本發(fā)明屬于鍛造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀刀圈的閉式模鍛鍛造方法。

背景技術(shù)：

滾刀刀圈是全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施工的關(guān)鍵零件，在全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中滾刀刀圈與巖體直接接觸，在縱向推力作用下，通過刀圈對(duì)巖石進(jìn)行擠壓、起裂最終完成對(duì)巖石的破碎，其工作條件極其惡劣，所以滾刀刀圈在掘進(jìn)過程中會(huì)出現(xiàn)以下失效形式：非正常磨損、卷邊、崩刃和斷裂。為了防止和減少上述失效缺陷，要求刀圈具有高硬度、高耐磨性、高的沖擊韌性等綜合力學(xué)性能。

影響滾刀刀圈性能的因素很多，主要有：原材料、鍛造工藝、鍛件毛坯的退火及半成品的熱處理工藝等。斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的滾刀刀圈傳統(tǒng)的鍛造工藝為自由鍛。但是存在以下技術(shù)缺陷：鍛件精度低、加工量大、表面易產(chǎn)生鍛造缺陷；無法精準(zhǔn)的控制所需要的金屬流向；難以準(zhǔn)確控制終端溫度；在鍛造過程中如拔長(zhǎng)時(shí)進(jìn)錘量過大，易出現(xiàn)表面橫向裂紋、如進(jìn)錘量過小易出現(xiàn)內(nèi)部的橫向裂紋；鍛造倒棱時(shí)壓下量過大或翻轉(zhuǎn)拔長(zhǎng)次數(shù)過多，會(huì)造成表面縱向及內(nèi)部縱向裂紋；總之，影響自由鍛鍛件質(zhì)量的因素有多種，且操作過程難以控制精準(zhǔn)，從而影響鍛件的質(zhì)量，對(duì)成品刀圈的性能有不同程度的影響。

目前，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的滾刀刀圈加工前的毛坯采用的是自由鍛或輥鍛，鍛造原料用的是不同材質(zhì)的電渣錠鍛造加工出的圓棒料。自由鍛或輥鍛存在以下技術(shù)缺陷：

1、自由鍛和輥鍛的鍛件精度低、加工量大、表面質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低、鍛耗比大、金屬消耗較多；

2、自由鍛造時(shí)金屬坯料除上、下與模板接觸部分外，其它個(gè)個(gè)方向均能不受外部限制而自由變形流動(dòng)，故無法精準(zhǔn)的控制所需要的金屬流向；

3、自由鍛和輥鍛因每次加熱后，因?yàn)槭艿浇K鍛溫度的限制無法一次鍛造成形，需要2--3次的反復(fù)加熱和鍛造，生產(chǎn)效率低且加熱及鍛造成本高；

4、如終鍛溫度控制不當(dāng)，很容易造成鍛件表面裂紋和內(nèi)部的微觀裂紋，嚴(yán)重影響鍛件的內(nèi)在質(zhì)量；

5、自由鍛只能用圓棒料進(jìn)行鍛造，材料的利用率低，增加零件的材料成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀刀圈的閉式模鍛鍛造方法，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的鍛造精度低、加工量大、表面質(zhì)量差、無法準(zhǔn)確控制金屬流向、鍛件內(nèi)部組織密度偏低、生產(chǎn)效率低和材料利用率低的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀刀圈的閉式模鍛鍛造方法包括以下步驟：

步驟一：選取圓環(huán)形管料作為鍛件毛坯料；

步驟二：對(duì)步驟一中選好的毛坯料的內(nèi)表面和外表面進(jìn)行車削，去除表面氧化皮；

步驟三：對(duì)步驟二中獲得的毛坯料的上邊緣和下邊緣進(jìn)行倒角加工，倒角的角度α為：7°至9°。

步驟四：將步驟三中獲得的毛坯料裝入閉式模具中，使用萬噸壓力機(jī)進(jìn)行第一次鍛打；

步驟五：對(duì)步驟四中經(jīng)過第一次鍛打的毛坯件，使用萬噸壓力機(jī)進(jìn)行第二次鍛打，獲得鍛件；

步驟六：打開閉式模具，取出鍛件；

步驟七：將步驟六中的鍛件進(jìn)行等溫球化退火，獲得滾刀刀圈鍛件。

所述步驟二中去掉氧化皮的毛坯料，外徑和高度按(5-6):1進(jìn)行下料。

所述步驟四中進(jìn)行第一次鍛打的溫度為1100℃，壓力為4000-4500噸。

所述步驟五中對(duì)毛坯件進(jìn)行第二次鍛打的溫度小于1100℃，大于等于1050℃，壓力為8000-8500噸。

所述步驟四中的閉式模具包括上模、下模、三個(gè)導(dǎo)向桿；壓板、頂板、三個(gè)頂桿和彈簧；壓板與頂板通過螺釘連接；頂桿與頂板同步運(yùn)動(dòng)；三個(gè)頂桿圓周均布安裝在下模上；一個(gè)導(dǎo)向桿對(duì)應(yīng)一個(gè)頂桿，導(dǎo)向桿與下模為螺紋鏈接，彈簧套在頂桿上。

所述上模和下模端部與刃部之間的過渡圓角為R24。

所述上模的刃部斜度為單面8度。

所述下模的刃部斜度為單面8度。

所述上模和下模型腔的外邊緣作為定位導(dǎo)向，定位導(dǎo)向的間隙為1mm。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：1、本發(fā)明采用閉式模鍛方法，毛坯件采用環(huán)形管料，下好料后對(duì)內(nèi)、外表面進(jìn)行車削，把原料表面氧化皮等缺陷加工掉，用圓環(huán)形管料比常規(guī)的圓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、整個(gè)鍛造過程只需控制好始鍛溫度和終鍛溫度，把始鍛溫度確定為1100℃、終鍛溫度控制在大于等于1050℃，把鍛造溫度范圍嚴(yán)格控制在≤50℃；大大縮短鍛造溫度范圍；保證了加熱的鍛件毛坯在具有較高的塑性和較小的變形抗力溫度范圍內(nèi)完成整個(gè)鍛造過程，獲得細(xì)小、均勻的晶粒組織，提高鍛件機(jī)械性能，能夠充分控制組織偏析，得到致密的鍛造組織，避免自由鍛或輥鍛時(shí)終端溫度控制不當(dāng)，造成表面及內(nèi)部裂紋等缺陷；

3、閉式模具包括上模和下模，鍛件的頂出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在下模，采用上、下模型腔外邊緣作為定位導(dǎo)向，導(dǎo)向間隙設(shè)計(jì)為1mm，有效地防止了金屬溢流，且便于開模；端部和刃部的過渡圓角設(shè)計(jì)為R24，刃部斜度設(shè)計(jì)為單面8度，保證了金屬的流向和型腔的充滿度；設(shè)計(jì)上充分考慮毛坯在鍛造過程中的金屬流向及成形，使鍛后的工件刃部增強(qiáng)致密度及機(jī)械性能，利用鍛造過程中的金屬流向?qū)M織、性能等的影響原理確定出了最佳的模具型腔形狀及各部位尺寸；

4、采用閉式模具進(jìn)行模鍛，鍛件的幾何形狀完全與成品相似，對(duì)鍛件毛坯的設(shè)計(jì)充分考慮鍛件內(nèi)部組織的致密性、金屬流向、材料的利用率等，在重量上確定為毛坯重大于成品重2KG；降低了機(jī)械加工余量，不但提高材料利用率還可大大降低加工成本；

5、鍛打次數(shù)采用兩次，即對(duì)加熱毛坯只需鍛打兩次便可成形，采用大噸位，兩次鍛打工藝可以提高鍛件的組織致密度，提高成品的性能；同時(shí)又可以維護(hù)好模具，提高模具的使用壽命；

6、本發(fā)明鍛造方法采用閉式模鍛工藝避免了自由鍛或輥鍛時(shí)鍛件精度低、加工量大、表面質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低、鍛耗比大金屬消耗較多的鍛造缺陷；且獲得的滾刀刀圈的刃部的組織密度比端部的組織密度高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀刀圈的閉式模鍛鍛造方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀刀圈的閉式模鍛鍛造方法中的毛坯件鍛造金屬流向示意圖；

圖3為本發(fā)明全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀刀圈的閉式模鍛鍛造方法中的閉式模具結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1、下模，2、上模，3、頂桿，4、彈簧，5、壓板，6、頂板，7、導(dǎo)向桿，8、端部與刃部之間的過渡圓角，9、刃部斜度。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。

參見附圖1、附圖2和附圖3，本發(fā)明全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀刀圈的閉式模鍛鍛造方法包括以下步驟：

步驟一：選取圓環(huán)形管料作為鍛件毛坯料；

步驟二：對(duì)步驟一中選好的毛坯料的內(nèi)表面和外表面進(jìn)行車削，去除表面氧化皮；

步驟三：對(duì)步驟二中獲得的毛坯料的上邊緣和下邊緣進(jìn)行倒角加工，倒角的角度α為：7°至9°。

步驟四：將步驟三中獲得的毛坯料裝入閉式模具中，使用萬噸壓力機(jī)進(jìn)行第一次鍛打；

步驟五：對(duì)步驟四中經(jīng)過第一次鍛打的毛坯件，使用萬噸壓力機(jī)進(jìn)行第二次鍛打，獲得鍛件；

步驟六：打開閉式模具，取出鍛件；

步驟七：將步驟六中的鍛件進(jìn)行等溫球化退火，獲得滾刀刀圈鍛件。

所述步驟二中去掉氧化皮的毛坯料，外徑和高度按(5-6):1進(jìn)行下料。

所述步驟四中進(jìn)行第一次鍛打的溫度為1100℃，壓力為4000-4500噸。

所述步驟五中對(duì)毛坯件進(jìn)行第二次鍛打的溫度小于1100℃，大于等于1050℃，壓力為8000-8500噸。

所述步驟四中的閉式模具包括上模2、下模1、三個(gè)導(dǎo)向桿7、壓板5、頂板6、三個(gè)頂桿3和彈簧4；壓板5與頂板6通過螺釘連接；三個(gè)頂桿3圓周均布安裝在下模1上；每個(gè)頂桿3對(duì)應(yīng)一個(gè)導(dǎo)向桿7；頂桿3與頂板6同步運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向桿7與下模1為螺紋鏈接；彈簧4套在頂桿3上。

所述上模2和下模1端部與刃部之間的過渡圓角8為R24。

所述上模2的刃部斜度為單面8度。

所述下模1的刃部斜度9為單面8度。

所述上模2和下模1型腔的外邊緣作為定位導(dǎo)向，導(dǎo)向間隙為1mm。

具體實(shí)施例二：

本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于步驟一中所述的毛坯料的外徑和高度的比例為：5.8:1。

具體實(shí)施例三：

本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于步驟一中所述的毛坯料的外徑和高度的比例為：5:1。

具體實(shí)施例四：

本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于步驟一中所述的毛坯料的外徑和高度的比例為：6:1。

具體實(shí)施例五：

本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于步驟三中所述的倒角加工加工出的角度α為8°。

具體實(shí)施例六：

本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于步驟三中所述的倒角加工加工出的角度α為7°。

具體實(shí)施例七：

本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于步驟三中所述的倒角加工加工出的角度α為9°。

具體實(shí)施例八：

本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于步驟四中的第一次鍛打壓力確定為4200噸

具體實(shí)施例九：

本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于步驟四中的第一次鍛打壓力確定為4000噸。

具體實(shí)施例十：

本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于步驟四中的第一次鍛打壓力確定為4500噸。

具體實(shí)施例十一：

本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于步驟五中的第二次鍛打壓力確定為8300噸。

具體實(shí)施例十二：

本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于步驟五中的第二次鍛打壓力確定為8000噸。

具體實(shí)施例十三：

本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于步驟五中的第二次鍛打壓力確定為8000噸。