Inserti in carburo di tungsteno TBM: guida alla selezione, alle prestazioni e al fornitore

Nel progetto di un tunnel in roccia dura, la testa fresante della TBM è l'unico contatto tra la macchina e il terreno. Centinaia di inserti in carburo di tungsteno scorrono su quella testa di taglio in qualsiasi momento. Ognuno di essi è responsabile della rottura della roccia, del trasporto di carichi e della sopravvivenza in un ambiente che comprende polvere, acqua, vibrazioni e granelli minerali duri. Se un inserto si guasta prematuramente, la testa di taglio si ferma, il tunnel perde ore e una squadra si arrampica in uno spazio ristretto per sostituirlo. La conseguenza non è solo il costo dell'inserto; è il costo della macchina ferma. Ecco perché la scelta di un inserto in metallo duro per TBM è una decisione di progetto e non un ordine di pezzi di ricambio.

Perché il carburo di tungsteno è lo standard per gli inserti TBM

Il motivo fondamentale è materiale. Il carburo di tungsteno, o carburo cementato, è un composito costituito da particelle di carburo di tungsteno legate insieme da una matrice metallica di cobalto. Le particelle di metallo duro conferiscono al materiale la sua straordinaria durezza. Il legante al cobalto gli conferisce la resistenza necessaria per sopravvivere agli urti. Gli inserti TBM funzionano contro la roccia che può contenere quarzo, che è più duro di quasi tutti i materiali tecnici. Durante il normale funzionamento, l'inserto è sottoposto a carichi di compressione elevati e carichi puntuali improvvisi provenienti da pareti rocciose irregolari. Un materiale troppo duro si scheggia. Un materiale troppo morbido si usurerà rapidamente. Il carburo di tungsteno fornisce un equilibrio che nessun altro materiale pratico eguaglia.

Il materiale può essere messo a punto entro certi limiti. Il contenuto di cobalto varia solitamente dal 6% al 13% circa e la dimensione del grano di carburo di tungsteno può essere fine, media o grossolana. Una grana più fine generalmente conferisce una maggiore durezza e una migliore ritenzione del tagliente. Una grana più grossa conferisce migliore tenacità e resistenza agli shock termici. Per gli inserti TBM, la condizione operativa è normalmente abrasiva e sottoposta a carichi d'urto, quindi è tipica una qualità più bilanciata. I valori di durezza per questi gradi rientrano comunemente nell'intervallo HRA da 86 a 92. Un grado specifico dovrebbe essere selezionato solo dopo aver conosciuto le condizioni della roccia.

In pratica, ciò significa che lo stesso inserto che funziona senza problemi in un tunnel di argilla morbida e sabbia, può avere una vita molto breve in un tunnel di granito duro. Una qualità adatta al granito potrebbe essere troppo fragile per un terreno molto fratturato. I dati di input che contano sono il tipo di roccia, la resistenza alla compressione uniassiale e il contenuto di quarzo. In sintesi: la qualità del materiale è il punto di partenza per la selezione dell'inserto e deve corrispondere al terreno, non alla macchina.

Inserisci geometria: più di un bordo tagliente

Gli inserti TBM sono spesso raffigurati come denti affilati, ma in realtà funzionano più come raschiatori e frantoi. La geometria dell'inserto determina il modo in cui il carico viene trasferito alla roccia, come l'inserto si usura e quanta forza è necessaria per penetrare.

Le principali caratteristiche della geometria sono la forma del naso, l'angolo del naso, la rastremazione del corpo e la sezione di montaggio. Una punta conica è comune ed è efficace per penetrare nella roccia. Una punta sferica o smussata allarga l'area di contatto, riduce il rischio di scheggiatura e talvolta è preferita per rocce molto dure o massicce. In alcuni progetti è possibile utilizzare una punta a forma di scalpello per creare una rottura lineare. Non esiste un’unica geometria migliore. La scelta dipende dalla roccia prevista e dal design della testa fresante.

Oltre alla forma della punta, l'inserto deve essere tenuto saldamente nel supporto. Un inserto allentato vibra, crea una fessura nel supporto e si usura prematuramente. Il corpo dell'inserto è spesso realizzato con un diametro leggermente più grande del foro o della fessura in modo che possa essere pressato o brasato in posizione. Questo adattamento è uno dei motivi per cui le tolleranze del lavoro di lavorazione sono importanti. Anche il grado corretto non può compensare un adattamento inadeguato.

Una buona comprensione della geometria degli inserti aiuta inoltre il team del tunnel a riconoscere perché alcuni inserti si usurano secondo uno schema a forma di cono e perché altri sviluppano una forma piatta. Il modello di usura spesso fornisce informazioni sull'angolo di contatto. Questa conoscenza è utile per regolare i parametri della testa di taglio o cambiare il tipo di inserto.

Per una panoramica di come la progettazione degli inserti della TBM influisce sulle prestazioni, è possibile fare riferimento a questo articolo inserti in carburo di tungsteno per alesatrici di tunnel .

Fattori di selezione per gli inserti TBM

Selezionando il diritto Inserto TBM non è una decisione una tantum. Si tratta di un processo iterativo che inizia con i dati geologici del tunnel e continua attraverso i test sulla testa fresante. La tabella seguente elenca i fattori di selezione più importanti.

Questo è un luogo in cui un fornitore può aggiungere valore. Un produttore professionista non etichetterà semplicemente un inserto come "duro" o "per il rock". Chiederanno il rapporto geologico, le specifiche della testa di taglio e la dimensione dell'inserto richiesta. Possono confrontare la qualità e la geometria selezionate con i dati prestazionali tipici. Questo dialogo è particolarmente importante quando il tunnel attraversa diverse zone geologiche. Un inserto di roccia dura può funzionare per la maggior parte del percorso, ma una sezione più morbida o una zona di faglia possono creare rapidi cambiamenti.

Una pratica comune è quella di testare uno o due modelli di inserti all'inizio di un progetto. Il periodo di osservazione non deve essere lungo. Se gli inserti presentano forti scheggiature, la qualità è troppo dura o la geometria troppo appuntita. Se gli inserti si consumano velocemente ma la roccia non è particolarmente abrasiva, la qualità è troppo tenera oppure i parametri della testa portafresa sono errati. Questi test rivelano come si comporta la roccia reale sotto la macchina, il che è sempre migliore di un'ipotesi di laboratorio.

Qualità della produzione e problema della coerenza

La qualità e la geometria sono la parte visibile della selezione dell'inserto. La parte invisibile è la coerenza della produzione. Il carburo di tungsteno è prodotto dalla polvere. Se la polvere è scarsamente miscelata, se la distribuzione granulometrica varia o se il processo di sinterizzazione non è controllato, gli inserti di un lotto potrebbero comportarsi in modo diverso da un altro. In un tunnel, questa incoerenza è molto difficile da accettare perché la testa di taglio trasporta molti inserti contemporaneamente. Se un inserto su cento si usura rapidamente, può creare un'area locale sul fronte del tunnel che non è completamente tagliata, lasciando un grosso pezzo di roccia che deve essere rotto dalla fresa vicina.

La produzione di un inserto TBM affidabile richiede una linea di produzione integrata. Nel nostro stabilimento di Changzhou, in Cina, iniziamo con la pressatura della polvere di carburo di tungsteno utilizzando presse TPA. Questo metodo utilizza un profilo di pressione controllato per creare un corpo verde con forma e densità coerenti. Il corpo verde viene poi sinterizzato in forni di sinterizzazione a bassa pressione. La sinterizzazione a bassa pressione riduce la porosità residua finale e produce una struttura più fine e densa. Una struttura densa con pochi pori è direttamente collegata ad una migliore resistenza all'usura e ad un minor rischio di frattura.

Dopo la sinterizzazione, gli inserti vengono rettificati fino alle dimensioni finali e alla finitura superficiale. La rettifica di precisione viene eseguita su affilatrici per utensili CNC a cinque assi e la geometria dell'utensile viene verificata con apparecchiature di presetting utensili digitali. Per gli utensili tondi e altri componenti di precisione, la nostra produzione segue uno standard di produzione tedesco riconosciuto. Questo sistema ci fornisce un punto di riferimento per tolleranze e durata dell'utensile. Gli strumenti di controllo fanno parte del processo; non vengono rimossi dall'ambiente produttivo e utilizzati solo per i controlli finali. Vengono utilizzati anche per controllare l'operazione di rettifica della macchina.

L'azienda è certificata ISO9001 e ISO14001. Queste certificazioni indicano che il sistema di produzione è sottoposto a audit e che sono in atto processi di gestione ambientale e di qualità. Per un progetto di tunnel, questo livello di controllo supporta un obiettivo semplice ma importante: gli inserti che arrivano al sito dovrebbero comportarsi in modo coerente con gli inserti testati.

Vita e costi dell'inserimento nel mondo reale

Il costo di un inserto TBM è ridotto rispetto al costo dei tempi di inattività del tunnel. Questo è il motivo per cui la selezione degli inserti deve essere vista come un fattore di produttività e non solo come una voce di acquisto.

Un inserto non accoppiato correttamente può anche creare problemi di geometria. Se un inserto si usura in modo non uniforme, il disco della taglierina potrebbe smettere di ruotare e tagliare un bordo piatto nella roccia. Ciò aumenta la resistenza al taglio dell'intera testa di taglio. Gli appaltatori del tunneling sanno che il costo di un arresto imprevisto della testa di taglio non è solo la manodopera o le nuove parti; è anche la perdita di produzione e il rischio per la pianificazione.

Una pratica efficace è quella di monitorare la durata dell'inserto per zona del tunnel, in metri di avanzamento. Ciò crea una semplice curva di prestazione che può essere confrontata con il tipo di roccia. Quando l'inserto raggiunge la fine della sua vita utile, è possibile effettuare una sostituzione pianificata in un luogo sicuro. Il materiale utilizzato nell'inserto, la sua geometria e la qualità della produzione contribuiscono tutti a questo piano.

La relazione tra scelta dell'inserto, condizioni della roccia e prestazioni della testa di taglio è trattata in modo più approfondito nel nostro articolo su perché gli inserti in carburo di tungsteno per TBM sono fondamentali per le costruzioni sotterranee .

L'inserto in carburo di tungsteno della TBM è un piccolo componente con un'enorme influenza sull'avanzamento del tunnel. Il materiale deve essere resistente all'abrasione. La geometria deve corrispondere alla roccia. La qualità deve corrispondere alla testa di taglio effettiva. E la produzione deve produrre parti coerenti. Quando questi fattori si adattano, l'inserto funziona come progettato per una distanza prevedibile. Quando un fattore è sbagliato, è la macchina a soffrirne. Gli acquirenti e gli ingegneri di tunneling dovrebbero considerare la selezione degli inserti come una negoziazione tecnica: raccogliere i dati geologici, discutere il progetto della testa di taglio e richiedere un fornitore in grado di controllare l'intero processo di produzione. I giorni in cui la testa di taglio rimane abbassata sono più costosi dell'inserto stesso.