CN116738586A - 一种兼具低阻力和内强外硬特性的翻转犁犁尖的建模及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种兼具低阻力和内强外硬特性的翻转犁犁尖的建模及制造方法，通过对犁尖曲面进行参数优化、三维建模及数值仿真分析，确定了具备最低工作阻力的铧刃角λ0、铧面角ε、土迹线与铧刃夹角η和起土角θ参数，并对犁尖基材进行成分优化设计和模锻‑机加工‑渗碳‑淬火‑回火处理，获得了兼具低运行阻力、芯部高强韧性及表层高耐磨性特性的新型翻转犁犁尖，能够有效解决犁尖在服役过程中因长期承受来自土壤、砂石及根块的高速冲击和磨损而易出现磨损失效和阻力增大的问题，可望在农机触土部件制造领域得到广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种兼具低阻力和内强外硬特性的翻转犁犁尖的建模及制造方法。
背景技术
耕地是农业种植中最基本的作业环节。主犁体作为高速翻转犁的核心部件，其主要由犁尖、犁铲、胸板和栅条组成。其中，犁尖部件主要起破土作用，其在服役过程中因长期承受来自土壤、砂石及根块的高速冲击和磨损而易出现磨损和断裂失效情况。此外，由于现有翻转犁入土部件的曲面参数与运行速度无法形成良好的匹配，导致犁体运行阻力增大，进一步导致犁尖磨损过程加快及拖拉机能耗增大。因此，设计和研发一种兼具低运行阻力、高强韧性和高耐磨性能的翻转犁犁尖已经成为加快翻转犁行业高质量发展亟待解决的问题之一。
为了解决上述问题，现有翻转犁主要采用传统的犁体曲面参数优化方法来减小犁体的运行阻力，并在犁尖局部区域堆焊硬质合金层来实现对犁尖材料的保护。其中，犁体曲面的参数优化普遍采用经验设计法、半经验设计法(几何形成线图解法和解析法)和基于犁耕工艺过程的犁体曲面设计法，这些方法虽然能有效进行犁体曲面局部运动过程的定性定量分析，但是这些方法忽略了土壤参数及土壤与犁体之间交互作用参数，对分析犁体运行阻力负面影响很大，必须依靠先进的模拟计算手段才能使计算结果更接近实际，设计方法才会更有效。针对解决犁尖材料耐磨性不足的问题，翻转犁生产普遍采用等离子熔覆、等离子堆焊及氩弧熔覆等技术手段，在犁尖尖端部位堆焊Fe基、Ni基及Fe-Ni基等高硬度复合涂层。然而，受限于翻转犁犁尖的结构设计，若对犁尖仅采用堆焊硬质合金层方法来增强其耐磨性，则只适用于犁尖尖端的小部分区域，这将导致犁尖未堆焊硬质合金层部分在高速服役环境中仍易快速磨损，难以满足犁尖整体高耐磨性和高服役寿命的需求。综上，现有技术的方法无法满足现有翻转犁犁尖在高速服役环境下的低运行阻力和高耐磨性性能需求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种兼具低阻力和内强外硬特性的翻转犁犁尖的建模及制造方法。该方法改变了传统犁尖的性能强化方式，综合采用了犁尖曲面参数优化方法、犁尖材料成分改进方法和制造工艺改进方法。
首先，本发明通过结合数学建模-三维软件建模-离散元仿真分析方法确定了具备最低工作阻力的铧刃角λ0、铧面角ε、土迹线与铧刃夹角η和起土角θ参数。与传统犁体曲面优化方法相比，引入三维建模和离散元仿真分析方法充分考虑了更多影响犁体运行过程的因素，可以大幅度提高优化结果的可行性。
第二，本发明通过在现有翻转犁犁尖用34MnCrB5钢的成分设计中引入适量Nb、V和Ni元素，获得了晶粒细小且组织均匀的新型34MnCrB5-M钢。Nb和V元素的复合添加可以细化晶粒，提高钢材的强度和韧性，减小过热敏感性，提高热稳定性。Ni元素可以有效降低34MnCrB5-M钢的韧脆转变温度，提高犁尖部件在低温条件的服役稳定性。
在此基础上，本发明对新型34MnCrB5-M犁尖的制造工艺进行了改进，通过新引入渗碳工艺(模锻-退火-机加工-渗碳-淬火-回火-喷丸-喷塑)获得了表层硬度和耐磨性显著提升，同时芯部仍保持良好的强韧性匹配的新型34MnCrB5-M犁尖。众所周知，提高钢材C含量是提升其硬度的高性价比方法。然而，增大钢中C含量也会导致其热处理后的韧性显著降低，这将会导致犁尖在作业过程中易受砂石撞击而断裂失效。值得注意的是，本发明中使用的渗碳工艺可以有效避免这一问题。通过使用渗碳工艺可以在新型34MnCrB5-M犁尖表面获得一层厚度约为2.5mm的高硬度高耐磨渗碳层，同时芯部材料仍保持基材成分不变，可以确保犁尖基材具备良好的强韧性匹配性能来抵抗砂石的冲击作用。
综上，上述技术方法有效地保证了新型34MnCrB5-M犁尖能承受土壤和石块的高速冲击而不易失效，同时还能通过降低犁体运行阻力达到降低能耗的目的。本发明中所使用的技术方法还具备可行度高、易推广和成本低的特点，可望在农业机械制造及矿山机械制造等领域得到广泛应用。
本发明涉及高耐磨农机触土部件制造领域，并提供了一种兼具低阻力和内强外硬特性的翻转犁犁尖的建模及制造方法。通过该方法制备的犁尖能够有效解决现有的翻转犁犁尖在作业过程中时存在的强韧性匹配不足、耐磨性低及能耗过高的问题，可望在农机触土部件的制造领域得到广泛应用。
附图说明
图1显示了根据本发明的一个实施例的制备方法流程图；
图2显示了根据实施例1制备的犁尖部件的渗碳层碳含量沿厚度方向变化曲线；
图3显示了根据实施例1制备的犁尖部件的显微组织照片；
图4显示了根据实施例1制备的犁尖部件的X射线衍射图谱；
图5显示了根据实施例1制备的犁尖部件的力学性能和耐磨性能测试结果；
图6显示了根据实施例1制备的犁尖部件与现有犁尖部件的力学性能对比；
图7显示了根据实施例2制备的犁尖部件的渗碳层碳含量沿厚度方向变化曲线；
图8显示了根据实施例2制备的犁尖部件的显微组织照片；
图9显示了根据实施例2制备的犁尖部件的X射线衍射图谱；
图10显示了根据实施例2制备的犁尖部件的力学性能和耐磨性能测试结果；
图11显示了根据实施例2制备的犁尖部件与现有犁尖部件的力学性能对比；
图12显示了根据实施例3制备的犁尖部件的渗碳层碳含量沿厚度方向变化曲线；
图13显示了根据实施例3制备的犁尖部件的显微组织照片；
图14显示了根据实施例3制备的犁尖部件的X射线衍射图谱；
图15显示了根据实施例3制备的犁尖部件的力学性能和耐磨性能测试结果；
图16显示了根据实施例3制备的犁尖部件与现有犁尖部件的力学性能对比。
具体实施方式
根据本发明，为了解决堆敷硬质合金层法和传统犁体曲面优化法并不能有效改善犁尖的整体耐磨性不足及运行阻力较大的问题。本发明提供了一种兼具低阻力和内强外硬特性的翻转犁犁尖的建模及制造方法。
首先，本发明通过结合数学建模-三维软件建模-离散元仿真分析方法确定了具备最低工作阻力的铧刃角λ0、铧面角ε、土迹线与铧刃夹角η和起土角θ参数。与传统犁体曲面优化方法相比，引入三维建模和离散元仿真分析方法充分考虑了更多影响犁体运行过程的因素，可以大幅度提高优化结果的可行性。
第二，本发明通过在现有翻转犁犁尖用34MnCrB5钢的成分设计中引入适量Nb、V和Ni元素，获得了晶粒细小且组织均匀的新型34MnCrB5-M钢。Nb和V元素的复合添加可以细化晶粒，提高钢材的强度和韧性，减小过热敏感性，提高热稳定性。Ni元素可以有效降低34MnCrB5-M钢的韧脆转变温度，提高犁尖部件在低温条件的服役稳定性。
在此基础上，本发明对新型34MnCrB5-M犁尖的制造工艺进行了改进，通过新引入渗碳工艺(模锻-退火-机加工-渗碳-淬火-回火-喷丸-喷塑)获得了表层硬度和耐磨性显著提升，同时芯部仍保持良好的强韧性匹配的新型34MnCrB5-M犁尖。上述技术方法有效地保证了新型34MnCrB5-M犁尖能承受土壤和石块的高速冲击而不易失效，同时还能通过降低犁体运行阻力达到降低能耗的目的。可望为改善农机触土部件的耐磨性提供可行的技术方案。
根据本发明的一个实施例的翻转犁犁尖制造方法包括：
步骤1：确定基本参数。如式1所示，采用参数选择法建立铧刃角λ0与土壤内摩擦角φt的关系，土壤内摩擦角φt通常小于4°。因此，铧刃角λ0的取值范围为40°-45°。
进一步建立土迹线与铧刃夹角η与铧面角ε和起土角θ之间的关系，如式2所示。通常，对于犁体曲面参数优化而言，为了保证犁体曲面整体的可靠性，土迹线与铧刃夹角η一般设置为16°-24°，铧面角ε一般设置为30°-40°。因此，起土角θ的取值范围为18°-30°。
tanη＝tanθ cos ε (2)
步骤2：建立三维模型。依据步骤1中确定的铧刃角λ0、铧面角ε、土迹线与铧刃夹角η和起土角θ参数，利用UG软件中的曲线构造命令生成主要曲面，然后进行曲面的修剪、连接、光顺、编辑等完成整体构造，并导出.stl模型文件。
步骤3：EDEM离散元仿真前期准备。设置犁体材料属性：犁体材料密度为7800kg/m3,剪切模量为7.0×1010Pa，泊松比为0.3；设置土壤属性：土壤密度为2600kg/m3，剪切模量为2.5×107Pa，泊松比为0.5，土壤颗粒半径为2mm；设置土壤颗粒和犁体入土部件之间的交互作用参数：土壤颗粒之间的静摩擦因素为0.40，土壤颗粒之间的动摩擦因素为0.32，土壤颗粒之间的碰撞恢复系数为0.11，土壤颗粒与犁体之间的静摩擦因素为0.30，土壤颗粒与犁体之间的动摩擦因素为0.22，土壤颗粒与犁体之间的碰撞恢复系数为0.18；创建颗粒工厂，用来生成土壤颗粒。
步骤4：模拟仿真。模拟仿真。将步骤2中的.stl模型文件导入EDEM软件，设定犁体部件运行速度为3.6-3.8m/s，前进方向为X轴方向；进入到仿真设置，设置时间步长和仿真时间共10s，设置Cell-Size为2.5Rmin；启动模拟，通过模拟得到犁体部件的平均阻力值。
步骤5：制备新型34MnCrB5-M钢。在现有34MnCrB5钢的成分设计基础上，添加质量分数为0.1-0.3％的Nb和0.1-0.3％的V元素，并采用中频感应熔炼炉熔炼合金，并浇铸成尺寸为的铸锭；将铸锭加热至920℃-960℃，保温1.0h-1.2h，出炉后经过一次初轧和二次精轧后形成尺寸为/>的34MnCrB5-M棒材；将棒材剪切成长度为340mm-360mm的犁尖坯料。
表1新型34MnCrB5-M钢与现有33MnCrB5钢的化学成分对比(质量分数，％)
步骤6：犁尖坯料模锻-退火处理。将步骤5中的34MnCrB5-M钢坯置于加热炉中加热至900℃-950℃，保温1h-2h后出炉转入模锻机中，模锻完成后在空气中冷却至室温；将模锻后的坯料转入退火炉中加热至600℃-650℃保温1-2h后随炉冷却至室温；在犁尖尖端背部堆焊硬质合金层。
步骤7：犁尖机加工。依据步骤2中的犁尖部件的三维模型数据，按照图纸要求并采用数控机床对犁尖进行精加工。
步骤8：犁尖渗碳-淬火-回火处理。将步骤7中的犁尖置于气体渗碳炉中，渗碳温度设置为910℃-930℃，时间为9h-10h，碳势为1.0％-1.2％；渗碳完成后将犁尖转入温度为45℃-55℃的淬火油中淬火；淬火完成后将犁尖转入温度为180℃-200℃回火炉中保温1.8h-2.0h，然后空冷至室温。最后进行喷丸和喷塑处理。
本发明的优点包括：
本发明提供了一种兼具低阻力和内强外硬特性的翻转犁犁尖的建模及制造方法，这种方法改变了传统犁尖单一的性能强化方式，综合采用了犁尖曲面参数优化方法、犁尖材料成分改进方法和制造工艺改进方法，该方法具备如下优点：
(1)本发明在传统数学计算和三维建模相结合的犁体曲面优化方法的基础上，引入了EDEM离散元仿真分析手段对翻转犁犁尖部件的设计参数进行了合理优化，充分考虑了土壤环境及犁体与土壤的接触环境等参数，有效地降低了犁体运行阻力和犁尖部件的磨损量以及拖拉机的油耗。
(2)本发明对34MnCrB5钢的成分设计进行改进，通过复合添加质量分数为0.1-0.3％Nb、0.1-0.3％V及0.1-0.3％Ni元素得到新型34MnCrB5-M钢。Nb和V作为强碳化物形成元素，在钢中大部分以细小且弥散分布的碳化物形式存在，可以有效地细化34MnCrB5-M钢的晶粒，即可提高钢材的强度，又能提高钢材的韧性。Ni元素可以有效降低34MnCrB5-M钢的韧淬转变温度，提高犁尖部件在低温条件的服役稳定性。同时，Nb、V和Ni元素绿色环保、价格便宜，是改善钢材性能的高性价比手段之一。
(3)本发明所采用的渗碳-淬火-回火热处理工艺产业化技术成熟，且成本较其他表面强化技术(如等离子喷涂和表面重熔等)低。通过渗碳-淬火-回火处理后的犁尖具备“外硬内韧”性能特性，有效地保证了新型犁尖能承受土壤和石块的高速冲击而不易失效。因此本发明所采用的热处理工艺不仅性价比较高，而且还可推广至矿山机械用耐磨零部件的制造领域，具有广阔的应用前景。
综上所述，本发明提供的一种兼具低阻力和内强外硬特性的翻转犁犁尖的建模及制造方法不仅能够有效地解决现有翻转犁犁尖在作业过程中存在的耐磨性不足和阻力较大的问题，还兼具性价比高和易推广的特点，在农业机械制造及矿产机械制造等领域具有重要而广阔的应用前景。
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，以下通过实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明的可实施范围不限于以下实施例。
实施例1：
操作步骤包括：
(1)犁尖的设计及制造，包括：
步骤1：建立数学模型。如式3所示，采用参数选择法建立铧刃角λ0与土壤内摩擦角φt的关系，土壤内摩擦角φt通常小于4°。因此，铧刃角λ0的取值范围为40°-45°，本实施例将铧刃角λ0的取值为40°。
进一步建立土迹线与铧刃夹角η与铧面角ε和起土角θ之间的关系，如式4所示。通常，对于犁体曲面参数优化而言，为了保证犁体曲面整体的可靠性，在本实施例中，土迹线与铧刃夹角η设置为16°，铧面角ε设置为30°。因此，起土角θ的取值为18°。
tanη＝tanθcos (4)
步骤2：建立三维模型。依据步骤1中的铧刃角λ0、铧面角ε、土迹线与铧刃夹角η和起土角θ参数，利用UG软件中的曲线构造命令生成主要曲面，然后进行曲面的修剪、连接、光顺、编辑等完成整体构造，并导出.stl模型文件。
步骤3：EDEM离散元仿真前期准备。设置犁体材料属性：犁体材料密度为7800kg/m3,剪切模量为7.0×1010Pa，泊松比为0.3；设置土壤属性：土壤密度为2600kg/m3，剪切模量为2.5×107Pa，泊松比为0.5，土壤颗粒半径为2mm；设置土壤颗粒和犁体入土部件之间的交互作用参数：土壤颗粒之间的静摩擦因素为0.40，土壤颗粒之间的动摩擦因素为0.32，土壤颗粒之间的碰撞恢复系数为0.11，土壤颗粒与犁体之间的静摩擦因素为0.30，土壤颗粒与犁体之间的动摩擦因素为0.22，土壤颗粒与犁体之间的碰撞恢复系数为0.18；创建颗粒工厂，用来生成土壤颗粒。
步骤4：模拟仿真。将步骤2中的.stl模型文件导入EDEM软件，设定犁体部件运行速度为3.6m/s，前进方向为X轴方向；进入到仿真设置，设置时间步长和仿真时间共10s，设置Cell-Size为2.5Rmin；启动模拟，模拟完成后得到犁体部件的平均阻力值为5.63kN。
步骤5：制备新型34MnCrB5-M钢。在现有34MnCrB5钢的成分设计基础上，添加质量分数为0.1％Nb、0.1％V和0.1％Ni元素，并采用中频感应熔炼炉熔炼合金，并浇铸成尺寸为的铸锭；将铸锭加热至920℃，保温1.0h，出炉后经过一次初轧和二次精轧后形成尺寸为/>的34MnCrB5-M棒材；将棒材剪切成长度为340mm的犁尖坯料。
表2新型34MnCrB5-M钢与现有33MnCrB5钢的化学成分对比(质量分数，％)
步骤6：犁尖坯料模锻-退火处理。将步骤5中的34MnCrB5-M钢坯置于加热炉中加热至900℃，保温1.0h后出炉转入模锻机中，模锻完成后在空气中冷却至室温；将模锻后的坯料转入退火炉中加热至600℃保温1.0h后随炉冷却至室温；在犁尖尖端背部堆焊硬质合金层。
步骤7：犁尖机加工。依据步骤2中犁尖部件的三维模型数据，按照图纸要求并采用数控机床对犁尖进行精加工。
步骤8：犁尖渗碳-淬火-回火处理。将步骤7中的犁尖置于气体渗碳炉中，渗碳温度设置为910℃，时间为9.0h，碳势为1.0％；渗碳完成后将犁尖转入温度为45℃的淬火油中淬火；淬火完成后将犁尖转入温度为180℃回火炉中保温1.8h，然后空冷至室温。最后进行喷丸和喷塑处理。
(2)合金检测
利用SPECTRO直读光谱仪测试了新型33MnCrB5-M犁尖渗碳层的碳含量沿厚度方向的变化情况，测试结果如图2所示。可以看到，本实施例中的新型33MnCrB5-M犁尖渗碳层的碳含量随距表层距离的增加先减小后趋于不变，近表层最大碳含量为0.70wt.％，芯部碳含量为0.34wt.％。
利用FEI Nova Nano450场发射扫描电子显微镜和Leica光学显微镜观察了新型33MnCrB5-M犁尖表层的显微组织，试验前依次对样品进行镶嵌、打磨和抛光处理。图3为本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖表层组织的OM像(图3a)和SEM像(图3b)。可以看到，33MnCrB5-M犁尖的表层由针状马氏体+残余奥氏体+碳化物组成，针状马氏体尺寸细小且分布均匀，其平均长度约为5.4μm。
采用X射线衍射技术(XRD)分析了新型33MnCrB5-M犁尖的表层材料的相组成，X射线衍射使用日本理学-Smartlab XRD仪测试，靶材选用Co靶，扫描速度为4°/min，扫描角度为40°-120°。图4示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖表层材料的相组成。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖表层材料主要由α相和γ相组成。
在Instron-8801型拉伸试验机上对新型33MnCrB5-M犁尖进行了室温拉伸试验，所用拉伸试样是从犁尖芯部沿长度方向切割下来的标准“狗骨头状”试样，其标距为25mm，试验前需要将拉伸试样的表面和截面进行打磨以去除氧化皮和切割痕，试验过程中通过电子引伸计测量拉伸过程中试样的应变值，应变速率为1×10-3s-1。图5示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖在拉伸过程中的应力-应变曲线。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖的屈服强度为1347MPa，抗拉强度为1814MPa。这表明新型33MnCrB5-M犁尖实现了高屈服强度和高抗拉强度。
使用FR-3E数显洛氏硬度计上对新型33MnCrB5-M犁尖的表面进行了硬度试验，加载力设置为1470N；保压时间10s，每个试样测试5次取平均值。图5示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖材料的表面硬度测试结果。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖材料表面硬度为59.7HRC，这有利于提高犁尖表面的耐磨性能。
在室温条件下，采用MFT-R4000型高速往复式摩擦磨损试验仪测试新型33MnCrB5-M犁尖表层的耐磨性，摩擦副选用尺寸为的ZrO陶瓷球，加载力为20N，行程为8mm，时间为0.5h，并使用高精度天平(精度为万分之一)称量摩擦磨损试验结束后的试样的失重量作为磨损量。图5示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖的表面磨损量测试结果。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖的表面磨损量为0.8mg，这与犁尖表面的高硬度密切相关。
采用NI300型冲击试验机对新型33MnCrB5-M犁尖进行了冲击室温试验，所用冲击试样是从犁尖芯部沿长度方向切割下来的标准夏比V型缺口试样，其规格为55×10×10mm。图5示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖芯部材料的冲击试验测试结果。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖芯部材料的冲击吸收功为57.3J，这表明新型33MnCrB5-M犁尖芯部实现了高韧性。
通过以上测试和表征，可以发现本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖在保持芯部良好的强韧性匹配的同时，其表面还具备高硬度和高耐磨性。此外，经优化曲面设计参数后的新型33MnCrB5-M犁尖还具备低阻力特性，可望在农业机械及先进工业等领域获得重要应用。
本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖与现有犁尖的力学性能参数对比如图6所示。由图6可知，与现有犁尖相比，本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖不仅在屈服强度(图6a)、抗拉强度(图6b)、硬度(图6c)、耐磨性(图6d)和韧性(图6e)方面均显著偏高，其作业时的运行阻力(图6f)也有所降低。
实施例2：
操作步骤包括：
(1)犁尖的设计及制造，包括：
步骤1：建立数学模型。如式5所示，采用参数选择法建立铧刃角λ0与土壤内摩擦角φt的关系，土壤内摩擦角φt通常小于4°。因此，铧刃角λ0的取值范围为40°-45°，本实施例将铧刃角λ0的取值为42.5°。
进一步建立土迹线与铧刃夹角η与铧面角ε和起土角θ之间的关系，如式6所示。通常，对于犁体曲面参数优化而言，为了保证犁体曲面整体的可靠性，在本实施例中，土迹线与铧刃夹角η设置为20°，铧面角ε设置为35°。因此，起土角θ的取值为24°。
tanη＝tanθcosε (6)
步骤2：建立三维模型。依据步骤1中的铧刃角λ0、铧面角ε、土迹线与铧刃夹角η和起土角θ参数，利用UG软件中的曲线构造命令生成主要曲面，然后进行曲面的修剪、连接、光顺、编辑等完成整体构造，并导出.stl模型文件。
步骤3：EDEM离散元仿真前期准备。设置犁体材料属性：犁体材料密度为7800kg/m3,剪切模量为7.0×1010Pa，泊松比为0.3；设置土壤属性：土壤密度为2600kg/m3，剪切模量为2.5×107Pa，泊松比为0.5，土壤颗粒半径为2mm；设置土壤颗粒和犁体入土部件之间的交互作用参数：土壤颗粒之间的静摩擦因素为0.40，土壤颗粒之间的动摩擦因素为0.32，土壤颗粒之间的碰撞恢复系数为0.11，土壤颗粒与犁体之间的静摩擦因素为0.30，土壤颗粒与犁体之间的动摩擦因素为0.22，土壤颗粒与犁体之间的碰撞恢复系数为0.18；创建颗粒工厂，用来生成土壤颗粒。
步骤4：模拟仿真。模拟仿真。模拟仿真。将步骤2中的.stl模型文件导入EDEM软件，设定犁体部件运行速度为3.7m/s，前进方向为X轴方向；进入到仿真设置，设置时间步长和仿真时间共10s，设置Cell-Size为2.5Rmin；启动模拟，模拟完成后得到犁体部件的平均阻力值为5.03kN。
步骤5：制备新型34MnCrB5-M钢。在现有34MnCrB5钢的成分设计基础上，添加质量分数为0.2％Nb、0.2％V和0.2％Ni元素，并采用中频感应熔炼炉熔炼合金，并浇铸成尺寸为的铸锭；将铸锭加热至940℃，保温1.1h，出炉后经过一次初轧和二次精轧后形成尺寸为/>的34MnCrB5-M棒材；将棒材剪切成长度为350mm的犁尖坯料。
表3新型34MnCrB5-M钢与现有33MnCrB5钢的化学成分对比(质量分数，％)
步骤6：犁尖坯料模锻-退火处理。将步骤5中的34MnCrB5-M钢坯置于加热炉中加热至925℃，保温1.5h后出炉转入模锻机中，模锻完成后在空气中冷却至室温；将模锻后的坯料转入退火炉中加热至625℃保温1.5h后随炉冷却至室温；在犁尖尖端背部堆焊硬质合金层。
步骤7：犁尖机加工。依据步骤2中犁尖部件的三维模型数据，按照图纸要求并采用数控机床对犁尖进行精加工。
步骤8：犁尖渗碳-淬火-回火处理。将步骤7中的犁尖坯料置于气体渗碳炉中，渗碳温度设置为920℃，时间为9.5h，碳势为1.1％；渗碳完成后将犁尖转入温度为50℃的淬火油中淬火；淬火完成后将犁尖转入温度为190℃回火炉中保温1.9h，然后空冷至室温。最后进行喷丸和喷塑处理。
(2)合金检测
利用SPECTRO直读光谱仪测试了新型33MnCrB5-M犁尖渗碳层的碳含量沿厚度方向的变化情况，测试结果如图7所示。可以看到，本实施例中的新型33MnCrB5-M犁尖渗碳层的碳含量随距表层距离的增加先减小后趋于不变，近表层最大碳含量为0.73wt.％，芯部碳含量为0.34wt.％。
利用FEI Nova Nano450场发射扫描电子显微镜和Leica光学显微镜观察了新型33MnCrB5-M犁尖表层的显微组织，试验前依次对样品进行镶嵌、打磨和抛光处理。图8为本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖表层组织的OM像(图8a)和SEM像(图8b)。可以看到，33MnCrB5-M犁尖的表层由针状马氏体+残余奥氏体+碳化物组成，针状马氏体尺寸细小且分布均匀，其平均长度约为5.0μm。
采用X射线衍射技术(XRD)分析了新型33MnCrB5-M犁尖的表层材料的相组成，X射线衍射使用日本理学-Smartlab XRD仪测试，靶材选用Co靶，扫描速度为4°/min，扫描角度为40°-120°。图9示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖表层材料的相组成。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖表层材料主要由α相和γ相组成。
在Instron-8801型拉伸试验机上对新型33MnCrB5-M犁尖进行了室温拉伸试验，所用拉伸试样是从犁尖芯部沿长度方向切割下来的标准“狗骨头状”试样，其标距为25mm，试验前需要将拉伸试样的表面和截面进行打磨以去除氧化皮和切割痕，试验过程中通过电子引伸计测量拉伸过程中试样的应变值，应变速率为1×10-3s-1。图10示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖在拉伸过程中的应力-应变曲线。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖的屈服强度为1393MPa，抗拉强度为1871MPa。这表明新型33MnCrB5-M犁尖实现了高屈服强度和高抗拉强度。
使用FR-3E数显洛氏硬度计上对新型33MnCrB5-M犁尖的表面进行了硬度试验，加载力设置为1470N；保压时间10s，每个试样测试5次取平均值。图10示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖材料的表面硬度测试结果。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖表面硬度为60.2HRC，这有利于提高犁尖表面的耐磨性能。
在室温条件下，采用MFT-R4000型高速往复式摩擦磨损试验仪测试新型33MnCrB5-M犁尖表层的耐磨性，摩擦副选用尺寸为的ZrO陶瓷球，加载力为20N，行程为8mm，时间为0.5h，并使用高精度天平(精度为万分之一)称量摩擦磨损试验结束后的试样的失重量作为磨损量。图10示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖的表面磨损量测试结果。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖材料的表面磨损量为0.7mg，这与犁尖表面的高硬度密切相关。
采用NI300型冲击试验机对新型33MnCrB5-M犁尖进行了冲击室温，试验，所用冲击试样是从犁尖芯部沿长度方向切割下来的标准夏比V型缺口试样，其规格为55×10×10mm。图10示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖芯部材料的冲击试验测试结果。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖芯部材料的冲击吸收功为58.2J，这表明新型33MnCrB5-M犁尖芯部实现了高韧性。
通过以上测试和表征，可以发现本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖在保持芯部良好的强韧性匹配的同时，其表面还具备高硬度和高耐磨性。此外，经优化设计参数后的新型33MnCrB5-M犁尖还具备低阻力特性，可望在农业机械及先进工业等领域获得重要应用。
本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖与现有犁尖的力学性能参数对比如图11所示。由图11可知，与现有犁尖相比，本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖不仅在屈服强度(图11a)、抗拉强度(图11b)、硬度(图11c)、耐磨性(图11d)和韧性(图11e)方面均显著偏高，其作业时的运行阻力(图11f)也有所降低。
实施例3：
操作步骤包括：
(1)犁尖的设计及制造，包括：
步骤1：建立数学模型。如式7所示，采用参数选择法建立铧刃角λ0与土壤内摩擦角φt的关系，土壤内摩擦角φt通常小于4°。因此，铧刃角λ0的取值范围为40°-45°，本实施例将铧刃角λ0的取值为45°。
进一步建立土迹线与铧刃夹角η与铧面角ε和起土角θ之间的关系，如式8所示。通常，对于犁体曲面参数优化而言，为了保证犁体曲面整体的可靠性，在本实施例中，土迹线与铧刃夹角η设置为24°，铧面角ε设置为40°。因此，起土角θ的取值为30°。
tanη＝tanθcosε (8)
步骤2：建立三维模型。依据步骤1中的铧刃角λ0、铧面角ε、土迹线与铧刃夹角η和起土角θ参数，利用UG软件中的曲线构造命令生成主要曲面，然后进行曲面的修剪、连接、光顺、编辑等完成整体构造，并导出.stl模型文件。
步骤3：EDEM离散元仿真前期准备。设置犁体材料属性：犁体材料密度为7800kg/m3,剪切模量为7.0×1010Pa，泊松比为0.3；设置土壤属性：土壤密度为2600kg/m3，剪切模量为2.5×107Pa，泊松比为0.5，土壤颗粒半径为2mm；设置土壤颗粒和犁体入土部件之间的交互作用参数：土壤颗粒之间的静摩擦因素为0.40，土壤颗粒之间的动摩擦因素为0.32，土壤颗粒之间的碰撞恢复系数为0.11，土壤颗粒与犁体之间的静摩擦因素为0.30，土壤颗粒与犁体之间的动摩擦因素为0.22，土壤颗粒与犁体之间的碰撞恢复系数为0.18；创建颗粒工厂，用来生成土壤颗粒。
步骤4：模拟仿真。模拟仿真。模拟仿真。将步骤2中的.stl模型文件导入EDEM软件，设定犁体部件运行速度为3.8m/s，前进方向为X轴方向；进入到仿真设置，设置时间步长和仿真时间共10s，设置Cell-Size为2.5Rmin；启动模拟，模拟完成后得到犁体部件的平均阻力值为5.53kN。
步骤5：制备新型34MnCrB5-M钢。在现有34MnCrB5钢的成分设计基础上，添加质量分数为0.3％Nb、0.3％V和0.3％Ni元素，并采用中频感应熔炼炉熔炼合金，并浇铸成尺寸为的铸锭；将铸锭加热至960℃，保温1.2h，出炉后经过一次初轧和二次精轧后形成尺寸为/>的34MnCrB5-M棒材；将棒材剪切成长度为360mm的犁尖坯料。
表4新型34MnCrB5-M钢与现有33MnCrB5钢的化学成分对比(质量分数，％)
步骤6：犁尖坯料模锻-退火处理。将步骤5中的34MnCrB5-M钢坯置于加热炉中加热至950℃，保温2.0h后出炉转入模锻机中，模锻完成后在空气中冷却至室温；将模锻后的坯料转入退火炉中加热至650℃保温2.0h后随炉冷却至室温；在犁尖尖端背部堆焊硬质合金层。
步骤7：犁尖机加工。依据步骤2中的犁尖部件的三维模型数据，按照图纸要求并采用数控机床对犁尖进行精加工。
步骤8：犁尖渗碳-淬火-回火处理。将步骤7中的犁尖置于气体渗碳炉中，渗碳温度设置为930℃，时间为10.0h，碳势为1.2％；渗碳完成后将犁尖转入温度为55℃的淬火油中淬火；淬火完成后将犁尖转入温度为200℃回火炉中保温2.0h，然后空冷至室温。最后进行喷丸和喷塑处理。
(2)合金检测
利用SPECTRO直读光谱仪测试了新型33MnCrB5-M犁尖渗碳层的碳含量沿厚度方向的变化情况，测试结果如图12所示。可以看到，本实施例中的新型33MnCrB5-M犁尖渗碳层的碳含量随距表层距离的增加先减小后趋于不变，近表层最大碳含量为0.72wt.％，芯部碳含量为0.34wt.％利用FEI Nova Nano450场发射扫描电子显微镜和Leica光学显微镜观察了新型33MnCrB5-M犁尖表层的显微组织，试验前依次对样品进行镶嵌、打磨和抛光处理。图13为本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖表层组织的OM像(图13a)和SEM像(图13b)。可以看到，33MnCrB5-M犁尖的表层由针状马氏体+残余奥氏体+碳化物组成，针状马氏体尺寸细小且分布均匀，其平均长度约为5.3μm。
采用X射线衍射技术(XRD)分析了新型33MnCrB5-M犁尖的表层材料的相组成，X射线衍射使用日本理学-Smartlab XRD仪测试，靶材选用Co靶，扫描速度为4°/min，扫描角度为40°-120°。图14示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖表层材料的相组成。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖表层材料主要由α相和γ相组成。
在Instron-8801型拉伸试验机上对新型33MnCrB5-M犁尖进行了室温拉伸试验，所用拉伸试样是从犁尖芯部沿长度方向切割下来的标准“狗骨头状”试样，其标距为25mm，试验前需要将拉伸试样的表面和截面进行打磨以去除氧化皮和切割痕，试验过程中通过电子引伸计测量拉伸过程中试样的应变值，应变速率为1×10-3s-1。图15示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖在拉伸过程中的应力-应变曲线。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖材料的屈服强度为1344MPa，抗拉强度为1803MPa。这表明新型33MnCrB5-M犁尖材料实现了高屈服强度和高抗拉强度。
使用FR-3E数显洛氏硬度计上对新型33MnCrB5-M犁尖的表面进行了硬度试验，加载力设置为1470N；保压时间10s，每个试样测试5次取平均值。图15示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖材料的表面硬度测试结果。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖表面硬度为59.1HRC，这有利于提高犁尖表面的耐磨性能。
在室温条件下，采用MFT-R4000型高速往复式摩擦磨损试验仪测试新型33MnCrB5-M犁尖表层的耐磨性，摩擦副选用尺寸为的ZrO陶瓷球，加载力为20N，行程为8mm，时间为0.5h，并使用高精度天平(精度为万分之一)称量摩擦磨损试验结束后的试样的失重量作为磨损量。图15示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖材料的表面磨损量测试结果。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖材料的表面磨损量为0.8mg，这与犁尖表面的高硬度密切相关。
采用NI300型冲击试验机对新型33MnCrB5-M犁尖进行了冲击室温，试验，所用冲击试样是从犁尖芯部沿长度方向切割下来的标准夏比V型缺口试样，其规格为55×10×10mm。图15示出了本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖芯部材料的冲击试验测试结果。可以看到，新型33MnCrB5-M犁尖芯部材料的冲击吸收功为58.0J，这表明新型33MnCrB5-M犁尖芯部实现了高韧性。
通过以上测试和表征，可以发现本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖在保持芯部良好的强韧性匹配的同时，其表面还具备高硬度和高耐磨性。此外，经优化设计参数后的新型33MnCrB5-M犁尖还具备低阻力特性，可望在农业机械及先进工业等领域获得重要应用。本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖与现有犁尖的力学性能参数对比如图16所示。由图16可知，与现有犁尖相比，本实施例的新型33MnCrB5-M犁尖不仅在屈服强度(图16a)、抗拉强度(图16b)、硬度(图16c)、耐磨性(图16d)和韧性(图16e)方面均显著偏高，其作业时的运行阻力(图16f)也有所降低。
Claims (7)
1.一种翻转犁犁尖的建模方法，其特征在于包括：
步骤S1：确定基本参数，包括建立铧刃角λ0与土壤内摩擦角φt的关系为：
进一步建立土迹线与铧刃夹角η与铧面角ε和起土角θ之间的关系为：
tanη＝tanθcosε (2)
步骤S2：建立三维模型，包括：依据步骤S1中确定的铧刃角λ0、铧面角ε、土迹线与铧刃夹角η和起土角θ参数，利用UG软件中的曲线构造命令生成主要曲面，然后进行曲面的修剪、连接、光顺、编辑等完成整体构造，并导出.stl模型文件，
步骤S3：EDEM离散元仿真前期准备，包括设置犁体材料属性为：
犁体材料密度为7800kg/m3,剪切模量为7.0×1010Pa，泊松比为0.3；
设置土壤属性：土壤密度为2600kg/m3，剪切模量为2.5×107Pa，泊松比为0.5，土壤颗粒半径为2mm；
设置土壤颗粒和犁体入土部件之间的交互作用参数：土壤颗粒之间的静摩擦因素为0.40，土壤颗粒之间的动摩擦因素为0.32，土壤颗粒之间的碰撞恢复系数为0.11，土壤颗粒与犁体之间的静摩擦因素为0.30，土壤颗粒与犁体之间的动摩擦因素为0.22，土壤颗粒与犁体之间的碰撞恢复系数为0.18；
步骤S4：进行模拟仿真，包括：
将步骤S2中的.stl模型文件导入EDEM软件，设定犁体部件运行速度为3.6-3.8m/s，前进方向为X轴方向；
进入到仿真设置，设置时间步长和仿真时间共10s，设置Cell-Size为2.5Rmin；
启动模拟，通过模拟得到犁体部件的平均阻力值。
2.根据权利要求1所述的翻转犁犁尖的建模方法，其特征在于：
土壤内摩擦角φt小于4°，铧刃角λ0的取值范围为40°-45°。
3.根据权利要求1所述的翻转犁犁尖的建模方法，其特征在于：
土迹线与铧刃夹角η一般设置为16°-24°，铧面角ε一般设置为30°-40°，因此起土角θ的取值范围为18°-30°。
4.一种兼具低阻力和内强外硬特性的翻转犁犁尖制造方法，其特征在于包括：
步骤S5：制备新型34MnCrB5-M钢，包括：
在现有34MnCrB5钢的成分基础上，添加质量分数为0.1-0.3％的Nb和0.1-0.3％的V元素，形成具有新成分的新型34MnCrB5-M钢，并采用中频感应熔炼炉熔炼合金，并浇铸成尺寸为的铸锭；
将铸锭加热至920℃-960℃，保温1.0h-1.2h，出炉后经过一次初轧和二次精轧后形成尺寸为的34MnCrB5-M棒材；
将棒材剪切成长度为340mm-360mm的犁尖坯料；
步骤S6：犁尖坯料模锻-退火处理，包括：
将步骤S5中的犁尖坯料置于加热炉中加热至900℃-950℃，保温1h-2h后出炉转入模锻机中，模锻完成后在空气中冷却至室温，成为模锻后的犁尖坯料；
将模锻后的犁尖坯料转入退火炉中加热至600℃-650℃保温1h-2h后随炉冷却至室温；
在犁尖坯料尖端的背部堆焊硬质合金层；
步骤S7：犁尖机加工，包括：依据犁尖部件的三维模型数据，按照图纸要求并采用数控机床对犁尖进行精加工，其中所述三维模型数据是采用如下操作确定的：
确定基本参数，包括建立铧刃角λ0与土壤内摩擦角φt的关系为：
进一步建立土迹线与铧刃夹角η与铧面角ε和起土角θ之间的关系为：
tanη＝tanθcosε (2)
建立三维模型，包括：依据步骤S1中确定的铧刃角λ0、铧面角ε、土迹线与铧刃夹角η和起土角θ参数，利用UG软件中的曲线构造命令生成主要曲面，然后进行曲面的修剪、连接、光顺、编辑等完成整体构造，并导出.stl模型文件，
步骤S8：犁尖渗碳-淬火-回火处理，包括：
将步骤S7中的犁尖置于气体渗碳炉中，渗碳温度设置为910℃-930℃，时间为9h-10h，碳势为1.0％-1.2％；
渗碳完成后将犁尖转入温度为45℃-55℃的淬火油中淬火；
淬火完成后将犁尖转入温度为180℃-200℃回火炉中保温1.8h-2.0h，然后空冷至室温；
进行喷丸和喷塑处理。
5.根据权利要求4所述的兼具低阻力和内强外硬特性的翻转犁犁尖制造方法，其特征在于：
现有34MnCrB5钢的成分与新型34MnCrB5-M钢的成分为：
其中的单位为的质量分数％。
6.根据权利要求4所述的兼具低阻力和内强外硬特性的翻转犁犁尖制造方法其特征在于：
土壤内摩擦角φt小于4°，铧刃角λ0的取值范围为40°-45°。
7.根据权利要求4所述的兼具低阻力和内强外硬特性的翻转犁犁尖的建模及制造方法，其特征在于：
土迹线与铧刃夹角η设置为16°-24°，铧面角ε设置为30°-40°，因此起土角θ的取值范围为18°-30°。
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