)刀具，但由于中國(guó)地下地況與德國(guó)大有不同，導(dǎo)致目前所購刀具 每副只能挖掘約250m,這主要由于刀具表面材料為硬質(zhì)合金，在工作中刀具表面極易磨損剝落，導(dǎo)致刀 具報(bào)廢無法使用，嚴(yán)重影響施工質(zhì)量和工作效率。針對(duì)此工況，為了提髙盾構(gòu)刀具尤其是刀盤外側(cè)線速度 較大的周邊刀的使用壽命，研究人員將盾構(gòu)刀具的性能要求及結(jié)構(gòu)改進(jìn)等作了重點(diǎn)研究。
根據(jù)盾構(gòu)機(jī)刀具工況和失效的具體表現(xiàn)得出結(jié)論為配合我國(guó)地下的特殊情況，盾構(gòu)機(jī)周邊刀既要有 較高的強(qiáng)度、硬度，又要有一定的韌性。較高的強(qiáng)度、硬度可以抵御壓實(shí)的粘土、砂礫的高應(yīng)力磨粒磨損， 一定的韌性可以承受卵石的沖擊。新研制的盾構(gòu)刀具周邊刀迎土面堆焊層承受卵石的沖擊主要表現(xiàn)在兩個(gè) 方面的作用 一方面可以保證刀體本身不會(huì)出現(xiàn)突發(fā)剝落造成意外磨損，另一方面可以緩沖硬質(zhì)合金球齒 所受沖擊，避免其折斷(即"崩刃")和脫落。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要達(dá)到的最終目的是通過使用本發(fā)明所研制出的改良方法，制備出適合國(guó)內(nèi)地下土況的性 能先進(jìn)的地鐵盾構(gòu)用刀具。所發(fā)明的刀具具有表面硬度高，周邊刀能夠長(zhǎng)期受到?jīng)_擊而不發(fā)生磨損和表面 剝落現(xiàn)象。使用本發(fā)明所制備的刀具可明顯降低地鐵盾構(gòu)施工工程的修復(fù)造價(jià)，延長(zhǎng)刀具使用期限，加快 工程進(jìn)度，提高盾構(gòu)刀具施工的安全性和可靠性，提高國(guó)內(nèi)對(duì)盾構(gòu)刀具的設(shè)計(jì)生產(chǎn)水平。
本發(fā)明屬于新材料領(lǐng)域中的髙性能結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域。其特征在于，提供了一種適合我國(guó)土質(zhì)的地鐵盾構(gòu)用刀具。
圍繞一定韌性下高強(qiáng)高硬的性能要求，我們對(duì)盾構(gòu)刀具之周邊刀進(jìn)行了修復(fù)材料的研發(fā)，并進(jìn)一步結(jié) 合刀具結(jié)構(gòu)改進(jìn)開展了以周邊刀為主的盾構(gòu)機(jī)刀具國(guó)產(chǎn)化研究。根據(jù)對(duì)我國(guó)地下土質(zhì)特性的研究，我們的 對(duì)現(xiàn)使用刀具的改良方法主要包括三項(xiàng)
1 ) 在原有盾構(gòu)刀具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改良刀具制備材料，采用低碳合金鋼鐵，選擇35CrMnSi,該 材料具有較好的可鍛性和機(jī)械加工性及可焊性；
2) 在新制刀具周邊刀口處安置硬質(zhì)合金安裝孔，用釬焊技術(shù)在孔周圍加焊硬質(zhì)合金層作為硬質(zhì) 合金和刀體的連接，形成"球齒"釬焊裝配，采用鑲嵌裝配配合銅釬焊的方法，這種工藝對(duì) 焊接溫度的控制有較為嚴(yán)格的要求，但這種工藝具有很高的可靠性，而且可以保證連接件之 間具有較高的連接強(qiáng)度，提高孔洞的硬度和耐磨性；
3) 應(yīng)用對(duì)焊技術(shù)，在周邊刀口處堆焊一種高性能堆焊用噴涂涂層，增強(qiáng)盾構(gòu)刀具周邊的抗沖擊 和耐磨損能力。通過使用堆焊技術(shù)在現(xiàn)有刀具上堆焊一層高性能耐磨性堆焊涂層，噴涂位置 主要噴涂在盾構(gòu)刀具周邊部位及刀具表面易沖擊磨損部位。堆焊后的盾構(gòu)刀具與原刀具相 比，具有更好的耐沖擊性能，表面硬度明顯增高，使用期限大大增加，可進(jìn)一步加快地鐵施 工的工程進(jìn)度，提高工程質(zhì)量，降低維修成本。


圖l:刀具加工的工藝流程圖
圖2:周邊刀制造工藝
圖3:盾構(gòu)刀具的刀體示意圖
具體實(shí)施例方式
1. 外形鑄造。使用低碳合金鋼(35CrMnSi)，應(yīng)用鑄造的方法鑄造成型出刀具的外形。刀具的制造 工藝的工序設(shè)計(jì)安排，由于考慮后續(xù)工序?qū)η暗拦ば虻挠绊?。刀體耐磨層的堆焊必須安排在機(jī)械加工工序 的前面，因?yàn)槿艏庸ぴ谇埃附拥母邷丶昂附討?yīng)力會(huì)導(dǎo)致加工溝槽發(fā)生變形，進(jìn)一步導(dǎo)致硬質(zhì)合金零件與 刀體之間的裝配精度降低，使得兩者的結(jié)合強(qiáng)度下降。同樣，考慮到焊接會(huì)對(duì)硬質(zhì)合金的機(jī)械性能產(chǎn)生不 利影響，所有的電焊作業(yè)必須安排在硬質(zhì)合金釬焊工序之前完成。圖1為刀具加工的工藝流程圖。
2. 周邊刀口的特殊設(shè)計(jì)。結(jié)合北京地況以及在工程應(yīng)用中對(duì)刀具的使用和性能測(cè)試得出結(jié)論，確定 采用20Mn2作為周邊刀的本體材料，該材料具有較好的機(jī)械加工性能和焊接性能；刀具外側(cè)鑲嵌硬質(zhì)合金
"球齒"。由于硬質(zhì)合金球齒在燒結(jié)后，還要進(jìn)行熱處理。因此，為保證刀具的制造質(zhì)量和性能，對(duì)刀具 的制造工藝流程進(jìn)行周密的設(shè)計(jì)，以免由于工序安排不合理而導(dǎo)致刀具機(jī)械性能降低，進(jìn)而導(dǎo)致使用壽命 的縮短。圖2為周邊刀制造工藝。
3. 刀體堆焊處理。機(jī)械加工完成后，將刀具毛胚送到焊接車間進(jìn)行堆焊堆焊作業(yè)應(yīng)首先焊接端頭 部分，待刀體溫度升高后，再進(jìn)行刀具刃口部位的堆焊。在冬季環(huán)境溫度較低時(shí)，尤其要注意焊接時(shí)層間溫度的控制焊接過程中刀體的溫度應(yīng)控制在100'C 150'C之間。同時(shí)根據(jù)刀具出倉時(shí)的磨損部位和磨損 特點(diǎn)，利用DG7氣保護(hù)藥芯焊絲，在刀口處堆焊加強(qiáng)耐磨性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加刀具刃口部位的堆焊 層髙度，除此之外，對(duì)刀身的堆焊范圍也要有所擴(kuò)大，通過這些強(qiáng)化手段和措施，使得刀具本體的耐磨性 能得到了顯著提髙。
4.釬焊硬質(zhì)合金。將鑄造完成后的刀具在電爐內(nèi)將焊接后的加熱到600'C,在球齒安裝孔內(nèi)放入適 量的硼砂，然后用氣焊將銅焊條熔化到球齒孔內(nèi)，并迅速將球齒裝到安裝孔內(nèi)。整把刀具球齒釬焊作業(yè)完 成后，將刀具放入石棉灰中進(jìn)行保溫緩冷，以保證刀具的機(jī)械性能。
此外，由于球齒在燒結(jié)后，其尺寸偏差可能分布于一個(gè)較大的范圍(0 0.5mtn),為保證球齒與刀體 之間有比較理想的裝配間隙，我們對(duì)所有購進(jìn)的硬質(zhì)合金球齒進(jìn)行測(cè)量，將尺寸偏差相近的編成一組，然 后根據(jù)每組球齒的尺寸，選配一把鉆頭，來加工相應(yīng)的安裝孔，以確保刀具的制造質(zhì)量。刀體與球齒采取 銀銅焊條進(jìn)行焊接，釬焊是比較普遍采用的常規(guī)方法，技術(shù)要求不高，可以保證兩者之間有較高的連接強(qiáng) 度。
選擇低熔點(diǎn)銀銅焊條(銀含量達(dá)到40%左右)對(duì)球齒進(jìn)行釬焊，可以在60(TC溫度下進(jìn)行焊接，這樣 可以避免焊接溫度過高導(dǎo)致球齒性能的下降。圖3為盾構(gòu)刀具的刀體示意圖。
權(quán)利要求
1、一種地鐵盾構(gòu)用刀具產(chǎn)品，其性能優(yōu)于當(dāng)今使用的盾構(gòu)刀具。特征在于，在原有盾構(gòu)刀具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改良刀具用鋼鐵種類(35CrMnSi)；在新制刀具周邊刀口處安置硬質(zhì)合金安裝孔，用釬焊技術(shù)在孔周圍加焊硬質(zhì)合金層作為硬質(zhì)合金和刀體的連接，形成“球齒”釬焊裝配，可提高孔洞的硬度和耐磨性；應(yīng)用堆焊技術(shù)，在刀體，尤其是周邊刀口處堆焊一種高性能堆焊材料，增強(qiáng)盾構(gòu)刀具周邊的抗沖擊和耐磨損能力。
全文摘要
本發(fā)明屬于新材料領(lǐng)域中的高性能結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域。該發(fā)明主要用于地鐵盾構(gòu)，對(duì)原有地鐵盾構(gòu)用刀具在原有結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，使其更適合北京地鐵乃至全國(guó)地鐵挖掘施工情況。具體改良內(nèi)容包括三項(xiàng)1)在原有盾構(gòu)刀具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改良刀具用鋼鐵種類，選用35CrMnSi作為刀體制造材料；2)在新制刀具周邊刀口處安置硬質(zhì)合金安裝孔，用釬焊技術(shù)在孔周圍加焊硬質(zhì)合金層作為硬質(zhì)合金和刀體的連接，形成“球齒”釬焊裝配，用來提高孔洞的硬度和耐磨性；3)應(yīng)用堆焊技術(shù)，在周邊刀口處堆焊一種高性能堆焊材料，增強(qiáng)盾構(gòu)刀具周邊的抗沖擊和耐磨損能力。本發(fā)明可以明顯提高盾構(gòu)用刀具的使用性能，同時(shí)可以滿足地鐵施工的技術(shù)需求，減少維修次數(shù)，提高地鐵挖掘工作效率。
文檔編號(hào)E21D9/06GK101451437SQ200710195270
公開日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
發(fā)明者胡為峰, 爽 葛 申請(qǐng)人:北京賽億表面工程技術(shù)有限公司