TBM盘形滚刀热处理工艺的数值模拟与刀圈材料性能研究

发布时间：2020-09-03 16:34

　　 TBM广泛应用于地下工程和隧道施工,在城市化进程和经济建设中有重要的地位。盘形滚刀作为TBM切削岩石的刀具,其工作环境十分恶劣,是整机失效概率最大的零部件。TBM盘形滚刀的质量和寿命严重影响了整机的工作效率与成本。热处理是能够改变滚刀性能与寿命最重要的工艺之一,而国内外关于盘形滚刀热处理工艺数值模拟方面的研究相对较少。因此,对盘形滚刀的热处理工艺进行仿真分析,研究工艺参数对滚刀刀圈性能的影响规律有着重要的意义。目前,国外滚刀刀圈制造技术相对成熟,具有耐磨性好、寿命长等优点。研究国外刀圈和国产刀圈之间的性能差别,对改进国产刀圈制造工艺、提高国产刀圈质量以及降低对国外刀圈的依赖程度有着重要的意义。本文选择了TBM滚刀常用材料H13作为热处理仿真材料,建立了热处理过程温度和组织转变的数学模型。根据反向热传导思想,计算了淬火过程中H13与75SN冷却油之间表面换热系数,为后续的热处理仿真提供了可靠的边界条件。之后,利用DEFORM软件对H13刀圈的热处理工艺进行了仿真分析,并进行了实验验证;研究了淬火和回火温度对刀圈组织场和应力场的影响规律,结果表明在1030℃淬火+550℃回火下,滚刀能够得到较好的组织性能。另外,本文对比研究了两种国外刀圈和两种国产刀圈的化学成分、力学性能、金相组织以及表面残余应力。结果表明:与国外刀圈相比,国产刀圈的C和Cr含量较高,而Mo含量较低;国产刀圈的韧性低于国外刀圈,国内外刀圈的表面硬度相差很小,而国产刀圈的心部硬度相对高2~3HRC;国产刀圈的表面残余压应力比国外刀圈高约100MPa。根据国内外刀圈性能的差异,建议适当降低国产刀圈成分中的C含量,提高Mo和Ni含量;提高国产刀圈的韧性,降低国产刀圈心部硬度,增大其表面至心部的硬度梯度;适当降低国产刀圈的表面残余应力。
【学位单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：U455.3

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本文编号：2811688