基于残余应力分布优化的TBM滚刀刀圈激光熔覆涂层制备工艺研究

目的为改善TBM(全断面隧道掘进机)涂层刀圈残余应力分布,针对刀圈涂层制备过程中的激光扫描路径开展研究,以优化刀圈涂层及涂层/基材界面的残余应力分布。方法使用MSC.Marc 2016软件建立了刀圈涂层制备的三维完全热机耦合模型,通过试验验证了模型的准确性,并针对激光熔覆过程中扫描顺序、扫描方向和扫描终点夹角等3个工艺变量开展了应力场分析研究。结果刀圈表面近涂层区周向/径向残余应力数值计算结果分布趋势与试验基本一致,且在涂层与基材结合的界面处,残余应力梯度达到最大,当激光扫描方向为安装孔到刃顶时,涂层刀圈残余应力的不合理分布得到了明显改善且应力最值显著降低,其中基材部分残余应力最高降低35 MPa,而调整扫描顺序和扫描终点夹角未能有效改善刀圈残余应力的分布及应力最值。结论通过合理设计熔覆过程中的扫描路线,可以有效改善刀圈涂层的残余应力分布并降低残余应力最值,对延长TBM涂层刀圈服役寿命具有重要的指导意义。

TBM滚刀刀圈加工工艺的研究

TBM破岩的主要工具是滚刀,刀圈是滚刀的核心部件,刀圈国产化是提高隧道掘进效率,降低工程造价的有效手段。我公司加工制造的滚刀刀圈,首次应用近净成形技术,使刀圈由粗糙成形变为优质、高效、高精度成形,刀圈的强度、塑性和韧性均得到提高,从而提高了刀圈的性能和使用寿命。

TBM滚刀刀圈材料性能的研究

隧道掘进机破岩的主要工具是刀圈。分析了刀圈常见失效形式,选取了2种刀圈,用直读光谱仪测定其成分,通过金相和透射电镜比较其显微组织,用维氏硬度计和冲击试验测定了硬度和冲击功。刀圈一的硬度约为700HV,冲击功2～3J;刀圈二的硬度大于530HV,冲击功30～40J。比较了其生产工艺的不同,提高材料的纯净化、均匀化和细化晶粒,优化热处理工艺,刀圈材料在满足高硬度要求时可保证高韧性。