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CN116702526A - 一种可提高力学性能且降低阻力的高速翻转犁栅条的建模及制造方法 - Google Patents

一种可提高力学性能且降低阻力的高速翻转犁栅条的建模及制造方法 Download PDF

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CN116702526A
CN116702526A CN202310138592.2A CN202310138592A CN116702526A CN 116702526 A CN116702526 A CN 116702526A CN 202310138592 A CN202310138592 A CN 202310138592A CN 116702526 A CN116702526 A CN 116702526A
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CN
China
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grid
plow
28mnb5
grid bar
speed
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CN202310138592.2A
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王威
郭顺
黄豪
汪东发
常亚南
刘海霞
程晓农
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Jiangsu University
Original Assignee
Jiangsu University
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Abstract

本发明涉及翻转犁入土部件制造领域，具体是指一种可提高力学性能且降低阻力的高速翻转犁栅条的建模方法，通过对高速翻转犁栅条曲面进行参数优化、三维建模及数值仿真分析，确定了具备最低工作阻力的犁体幅宽b、犁铲安装角ε、导曲线扣垡角Δε和与元线角θ参数，并对新型高速翻转犁栅条基材进行成分优化设计和机加工‑正火‑淬火‑回火处理，获得了兼具低运行阻力、高屈服强度、高抗拉强度、高韧性及高耐磨性能的高速翻转犁栅条，能够有效抵抗土壤及石块的高速冲击和磨损并降低能耗，可望在农业机械制造领域得到广泛应用。

Description

一种可提高力学性能且降低阻力的高速翻转犁栅条的建模及 制造方法
技术领域
本发明涉及高速翻转犁入土部件制造领域，具体地说是一种可提高力学性能且降低阻力的高速翻转犁栅条的建模及制造方法。
背景技术
近年来，随着犁体运行速度的不断加快及新能源拖拉机的快速发展，在保重高速翻转犁耕作质量的情况下，减小犁体阻力，降低能耗成为一种必然趋势。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，栅条部件主要起翻土作用，经常因承受土壤和石块的高速冲击而出现断裂失效的情况。因此，在高速服役环境下的翻转犁栅条不仅需要良好的曲面参数设计来获得较低的运行阻力，还必须满足高强韧性匹配性能来抵抗土壤和石块的冲击。
为了解决上述问题，大量学者对高速翻转犁栅条采用了犁体曲面参数优化法，以期减小犁体的运行阻力，并通过适当改进材料的热处理工艺参数来提高栅条的强度。迄今为止，犁体曲面的水平直元线设计方法是一种最为广泛应用的方法。水平直元线法形成犁体曲面的原理是采用三维坐标系，以直元线沿着准线(轨迹线或导线)运动，并始终平行于XOY坐标平面，且不断变化直元线与ZOX坐标平面的夹角(元线角)而形成曲面。然而，仅使用水平直元线法来优化犁体曲面参数并不能有效的描述实际的翻土作业过程，其因缺乏土壤与犁体之间的交互作用参数而无法对优化后的犁体工作阻力进行定量分析。此外，对于被广泛应用在高速翻转犁栅条上的硼钢而言，翻转犁制造企业普遍采用淬火-回火工艺对其进行强化处理，即可获得由含量为98％以上的板条马氏体组织组成的翻转犁栅条部件。因此，仅通过优化热处理工艺参数(如温度和时间)并无法改变栅条用硼钢的相组织组成，对提高栅条的拉伸强度、韧性及耐磨性十分有限。综上，采用传统的水平直元线设计方法和热处理工艺参数改进法来减小犁体运行阻力和提高栅条的拉伸强度、韧性及耐磨性的想法显然无法满足现有翻转犁在高速服役环境下的低运行阻力和高服役性能(具体表现为高拉伸强度、高韧性和高耐磨性)的需求。
发明内容
针对上述问题，本发明人提供了一种可提高力学性能且降低阻力的高速翻转犁栅条的建模及制造方法。
首先，本发明通过水平直元线设计法、UG建模和ANSYS仿真分析确定了低阻力栅条的最佳曲面参数。与传统栅条曲面优化方法显著不同，该方法通过UG建模和ANSYS仿真分析综合考虑了土壤参数、栅条材料参数和犁体与土壤之间的接触关系等因素，大幅度提升了犁体曲面优化过程的工作效率及优化方案的可行性。在此基础上，本发明在现有翻转犁栅条用28MnB5钢的成分设计基础上添加了适量Al、Nb和Cu元素，并利用真空感应熔炼炉熔炼得到了晶粒细小且分布均匀的新型28MnB5-M钢。其中，Al元素可生成高度细碎的超显微氧化物颗粒分散于钢中阻止晶粒长大。Nb元素能生成高度分散的强固的碳化物NbC，可以进一步阻止晶粒长大。Cu元素不仅能通过增强奥氏体的稳定性来提高钢的淬透性，还能提高钢材的抗腐蚀性能。上述合金化思路有效地改善了原有28MnB5钢的晶粒粗大和分布不均匀的缺陷，为后续高强度翻转犁栅条的制造提供了优质的原材料供应。此外，本发明对基于低阻力栅条建模方案和优质28MnB5-M钢制备的栅条部件新增了热成型和正火工艺(机加工-热成型-正火-淬火-回火-喷丸-喷塑)。其中，热成型是将加热至奥氏体化状态的栅条坯料同步使用冲压模具成型的工艺，这样不仅能有效避免栅条坯料在冷加工时大变形部位产生微裂纹缺陷，还能大幅度降低压力机在栅条坯料成型过程中的工作载荷，更有利于节约能源。此外，正火工艺可以使28MnB5-M钢中的化学元素均匀分布，减小成分偏析，从而进一步细化28MnB5-M钢的组织并降低钢中带状组织的含量，以实现翻转犁栅条部件良好的强韧性匹配及高耐磨性能。上述技术方法有效地实现了低运行阻力、高屈服强度、高抗拉强度、高韧性及高耐磨性能的新型高速翻转犁栅条的制造，也更有利于达到降低拖拉机能耗的目的。本发明中所使用的技术方法可行性高、易推广且成本低，可望在农业机械制造领域得到广泛应用。
本发明涉及高强度翻转犁入土部件制造领域，并提供了一种可提高力学性能且降低阻力的高速翻转犁栅条的建模及制造方法。通过该方法制备的栅条部件兼具低运行阻力、良好的强韧性匹配及高耐磨性能特性，能够有效解决现有高速翻转犁栅条在作业过程中时存在的阻力过大和易断裂失效的问题，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栅条部件的装配图；
图2显示了根据本发明的第一实施例制备的高速翻转犁栅条部件的显微组织照片；
图3显示了根据本发明的第一实施例制备的高速翻转犁栅条部件的X射线衍射图谱；
图4显示了根据本发明的第一实施例制备的高速翻转犁栅条部件的EBSD测试结果；
图5显示了根据本发明的第一实施例制备的高速翻转犁栅条部件的力学性能测试结果；
图6显示了根据本发明的第一实施例制备的高速翻转犁栅条部件与现有栅条的力学性能对比；
图7显示了根据本发明的第二实施例制备的高速翻转犁栅条部件的显微组织照片；
图8显示了根据本发明的第二实施例制备的高速翻转犁栅条部件的X射线衍射图谱；
图9显示了根据本发明的第二实施例制备的高速翻转犁栅条部件的EBSD测试结果；
图10显示了根据本发明的第二实施例制备的高速翻转犁栅条部件的力学性能测试结果；
图11显示了根据本发明的第二实施例制备的高速翻转犁栅条部件与现有栅条的力学性能对比；
图12显示了根据本发明的第三实施例制备的高速翻转犁栅条部件的显微组织照片；
图13显示了根据本发明的第三实施例制备的高速翻转犁栅条部件的X射线衍射图谱；
图14显示了根据本发明的第三实施例制备的高速翻转犁栅条部件的EBSD测试结果；
图15显示了根据本发明的第三实施例制备的高速翻转犁栅条部件的力学性能测试结果；
图16显示了根据本发明的第三实施例制备的高速翻转犁栅条部件与现有栅条的力学性能对比。
具体实施方式
根据本发明的一个方面，为了解决现有高速翻转犁栅条在服役过程中阻力过大和服役寿命不足的问题，本发明提供了一种可提高力学性能且降低阻力的高速翻转犁栅条的建模及制造方法。首先，本发明通过水平直元线设计法、UG建模和ANSYS仿真分析确定了低阻力栅条的最佳曲面参数。与传统栅条曲面优化方法显著不同，该方法通过UG建模和ANSYS仿真分析综合考虑了土壤参数、栅条材料参数和犁体与土壤之间的接触关系等因素，大幅度提升了犁体曲面优化过程的工作效率及优化方案的可行性。在此基础上，本发明在现有翻转犁栅条用28MnB5钢的成分设计基础上添加了适量Al、Nb和Cu元素，并利用真空感应熔炼炉熔炼得到了晶粒细小且分布均匀的新型28MnB5-M钢。其中，Al元素可生成高度细碎的超显微氧化物颗粒分散于钢中阻止晶粒长大。Nb元素能生成高度分散的强固的碳化物NbC，可以进一步阻止晶粒长大。Cu元素不仅能通过增强奥氏体的稳定性来提高钢的淬透性，还能提高钢材的抗腐蚀性能。上述合金化思路有效地改善了原有28MnB5钢的晶粒粗大和分布不均匀的缺陷，为后续高强度翻转犁栅条的制造提供了优质的原材料供应。此外，本发明对基于低阻力栅条建模方案和优质28MnB5-M钢制备的栅条部件新增了热成型和正火工艺(机加工-热成型-正火-淬火-回火-喷丸-喷塑)。其中，热成型是将加热至奥氏体化状态的栅条坯料同步使用冲压模具成型的工艺，这样不仅能有效避免栅条坯料在冷加工时大变形部位产生微裂纹缺陷，还能大幅度降低压力机在栅条坯料成型过程中的工作载荷，更有利于节约能源。此外，正火工艺可以使28MnB5-M钢中的化学元素均匀分布，减小成分偏析，从而进一步细化28MnB5-M钢的组织并降低钢中带状组织的含量，以实现翻转犁栅条部件良好的强韧性匹配及高耐磨性能。上述技术方法有效地实现了具备低运行阻力、良好的强韧性匹配及高耐磨性能的新型高速翻转犁栅条的制造，也更有利于达到降低拖拉机能耗的目的。可望为实现农机触土部件安全且长寿命服役提供可行的技术方案。
根据本发明的一个实施例的可提高力学性能且降低阻力的高速翻转犁栅条的建模及制造方法包括：
步骤A)：利用水平直元线设计法优化栅条曲面。为了提高犁体翻土能力，减小栅条与土壤的摩擦、降低犁体损耗，本发明依据式1-3计算得到翻转犁栅条曲面的关键参数。其中，犁体幅宽b一般取640mm～700mm；犁铲安装角ε的取值范围为20°～30°，导曲线扣垡角Δε一般在5°～11°之间，C1为常数，一般在1.0～1.8之间。通过式1-3计算得到导曲线开度l的取值范围为308mm～458mm，导曲线高度h的取值范围为550mm～870mm，端点切线夹角ω的取值范围为105°～109°；
l＝C1b(cosΔε-sinε) (1)
步骤B)：利用UG软件建立犁体三维模型，包括
B1)选择参考平面分别绘制出铧刃线和导曲线草图；
B2)结合步骤A中的栅条曲面参数，并根据式(4)中的元线号和与其对应的元线角计算公式，绘制水平直元线；
B3)绘制出犁体曲面前视图，将犁体曲面前视图进行投影，得到一个封闭的空间曲线；
B4)利用裁剪命令将犁体曲面裁剪出来，再使用拉伸命令将犁体曲面变为三维实体形状(如图1所示)，并导出.stl模型文件；
式中：
n为元线号；θ为元线角；θm和θn分别为元线号为m和n时的元线角；θ0为初始元线角，一般取36°～45°；θmax和θmin分别最大元线角和最小元线角；Δz为元线之间的距离；
步骤C)：进行ANSYS仿真前期准备，具体包括：
设置土壤材料属性参数：土壤密度为1.76～1.78×103kg/m3，弹性模量为4.3～4.5×107Pa，泊松比0.33～0.35，屈服应力为8.3～8.5×105Pa，切线模量为1.0～1.2×106Pa，失效应变为0.6～0.8，应变率为4％～6％；设置翻转犁栅条材料特性参数：密度为7.79～7.81×10-6kg/mm3，弹性模量为2.2～2.4×105N/mm2，泊松比为0.2～0.4；
把犁体曲面与土垡之间的接触方式设置为面面侵蚀自动接触，步骤D)：进行模拟仿真，包括：
将步骤B中的.stl模型文件导入步骤C中搭建完成的ANSYS模拟环境中，并设定犁体部件运行速度为0.36～0.38m/s，前进方向为X轴正方向；
进入仿真设置，设置时间步长和仿真时间共10s；
启动模拟，模拟完成后得到犁体部件的平均阻力值，
步骤E)：制备新型28MnB5-M钢，包括：
在现有28MnB5钢的成分设计基础上，添加质量分数为0.05％～0.11％的Nb和0.04％～0.10％的Al元素(详见表1)，并采用真空感应炉熔炼合金，然后浇铸成200kg的铸锭后锻造成500mm×1000mm×50mm的热轧坯料；
将热轧坯料加热到1100℃～1200℃,保温1.8h～2.0h,出炉后进行3道次轧制,终轧温度为880℃～920℃，轧后板厚12mm；
将终轧后的板材水冷至设定的卷取温度500℃～600℃，再放入加热炉内保温28min～30min后随炉冷却；
最后酸洗以去除热轧板表面的氧化铁皮，
表1新型28MnB5-M钢与现有28MnB5钢的化学成分对比(质量分数，％)
步骤F)：栅条坯料机加工，具体包括：
使用氧-乙炔切割方法将步骤E中的28MnB5-M热轧板材切割成栅条坯料；
使用铣床对栅条坯料的外形进行精加工，
使用钻床加工栅条坯料的沉头方孔，
步骤G)：进行栅条的热成型-正火-淬火-回火处理，具体包括：
将步骤F中的栅条坯料加热至940℃～960℃，保温1.0h～1.2h；
保温结束后将栅条坯料转入冲压模具中成型至步骤B中所要求的三维实体形状，成型结束后置于空气中冷却至室温；
再次把栅条坯料加热至900℃～920℃，保温0.5h～0.7h后浸入水中淬火至室温；
进一步将淬火态栅条坯料转入温度为180℃～200℃的回火炉中保温2.0h～2.4h，保温结束后出炉空冷；
进行喷丸和喷塑处理，获得兼具低运行阻力、高强度、高韧性及高耐磨性能的高速翻转犁栅条部件。
本发明的优点包括：
本发明提供了一种可提高力学性能且降低阻力的高速翻转犁栅条的建模及制造方法，综合采用了水平直元线设计法、UG建模和ANSYS仿真分析确定了低阻力栅条的最佳曲面参数。然后对栅条用28MnB5钢的成分及栅条的制造工艺进行了针对性改进，本发明的优点包括：
(1)与以往的仅通过数学模型计算来优化栅条曲面的方法显著不同,本发明结合了水平直元线设计法、UG建模和ANSYS仿真分析方法对高速翻转犁栅条部件的设计参数进行了合理优化,同时引入了土壤参数、栅条材料参数和犁体与土壤之间的接触关系等因素，大幅度提升了犁体曲面优化过程的工作效率及优化方案的可行性，有效地降低了犁体运行阻力，进一步降低了土壤对栅条部件的冲击力及拖拉机的油耗。
(2)本发明对28MnB5钢的成分设计进行改进，通过复合添加质量分数为0.05～0.11％Nb、0.04～0.10％Al和0.10～0.20％Cu元素得到新型28MnB5-M钢。利用Nb和Al复合添加生成高度细碎的氧化物可阻止钢加热时晶粒长大的特性，进一步提高新型28MnB5-M钢热处理后的强韧性匹配程度。Cu元素不仅能通过增强奥氏体的稳定性来提高钢的淬透性，还能提高钢材的抗腐蚀性能。与添加昂贵的稀土元素方法相比，本发明中所使用的Nb、Al和Cu元素的价格显著降低，且性能也满足行业的需求，是最经济、最有效的改善钢材性能的手段之一。
(3)本发明所采用的热成型-正火-淬火-回火热处理工艺产业化技术成熟，在现有生产设备的基础上即可实现，无需增加其它热处理设备，可大幅度降低成本。同时，经热成型-正火-淬火-回火处理后的栅条部件的组织尺寸和均匀性显著优于以往的栅条部件，这使其具有良好的强韧性匹配性能，有效地保证了栅条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性价比较高，在犁体制造领域具有广阔的应用前景。
综上所述，本发明提供的一种可提高力学性能且降低阻力的高速翻转犁栅条的建模及制造方法不仅能够有效地解决现有高速翻转犁栅条在作业过程中存在的强韧性匹配不足和阻力较大的问题，还具有高性价比特点，在农业机械制造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)栅条的设计及制造，包括：
步骤1：利用水平直元线设计法优化栅条曲面。为了提高犁体翻土能力，减小栅条与土壤的摩擦、降低犁体损耗，本实施例依据式5-7计算得到翻转犁栅条曲面的关键参数。其中，犁体幅宽b为640mm；犁铲安装角ε的取值为20°，导曲线扣垡角Δε取值为5°，C1为常数，取值为1.0。通过式5-7计算得到导曲线开度l的取值为308mm，导曲线高度h的取值为550mm，端点切线夹角ω的取值为105°。
l＝C1b(cosΔε-sinε) (5)
步骤2：利用UG软件建立犁体三维模型。首先，选择参考平面分别绘制出铧刃线和导曲线草图；然后，结合步骤1中的栅条曲面参数及式8中的元线号和与其对应的元线角计算公式绘制水平直元线；最后，绘制出犁体曲面前视图，将犁体曲面前视图进行投影，得到一个封闭的空间曲线。在此基础上，利用裁剪命令将犁体曲面裁剪出来，再使用拉伸命令将犁体曲面变为三维实体形状，并导出.stl模型文件。
式中：
n为元线号；θ为元线角；θm和θn分别为元线号为m和n时的元线角；θ0为初始元线角，一般取36°～45°；θmax和θmin分别最大元线角和最小元线角；Δz为元线之间的距离；
步骤3：ANSYS仿真前期准备。设置土壤材料属性参数：土壤密度为1.76×103kg/m3，弹性模量为4.3×107Pa，泊松比0.33，屈服应力为8.3×105Pa，切线模量为1.0×106Pa，失效应变为0.6，应变率为4％；设置翻转犁栅条材料特性参数：密度为7.79×10-6kg/mm3，弹性模量为2.2×105N/mm2，泊松比为0.2；犁体曲面与土垡之间的接触方式设置为面面侵蚀自动接触。
步骤4：模拟仿真。将步骤2中的.stl模型文件导入步骤3中搭建完成的ANSYS模拟环境中，并设定犁体部件运行速度为0.36m/s，前进方向为X轴正方向；进入到仿真设置，设置时间步长和仿真时间共10s；启动模拟，模拟完成后得到犁体部件的平均阻力值为4.98kN。
步骤5：制备新型28MnB5-M钢。在现有28MnB5钢的成分设计基础上，添加质量分数为0.05％Nb、0.04％Al和0.10％Cu元素(详见表2)，并采用真空感应炉熔炼合金，然后浇铸成200kg的铸锭后锻造成500mm×1000mm×50mm的热轧坯料；将坯料加热到1100℃,保温1.8h,出炉后进行3道次轧制,终轧温度为880℃，轧后板厚12mm；将终轧后的板材水冷至设定的卷取温度500℃，再放入加热炉内保温28min后随炉冷却。最后酸洗以去除热轧板表面的氧化铁皮。
表2新型28MnB5-M钢与现有28MnB5钢的化学成分对比(质量分数，％)
步骤6：栅条坯料机加工。使用氧-乙炔切割方法将步骤5中的28MnB5-M热轧板材切割成栅条坯料；使用铣床对栅条外形进行精加工，使用钻床加工栅条的沉头方孔。
步骤7：栅条的热成型-正火-淬火-回火处理。将步骤6中的栅条坯料加热至940℃，保温1.0h；保温结束后将栅条坯料转入冲压模具中成型至步骤2中所要求的三维实体形状，成型结束后置于空气中冷却至室温；再次栅条坯料加热至900℃，保温0.5h后浸入水中淬火至室温；进一步将淬火态栅条坯料转入温度为180℃的回火炉中保温2.0h，保温结束后出炉空冷。然后进行喷丸和喷塑处理，获得兼具低运行阻力、高强度、高韧性及高耐磨性能的高速翻转犁栅条部件。
(2)合金检测
利用FEI Nova Nano 450场发射扫描电子显微镜和光学显微镜观察了新型28MnB5-M栅条的显微组织，试验前依次对样品进行镶嵌、打磨和抛光处理。图2为本实施例的新型28MnB5-M栅条的扫描电镜照片。可以看到，28MnB5-M栅条的组织主要由尺寸细小且分布均匀的板条马氏体组成，其平均长度约为4.6μm。
采用X射线衍射技术(XRD)分析了新型28MnB5-M栅条材料的相组成，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30°～110°。图3示出了本实施例的新型28MnB5-M栅条材料的相组成。可以看到，新型28MnB5-M栅条材料主要由α相组成。
将28MnB5-M栅条试样经机械研磨和抛光后，使用配比为高氯酸:酒精＝1:9(体积比)的电解抛光液在室温下进行电解抛光，并在配备有Oxford-EBSD成像系统的Gemini SEM300型场发射扫描电镜上进行马氏体取向成像分析，扫描步长为0.06μm。图4示出了28MnB5-M栅条试样的EBSD测试结果，可以看到，马氏体块之间的界面主要由大角度晶界组成，马氏块内部组织界面主要由小角度晶界和亚晶界组成。其中亚晶界含量高达37.8％，这表明本实施例中含有大量尺寸细小的板条马氏体组织。
在Instron-8801型拉伸试验机上对新型28MnB5-M栅条进行了室温拉伸试验，所用拉伸试样是从栅条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28MnB5-M栅条在拉伸过程中的应力-应变曲线。可以看到，新型28MnB5-M栅条的屈服强度为1308MPa，抗拉强度为1608MPa。这表明新型28MnB5-M栅条实现了高屈服强度和高抗拉强度。
采用NI300型冲击试验机对新型28MnB5-M栅条进行了冲击室温试验，所用冲击试样是从栅条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28MnB5-M栅条的冲击试验测试结果。可以看到，新型28MnB5-M栅条的冲击吸收功为56.0J，结合拉伸强度数据分析可知，新型28MnB5-M栅条实现了良好的强韧性匹配。
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28MnB5-M栅条的耐磨性，摩擦副选用尺寸为φ4mm的ZrO陶瓷球，加载力为20N，行程为10mm，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28MnB5-M栅条材料的磨损量测试结果。可以看到，新型28MnB5-M栅条材料的磨损量为1.5mg。
通过以上测试和表征，可以发现本实施例的新型28MnB5-M栅条部件具备良好的强韧性匹配性能。此外，经优化曲面设计参数后的新型28MnB5-M栅条还具备低阻力特性，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28MnB5-M栅条与现有栅条的力学性能参数对比如图6所示。由图6可知，与现有栅条相比，本实施例的新型28MnB5-M栅条不仅在屈服强度(图6a)、抗拉强度(图6b)和韧性(图6c)方面均显著偏高，其作业时的运行阻力(图6d)也有所降低。
实施例2：
操作步骤包括：
(1)栅条的设计及制造，包括：
步骤1：利用水平直元线设计法优化栅条曲面。为了提高犁体翻土能力，减小栅条与土壤的摩擦、降低犁体损耗，本实施例依据式9-11计算得到翻转犁栅条曲面的关键参数。其中，犁体幅宽b为670mm；犁铲安装角ε的取值为25°，导曲线扣垡角Δε取值为8°，C1为常数，取值为1.4。通过式9-11计算得到导曲线开度l的取值为383mm，导曲线高度h的取值为710mm，端点切线夹角ω的取值为107°。
l＝C1b(cosΔε-sinε) (9)
步骤2：利用UG软件建立犁体三维模型。首先，选择参考平面分别绘制出铧刃线和导曲线草图；然后，结合步骤1中的栅条曲面参数及式12中的元线号和与其对应的元线角计算公式绘制水平直元线；最后，绘制出犁体曲面前视图，将犁体曲面前视图进行投影，得到一个封闭的空间曲线。在此基础上，利用裁剪命令将犁体曲面裁剪出来，再使用拉伸命令将犁体曲面变为三维实体形状，并导出.stl模型文件。
式中：
n为元线号；θ为元线角；θm和θn分别为元线号为m和n时的元线角；θ0为初始元线角，一般取36°～45°；θmax和θmin分别最大元线角和最小元线角；Δz为元线之间的距离；
步骤3：ANSYS仿真前期准备。设置土壤材料属性参数：土壤密度为1.77×103kg/m3，弹性模量为4.4×107Pa，泊松比0.34，屈服应力为8.4×105Pa，切线模量为1.1×106Pa，失效应变为0.7，应变率为5％；设置翻转犁栅条材料特性参数：密度为7.80×10-6kg/mm3，弹性模量为2.3×105N/mm2，泊松比为0.3；犁体曲面与土垡之间的接触方式设置为面面侵蚀自动接触。
步骤4：模拟仿真。将步骤2中的.stl模型文件导入步骤3中搭建完成的ANSYS模拟环境中，并设定犁体部件运行速度为0.37m/s，前进方向为X轴正方向；进入到仿真设置，设置时间步长和仿真时间共10s；启动模拟，模拟完成后得到犁体部件的平均阻力值为4.81kN。
步骤5：制备新型28MnB5-M钢。在现有28MnB5钢的成分设计基础上，添加质量分数为0.08％Nb、0.07％Al和0.15％Cu元素(详见表3)，并采用真空感应炉熔炼合金，然后浇铸成200kg的铸锭后锻造成500mm×1000mm×50mm的热轧坯料；将坯料加热到1150℃,保温1.9h,出炉后进行3道次轧制,终轧温度为900℃，轧后板厚12mm；将终轧后的板材水冷至设定的卷取温度550℃，再放入加热炉内保温29min后随炉冷却。最后酸洗以去除热轧板表面的氧化铁皮。
表3新型28MnB5-M钢与现有28MnB5钢的化学成分对比(质量分数，％)
步骤6：栅条坯料机加工。使用氧-乙炔切割方法将步骤5中的28MnB5-M热轧板材切割成栅条坯料；使用铣床对栅条外形进行精加工，使用钻床加工栅条的沉头方孔。
步骤7：栅条的热成型-正火-淬火-回火处理。将步骤6中的栅条坯料加热至950℃，保温1.1h；保温结束后将栅条坯料转入冲压模具中成型至步骤2中所要求的三维实体形状，成型结束后置于空气中冷却至室温；再次栅条坯料加热至910℃，保温0.6h后浸入水中淬火至室温；进一步将淬火态栅条坯料转入温度为190℃的回火炉中保温2.2h，保温结束后出炉空冷。然后进行喷丸和喷塑处理，获得兼具低运行阻力、高强度、高韧性及高耐磨性能的高速翻转犁栅条部件。
(2)合金检测
利用FEI Nova Nano 450场发射扫描电子显微镜和光学显微镜观察了新型28MnB5-M栅条的显微组织，试验前依次对样品进行镶嵌、打磨和抛光处理。图7为本实施例的新型28MnB5-M栅条的扫描电镜照片。可以看到，28MnB5-M栅条的组织主要由尺寸细小且分布均匀的板条马氏体组成，其平均长度约为4.3μm。
采用X射线衍射技术(XRD)分析了新型28MnB5-M栅条材料的相组成，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30°～110°。图8示出了本实施例的新型28MnB5-M栅条材料的相组成。可以看到，新型28MnB5-M栅条材料主要由α相组成。
将28MnB5-M栅条试样经机械研磨和抛光后，使用配比为高氯酸:酒精＝1:9(体积比)的电解抛光液在室温下进行电解抛光，并在配备有Oxford-EBSD成像系统的Gemini SEM300型场发射扫描电镜上进行马氏体取向成像分析，扫描步长为0.06μm。图9示出了28MnB5-M栅条试样的EBSD测试结果，可以看到，马氏体块之间的界面主要由大角度晶界组成，马氏块内部组织界面主要由小角度晶界和亚晶界组成。其中亚晶界含量高达31.7％，这表明本实施例中含有大量尺寸细小的板条马氏体组织。
在Instron-8801型拉伸试验机上对新型28MnB5-M栅条进行了室温拉伸试验，所用拉伸试样是从栅条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28MnB5-M栅条在拉伸过程中的应力-应变曲线。可以看到，新型28MnB5-M栅条的屈服强度为1407MPa，抗拉强度为1691MPa。这表明新型28MnB5-M栅条实现了高屈服强度和高抗拉强度。
采用NI300型冲击试验机对新型28MnB5-M栅条进行了冲击室温试验，所用冲击试样是从栅条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28MnB5-M栅条的冲击试验测试结果。可以看到，新型28MnB5-M栅条的冲击吸收功为58.0J，结合拉伸强度数据分析可知，新型28MnB5-M栅条实现了良好的强韧性匹配。
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28MnB5-M栅条的耐磨性，摩擦副选用尺寸为φ4mm的ZrO陶瓷球，加载力为20N，行程为10mm，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28MnB5-M栅条材料的磨损量测试结果。可以看到，新型28MnB5-M栅条材料的磨损量为1.2mg。
通过以上测试和表征，可以发现本实施例的新型28MnB5-M栅条部件具备良好的强韧性匹配性能。此外，经优化曲面设计参数后的新型28MnB5-M栅条还具备低阻力特性，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28MnB5-M栅条与现有栅条的力学性能参数对比如图11所示。由图11可知，与现有栅条相比，本实施例的新型28MnB5-M栅条不仅在屈服强度(图11a)、抗拉强度(图11b)和韧性(图11c)方面均显著偏高，其作业时的运行阻力(图11d)也有所降低。
实施例3：
操作步骤包括：
(1)栅条的设计及制造，包括：
步骤1：利用水平直元线设计法优化栅条曲面。为了提高犁体翻土能力，减小栅条与土壤的摩擦、降低犁体损耗，本实施例依据式13-15计算得到翻转犁栅条曲面的关键参数。其中，犁体幅宽b为700mm；犁铲安装角ε的取值为30°，导曲线扣垡角Δε取值为11°，C1为常数，取值为1.8。通过式13-15计算得到导曲线开度l的取值为458mm，导曲线高度h的取值为870mm，端点切线夹角ω的取值为109°。
l＝C1b(cosΔε-sinε) (13)
步骤2：利用UG软件建立犁体三维模型。首先，选择参考平面分别绘制出铧刃线和导曲线草图；然后，结合步骤1中的栅条曲面参数及式16中的元线号和与其对应的元线角计算公式绘制水平直元线；最后，绘制出犁体曲面前视图，将犁体曲面前视图进行投影，得到一个封闭的空间曲线。在此基础上，利用裁剪命令将犁体曲面裁剪出来，再使用拉伸命令将犁体曲面变为三维实体形状，并导出.stl模型文件。
式中：
n为元线号；θ为元线角；θm和θn分别为元线号为m和n时的元线角；θ0为初始元线角，一般取36°～45°；θmax和θmin分别最大元线角和最小元线角；Δz为元线之间的距离；
步骤3：ANSYS仿真前期准备。设置土壤材料属性参数：土壤密度为1.78×103kg/m3，弹性模量为4.5×107Pa，泊松比0.35，屈服应力为8.5×105Pa，切线模量为1.2×106Pa，失效应变为0.8，应变率为6％；设置翻转犁栅条材料特性参数：密度为7.81×10-6kg/mm3，弹性模量为2.4×105N/mm2，泊松比为0.4；犁体曲面与土垡之间的接触方式设置为面面侵蚀自动接触。
步骤4：模拟仿真。将步骤2中的.stl模型文件导入步骤3中搭建完成的ANSYS模拟环境中，并设定犁体部件运行速度为0.38m/s，前进方向为X轴正方向；进入到仿真设置，设置时间步长和仿真时间共10s；启动模拟，模拟完成后得到犁体部件的平均阻力值为4.90kN。
步骤5：制备新型28MnB5-M钢。在现有28MnB5钢的成分设计基础上，添加质量分数为0.11％Nb、0.10％Al和0.2％Cu元素(详见表4)，并采用真空感应炉熔炼合金，然后浇铸成200kg的铸锭后锻造成500mm×1000mm×50mm的热轧坯料；将坯料加热到1200℃,保温2.0h,出炉后进行3道次轧制,终轧温度为920℃，轧后板厚12mm；将终轧后的板材水冷至设定的卷取温度600℃，再放入加热炉内保温30min后随炉冷却。最后酸洗以去除热轧板表面的氧化铁皮。
表4新型28MnB5-M钢与现有28MnB5钢的化学成分对比(质量分数，％)
步骤6：栅条坯料机加工。使用氧-乙炔切割方法将步骤5中的28MnB5-M热轧板材切割成栅条坯料；使用铣床对栅条外形进行精加工，使用钻床加工栅条的沉头方孔。
步骤7：栅条的热成型-正火-淬火-回火处理。将步骤6中的栅条坯料加热至960℃，保温1.2h；保温结束后将栅条坯料转入冲压模具中成型至步骤2中所要求的三维实体形状，成型结束后置于空气中冷却至室温；再次栅条坯料加热至920℃，保温0.7h后浸入水中淬火至室温；进一步将淬火态栅条坯料转入温度为200℃的回火炉中保温2.4h，保温结束后出炉空冷。然后进行喷丸和喷塑处理，获得兼具低运行阻力、高强度、高韧性及高耐磨性能的高速翻转犁栅条部件。
(2)合金检测
利用FEI Nova Nano 450场发射扫描电子显微镜和光学显微镜观察了新型28MnB5-M栅条的显微组织，试验前依次对样品进行镶嵌、打磨和抛光处理。图12为本实施例的新型28MnB5-M栅条的扫描电镜照片。可以看到，28MnB5-M栅条的组织主要由尺寸细小且分布均匀的板条马氏体组成，其平均长度约为4.5μm。
采用X射线衍射技术(XRD)分析了新型28MnB5-M栅条材料的相组成，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30°～110°。图13示出了本实施例的新型28MnB5-M栅条材料的相组成。可以看到，新型28MnB5-M栅条材料主要由α相组成。
将28MnB5-M栅条试样经机械研磨和抛光后，使用配比为高氯酸:酒精＝1:9(体积比)的电解抛光液在室温下进行电解抛光，并在配备有Oxford-EBSD成像系统的Gemini SEM300型场发射扫描电镜上进行马氏体取向成像分析，扫描步长为0.06μm。图14示出了28MnB5-M栅条试样的EBSD测试结果，可以看到，马氏体块之间的界面主要由大角度晶界组成，马氏块内部组织界面主要由小角度晶界和亚晶界组成。其中亚晶界含量高达37.0％，这表明本实施例中含有大量尺寸细小的板条马氏体组织。
在Instron-8801型拉伸试验机上对新型28MnB5-M栅条进行了室温拉伸试验，所用拉伸试样是从栅条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28MnB5-M栅条在拉伸过程中的应力-应变曲线。可以看到，新型28MnB5-M栅条的屈服强度为1317MPa，抗拉强度为1632MPa。这表明新型28MnB5-M栅条实现了高屈服强度和高抗拉强度。
采用NI300型冲击试验机对新型28MnB5-M栅条进行了冲击室温试验，所用冲击试样是从栅条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28MnB5-M栅条的冲击试验测试结果。可以看到，新型28MnB5-M栅条的冲击吸收功为57.0J，结合拉伸强度数据分析可知，新型28MnB5-M栅条实现了良好的强韧性匹配。
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28MnB5-M栅条的耐磨性，摩擦副选用尺寸为φ4mm的ZrO陶瓷球，加载力为20N，行程为10mm，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28MnB5-M栅条材料的磨损量测试结果。可以看到，新型28MnB5-M栅条材料的磨损量为1.6mg。
通过以上测试和表征，可以发现本实施例的新型28MnB5-M栅条部件具备良好的强韧性匹配性能。此外，经优化曲面设计参数后的新型28MnB5-M栅条还具备低阻力特性，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28MnB5-M栅条与现有栅条的力学性能参数对比如图16所示。由图16可知，与现有栅条相比，本实施例的新型28MnB5-M栅条不仅在屈服强度(图16a)、抗拉强度(图16b)和韧性(图16c)方面均显著偏高，其作业时的运行阻力(图16d)也有所降低。

Claims (4)

1.一种可提高力学性能且降低阻力的高速翻转犁栅条的建模方法，其特征在于包括：
步骤A)：利用水平直元线设计法优化栅条曲面，包括依据下式(1)-(3)得到翻转犁栅条曲面的关键参数：
l＝C1b(cosΔε-sinε) (1)，
其中：
犁体幅宽b取640mm～700mm，
犁铲安装角ε的取值范围为20°～30°，
导曲线扣垡角Δε取值在5°～11°之间，
C1为常数，取值在1.0～1.8之间，
通过式(1)-(3)确定的导曲线开度l的取值范围为308mm～458mm，导曲线高度h的取值范围为550mm～870mm，端点切线夹角ω的取值范围为105°～109°；
步骤B)：利用UG软件建立犁体三维模型，包括：
B1)选择参考平面分别绘制出铧刃线和导曲线草图；
B2)结合步骤A中的栅条曲面参数，并根据式(4)中的元线号和与其对应的元线角计算公式，绘制水平直元线；
B3)绘制出犁体曲面前视图，将犁体曲面前视图进行投影，得到一个封闭的空间曲线；
B4)利用裁剪命令将犁体曲面裁剪出来，再使用拉伸命令将犁体曲面变为三维实体形状，并导出.stl模型文件；
式中：
n为元线号；θ为元线角；θm和θn分别为元线号为m和n时的元线角；θ0为初始元线角，一般取36°～45°；θmax和θmin分别最大元线角和最小元线角；Δz为元线之间的距离；
步骤C)：进行ANSYS仿真前期准备，包括：
设置土壤材料属性参数：土壤密度为1.76～1.78×103kg/m3，弹性模量为4.3～4.5×107Pa，泊松比0.33～0.35，屈服应力为8.3～8.5×105Pa，切线模量为1.0～1.2×106Pa，失效应变为0.6～0.8，应变率为4％～6％；
设置翻转犁栅条材料特性参数：密度为7.79～7.81×10-6kg/mm3，弹性模量为2.2～2.4×105N/mm2，泊松比为0.2～0.4；
把犁体曲面与土垡之间的接触方式设置为面面侵蚀自动接触，步骤D)：进行模拟仿真，包括：
将步骤B中的.stl模型文件导入步骤C搭建完成的ANSYS模拟环境中，并设定犁体部件运行速度为0.36～0.38m/s，前进方向为X轴正方向；
进入仿真设置，设置时间步长和仿真时间共10s；
启动模拟，模拟完成后得到犁体部件的平均阻力值。
2.一种可提高力学性能且降低阻力的高速翻转犁栅条的制造方法，其特征在于包括：
步骤E)：制备新型28MnB5-M钢，包括：
步骤E1)：按表1所示添加质量分数为0.05％～0.11％的Nb和0.04％～0.10％的Al元素，构成28MnB5-M钢的成分，并采用真空感应炉熔炼合金，浇铸成200kg的铸锭后锻造成500mm×1000mm×50mm的热轧坯料；表1中的单位为质量分数％，
表1：28MnB5-M钢成分
步骤E2)：将热轧坯料加热到1100℃～1200℃,保温1.8h～2.0h,出炉后进行3道次轧制,终轧温度为880℃～920℃，轧后板厚12mm；
步骤E3)：将终轧后的热轧板材水冷至设定的卷取温度500℃～600℃，再放入加热炉内保温28min～30min后随炉冷却；
步骤F)：进行栅条坯料机加工，包括：
步骤F1)：使用氧-乙炔切割方法将步骤E3中的28MnB5-M热轧板材切割成栅条坯料；
步骤F2)：使用铣床对栅条坯料的外形进行精加工，
步骤F3)：使用钻床加工栅条坯料的沉头方孔，
步骤G)：进行栅条的热成型-正火-淬火-回火处理，包括：
步骤G1)：将栅条坯料加热至940℃～960℃，保温1.0h～1.2h；
步骤G2)：保温结束后将栅条坯料转入冲压模具中成型至根据权利要求1的步骤B中所要求的三维实体，成型结束后置于空气中冷却至室温；
步骤G3)：再次把栅条坯料加热至900℃～920℃，保温0.5h～0.7h后浸入水中淬火至室温；
步骤G4)：进一步将淬火态栅条坯料转入温度为180℃～200℃的回火炉中保温2.0h～2.4h，保温结束后出炉空冷。
3.根据权利要求2所述的高速翻转犁栅条的制造方法，其特征在于进一步包括在步骤E3之后进行：
步骤E4)：酸洗以去除热轧板表面的氧化铁皮。
4.根据权利要求2所述的高速翻转犁栅条的制造方法，其特征在于进一步包括在步骤G4之后进行：
步骤G5)：进行喷丸和喷塑处理，获得兼具低运行阻力、高强度、高韧性及高耐磨性能的高速翻转犁栅条部件。
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