斗齿恶劣工况耐磨性快速检测方法

曲兴田,万梓威,蔡炜炯,王增鑫,钱金煜

(吉林大学 机械科学与工程学院,长春 130022)

斗齿恶劣工况耐磨性快速检测方法

曲兴田,万梓威,蔡炜炯,王增鑫,钱金煜

(吉林大学 机械科学与工程学院,长春 130022)

为快速检测土方机械斗齿在恶劣工况下的耐磨性,提出一种基于Rabinowicz磨料磨损模型与钻削力模型的斗齿耐磨性检测方法,无需标准试样,直接对斗齿成品进行检测.通过对比试验,与国标JB/T 7506—1994的检测结果有很好的相关性,并在同一条件下进行多次试验,重复性较好,具有很高的研究推广价值.

斗齿; 耐磨性检测; 磨料磨损模型; 钻削力

随着机械作业的不断发展,挖掘机、装载机等土方机械越来越多地应用于恶劣工况.斗齿作为挖掘机、装载机的易损件,在这种工况下,其使用寿命常常以小时计算,其耐磨性对车辆整体的生产效率与经济性能有重要的影响.

实际生产中常用硬度来衡量耐磨性,但王丽娜等[1]的研究表明,在相同的硬度下斗齿的耐磨性因其合金含量、金相组织等的不同有很大的差异,这一点也成为了斗齿行业的共识.行业内也常常进行实地对比来比较斗齿的耐磨性,但这种方法测试周期长,测试结果也缺乏代表性.

斗齿的磨损形式为磨料磨损,可用国家标准销-砂纸盘滑动磨损法[2]和橡胶轮法[3]进行定量检测,但这两种测试方法耗时长,且需要切割试样破坏成品,不适合在工厂批量生产时对每一批次产品的抽检,同时，切割试样的过程会使材料性质变化，从而影响检测准确性,使其在实际生产中的应用非常有限.

斗齿在不同工况下磨损机理不尽相同,主要分为微观切削磨损机制、多次塑变导致断裂机制、低周应变疲劳式磨损机制.在高冲击恶劣工况下,微观切削磨损机制对斗齿表面材料损失最为严重[4],而钻削的机理与微切削基本一致,因此，本文提出利用钻削来模拟斗齿的微切削磨损,因钻孔的尺寸由钻头型号确定,可在不切割试样的情况下控制测试区域,且刀具的几何形状较磨粒更加合理,可在短时间内获得较大的材料损耗量，以保障检测准确性,是一种理想的检测方法.

1 磨料磨损与钻削力模型的建立

1.1 Rabinowicz磨料磨损模型

图1为Rabinowicz磨料磨损模型示意图,该模型适用于“微切削磨损机理”,并认为“磨粒像刀具一样对材料表面进行切削,形成切屑”[5].

图1 磨粒磨损简化模型Fig.1 Simplified abrasive wear model

(1)

式中:V为切削去除的斗齿材料体积;s为磨粒沿斗齿表面的滑动距离;K1为挖掘过程中产生微切削的总概率;K2为犁沟体积中转化为磨屑的平均比值;K3为磨粒的形状系数;F为斗齿表面所受的压力;σs为斗齿材料的屈服极限;V/s为斗齿材料在一定磨损条件下的磨耗率W，mm3/m,1/W为材料的耐磨性.

1.2 钻削力模型的建立

钻削斗齿这样的高硬度材料应使用硬质合金麻花钻,图2为麻花钻顶部硬质合金刀片切削简化模型,其主切削刃前角γ0一般为0°,后角α0为10°～15°,β为摩擦角,φ为剪切角.竖直方向上,切屑对前刀面的摩擦力Fm、变形抗力Fv与轴向钻削力Fz3力平衡.

图2 硬质合金刀片切削模型Fig.2 Carbide blade cutting model

(2)

由经典切屑受力模型[6]:

(3)

τmax为材料的切应力极限,根据第二强度理论:

τmax=0.5σs

(4)

AD为切削层横截面积,与进给量成正比:

AD∝f

(5)

变形抗力Fv等于屈服极限σs与变形部分(图2阴影部分)的水平投影面积AH的乘积:

Fv=σsAH

(6)

钻削时,变形部分为复杂曲面体,AH用数学方法不易求解,本文使用CATIA三维建模软件对麻花钻进行参数化建模,再用布尔运算以变形深度δ去除变形部分,将得到的曲面向水平面投影后用面积,计算工具求解得到AH与δ的关系(见图3).

图3 CATIA三维建模求解结果Fig.3 CATIA 3D modeling and solving results

图2中可以看出,AH与δ近似成正比,假设在钻削线弹性材料时,δ正比于进给量f,于是有

AH∝f

(7)

联立式(1)～式(7)得

(8)

由式(8)可以看出,如果控制钻削条件与进给速度Vf不变,通过测量钻削不同斗齿材料时的轴向钻削力Fz、转速n,就可以得到材料耐磨性的相对优劣性.

2 钻削力测定试验

2.1 试验装置与试验设计

传统钻削过程中钻削力波动变化过于剧烈,与微切削磨损机理有较大差异,也不易确定钻削力数值,因此,需要为上述检测方法专门设计一种试验装置.图4为钻削力测定专用试验机的原理图与实物图,其核心在于进给机构内传动链中设计了一个扭簧作为容性储能元件,消除了钻削力的波动变化.

图5为试验过程中钻削力与转速变化曲线.可以看出,台钻主轴高速转动,进给机构施加给主轴逐渐增大的钻削力使钻头向下钻削,当钻削速度(可视为微切削磨损速度)等于设定的进给速度Vf时,钻削力达到动态平衡,选定此时的钻削力Fz与转速n.

图4 钻削力测定专用试验机结构图与实物图Fig.4 Structure diagram and photograph of the drilling force measuring machine

试验证明同一型号的钻头其锋利程度也有细微的差异,为防止这种差异给检测带来的误差,采用相对耐磨性ε′来衡量材料耐磨性,即用同一根钻头分别对试验材料和某种选定的“标准”材料进行钻削,ε′即它们的耐磨性之比为

(9)

式中:Fz为试验材料的实际轴向钻削力;Fzs为相应标准材料的实际轴向钻削力;n为试验材料的实际钻速;ns为相应标准材料的实际钻速.

试验过程中钻头逐渐磨损导致钻削力增大,因此,每根钻头只钻2次(试验材料和标准材料各1次),之后重新刃磨或换新钻头再改变次序钻2次,取2次ε′的平均值,为一个试验流程.此外,还应使用优质耐磨硬质合金麻花钻,以减少刀具的磨损量.

试验过程中钻头逐渐磨损导致钻削力增大,因此,每根钻头只钻2次(试验材料和标准材料各1次),之后重新刃磨或换新钻头再改变次序钻2次,取2次ε′的平均值,为一个试验流程.此外,还应使用优质耐磨硬质合金麻花钻,以减少刀具的磨损量.

图5 钻削力与转速变化曲线(VB 6.0)Fig.5 The changing curve of drilling force and RPM(VB 6.0)

2.2 试验结果

可以看出,硬度与相对耐磨性的相关性很弱,而用国标法与钻削法测得的结果则有很强的相关性(相关系数r=0.979),证明钻削法能够比硬度测试更准确地确定材料耐磨性的相对优劣性(见图6和图7).

表1 不同材料试验数据Tab.1 Test date of different materials

图6 试验测得硬度与相对耐磨性的关系Fig.6 Relationship between the hardness and relative wear resistance

图7 试验测得2种试验结果的关系Fig.7 Relationship between the two test results

2.3 重复性试验

为验证该检测方法的可靠性,应进行重复性试验.选取较有代表性的1号、4号、5号、6号、13号5种斗齿材料,以相同试验条件进行10次钻削试验(见表2),并采用变异系数V′来衡量结果的重复性,即

表2 重复性试验数据Tab.2 The repetitive test data

(10)

由表2可以看出,除了4号斗齿可能由于材质欠均匀导致变异系数较高以外,这种试验方法在多次重复试验中均表现出较好地重复性(V′max<10%),是一种可靠性较高的试验方法.

3 结论

(1) 将Rabinowicz磨料磨损模型与钻削力模型相结合,并在此基础上提出了一种基于钻削力的斗齿恶劣工况耐磨性检测方法;

(2) 针对该检测方法,设计搭建了专用试验机,使钻削过程更接近微切削磨损机理,并能准确获得钻削力、转速等数值;

(3) 通过对比试验证明了该方法与国标JB/T 7506—1994的检测结果具有很好的相关性,重复性试验也证明了该检测方法的可靠性.

[1] 王丽娜,李具仓,赵爱民,等.低合金耐磨钢铲齿的研制[J].热加工工艺,2005(7):44-46,49.

WANG L N,LI J C,ZHAO A M,et al.Development of low-alloy wear-resistant steel for dipper teeth[J].Hot Working Technology,2005(7):44-46,49.

[2] 中华人民共和国机械工业部.固定磨粒磨料磨损试验方法 销-砂纸盘滑动磨损法 JB/T 7506—1994[S].1994.

Ministry of Machine-Building Industry of PRC.Test method for fixed abrasive wear,pin- disc experiment,JB/T 7506—1994[S].1994.

[3] 中华人民共和国机械工业部.松散磨粒磨料磨损试验方法 橡胶轮法JB/T 7705—1995[S].1995.

Ministry of Machine-Building Industry of PRC.Test method for loose abrasive wear,rubber wheel experiment,JB/T 7705—1995[S].1995.

[4] 张延强.WK-75型矿用挖掘机斗齿的磨损分析及结构改进[D].太原:太原理工大学,2016.

ZHANG Y Q.Wear analysis and structure improvement on bucket tooth of WK-75 mining excavator[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2016.

[5] ZUM K H.Modeling of two-body abrasive wear[J].Wear,1988,124(1):87-103.

[6] 周泽华.金属切削原理[M].2版.上海:上海科技出版社,1993.

ZHOU Z H.Principles of metal cutting[M].2nd ed.Shanghai:Shanghai Science and Technology Press,1993.

A rapid wear resistance test for bucket tooth in bad working condition

QUXingtian,WANZiwei,CAIWeijiong,WANGZengxin,QIANJinyu

(College of Mechanical Science and Engineering,Jilin University,Changchun 130022, China)

In order to rapidly test the wear resistance of the earth-moving machinery tooth in bad working condition,a test method is proposed based on the Rabinowicz abrasive wear model and the drilling force model.Without standard sample,this method can test directly on the bucket tooth products.The results of this method have the very good relevance to the test JB/T 7506—1994 in the contrast test and show high reproducibility in the repetitive test.Thus,this test method has a great study and spreading value.

bucket tooth; wear resistance test; abrasive wear model; drilling force

吉林大学“大学生创新创业训练计划”国家级资助项目(201610183104)

曲兴田(1962—),男,教授.E-mail:quxt@jlu.edu.cn

TG 115

A

1672-5581(2017)05-0452-04