M42高速钢刀具的抗弯强度试验及分析
刀具测试分析报告
刀具测试分析报告1. 引言本文档旨在对刀具进行测试分析，为使用刀具的人员提供参考依据。
通过对刀具的性能、使用寿命以及刀具磨损情况进行评估和分析，帮助用户选择适合的刀具，提高切削效率和刀具使用寿命。
2. 测试目的为了评估刀具的性能和耐用性，本次测试旨在：- 测试刀具的切削能力和效率；- 分析刀具的磨损情况和寿命； - 提供对刀具性能的客观评价。
3. 测试方法本次测试采用以下方法进行： 1. 选择适当的工件材料，进行切削实验； 2. 记录切削过程中的切削力、切削温度和切削速度等参数； 3. 定期观察和记录刀具的磨损情况和寿命； 4. 对测试数据进行分析和整理。
4. 测试结果与分析4.1 切削能力和效率经过切削实验，我们得到了以下数据：切削参数值切削力8N切削温度400℃切削速度100m/min切削效率90%根据实验数据分析，刀具具有较高的切削能力和效率，能够满足大部分切削需求。
4.2 刀具磨损情况和寿命经过定期观察和记录，我们得到了以下刀具磨损情况和寿命数据：使用时间磨损情况寿命预估100小时轻微磨损200小时200小时中度磨损400小时300小时严重磨损500小时根据实验数据分析，刀具的寿命与使用时间呈线性关系，但在实际使用中需根据具体情况进行判断和更换刀具。
5. 结论根据以上测试结果和分析，我们得出以下结论： 1. 刀具具有较高的切削能力和效率，能够满足大部分切削需求； 2. 刀具的磨损情况和寿命与使用时间呈线性关系，但在实际使用中需根据具体情况进行判断和更换刀具； 3. 合理的切削参数和使用方法可以延长刀具的使用寿命。
6. 建议基于以上结论，我们提出以下建议： 1. 对于需要长时间连续切削的任务，应根据刀具的磨损情况及寿命预估，提前准备备用刀具，以避免因刀具磨损导致生产延误； 2. 在使用刀具过程中，应定期检查刀具的磨损情况，及时更换磨损严重的刀具，以保证切削质量和效率； 3. 针对不同的切削任务，应根据实际情况调整切削参数，以实现更好的切削效果和延长刀具使用寿命。
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单位名称 ： 重庆钢铁研究所
地
址 ： 重庆市大渡 口 区 建桥工 业 园 A 区镁桥路 2 号
邮政编码 ： 4 0 0 0 8 4
传
真 ： ( 023 ) 866 8992 8
联 系 电话 ： ( 0 2 3 ) 8 6 6 8 9 9 1 8 1 3 7 0 8 3 4 0 2 5 9
基于UG的高速钢车刀的力学分析
基于UG的高速钢车刀的力学分析金属切削过程中刀具具有足够的强度才能延长刀具使用寿命。
文章利用UG 软件对高速钢车刀进行了受力分析，确定了高速钢车刀在试验条件下所受切削力与切削深度的关系及此条件下刀具所受极限载荷数值。
标签：高速钢；切削力；切削深度；极限载荷1 切削用量与切削力1.1 切削用量在切削加工过程，刀具与工件的相对运动形成切削运动，切削用量是切削运动时各参数的合称，包括切削速度、进给量和切削深度。
在车刀材料、车刀几何参数、工件材料及刀具磨损情况确定时，切削力的大小由切削用量决定。
车削加工中切削用量的使用范围[1]可以查到。
但是切削速度、进给量和切削深度的最佳组合手册中无法查到。
1.2 切削力车削加工中，刀具受到3个方向的切削力，分别以Fz代表切向力，Fy表示切深抗力，Fx则为进给力，如图1所示。
切削力大小可由经验公式[2]计算，在确定的刀具材料、刀具几何角度、工件材料、进给量和切削速度的前提下，切削力的计算公式可以简化，具体见公式（1）～（3）。
Fx=248.32ap1.2 （1）Fy=213.32ap0.9 （2）Fz=722.77ap （3）由上述公式可见，只要切削深度ap改变，切削力数值也会发生变化。
文章就是利用UG软件，找到刀具在确定的进给量和切削速度条件下所承受的最大切削深度。
即可通过公式求出刀具所能承受的极限载荷数值。
2 UG环境下车刀的受力分析2.1 试验参数试验条件：工件材料为碳素钢，刀具材料为W18Cr4V高速钢，刀体几何尺寸：BH=16mm×16mm，L=116mm。
车刀主要角度：车刀主要角度：前角？酌0=0°，后角？琢o=5°，主偏角？资r=90°，副偏角？资’r=3°，刃倾角？姿s=-0°。
刀具材料的机械性能：许用应力[？滓]=392MPa；弹性模量E=225GPa；泊松比？滋=0.29；密度8.26×10-8g/cm3。
高速工具钢研究报告
高速工具钢研究报告随着工业技术的不断发展，高速工具钢越来越成为工业生产的重要材料。
高速工具钢具有高硬度、高韧性、高耐磨性、高耐热性等优点，被广泛应用于机械加工、汽车制造、航空航天等领域。
本文旨在对高速工具钢的研究进行探讨和总结，为工业生产提供参考。
一、高速工具钢的分类高速工具钢是一类用于切削和冲压的工具材料，根据其化学成分和硬度等特性，可以分为以下几类：1. 高速钢：主要由钨、钼、钴等元素组成，硬度高，耐热性好，适用于高速切削和加工。
2. 铸造高速钢：由于其铸造成形，可以制作出复杂形状的刀具，但硬度和耐热性较低，适用于低速切削和加工。
3. 粉末高速钢：由于其制造过程中采用了粉末冶金技术，可以制作出高硬度、高耐热性的刀具，但成本较高。
4. 超硬质合金：由于其含有钨、钴、碳等元素，硬度极高，适用于加工硬质材料。
二、高速工具钢的性能高速工具钢具有以下几种性能：1. 高硬度：高速工具钢的硬度一般在60~70 HRC之间，可以保持刀具的长时间使用寿命。
2. 高韧性：高速工具钢的韧性较好，不易断裂或变形，可以保证加工的精度和效率。
3. 高耐磨性：高速工具钢的耐磨性较好，可以减少刀具的磨损和更换次数，提高加工效率。
4. 高耐热性：高速工具钢的耐热性较好，可以在高温环境下长时间使用。
三、高速工具钢的应用高速工具钢被广泛应用于机械加工、汽车制造、航空航天等领域。
具体应用如下：1. 机械加工：高速工具钢可以用于铣削、车削、钻孔等机械加工过程中，可以保证加工的精度和效率。
2. 汽车制造：高速工具钢可以用于汽车零部件的制造，如汽缸盖、曲轴等，可以保证零部件的质量和寿命。
3. 航空航天：高速工具钢可以用于航空航天领域的制造，如飞机发动机零部件、导弹零部件等，可以保证零部件的质量和性能。
四、高速工具钢的研究进展目前，高速工具钢的研究主要集中在以下几个方面：1. 合金化：通过添加适量的合金元素，可以提高高速工具钢的硬度、韧性和耐磨性等性能。
钢筋弯曲试验
钢筋弯曲试验
钢筋弯曲试验是用来测定钢筋的抗弯性能的一项常见试验，也是目前最为广泛应用于工程实践中的一项重要试验。
钢筋弯曲试验包括多种不同类型的试验，如抗弯强度试验、抗弯刚度试验、抗弯变形试验等，其中抗弯强度和抗弯刚度试验是最常见的，用以检测钢筋的抗弯性能。
钢筋弯曲试验通常采用三轴力计或电子弯曲机进行，根据不同的钢筋标准，钢筋弯曲试验的主要内容如下：
1、钢筋的抗弯强度试验：主要用于检测钢筋的抗弯强度，并得出其抗弯极限强度值。
此类试验一般采用三轴力计，将钢筋固定在三轴力计上，然后将三轴力计施加载荷，直至钢筋断裂。
2、钢筋的抗弯刚度试验：用于测定钢筋的抗弯刚度，并得出其刚度常数的值。
此类试验一般采用电子弯曲机，将钢筋固定在电子弯曲机上，然后施加载荷，并记录载荷和对应的弯曲变形值，从而计算出钢筋的刚度常数。
3、钢筋的抗弯变形试验：主要用于检测钢筋的抗弯变形，以及在抗弯过程中的变形特性。
此类试验一般采用电子弯曲机，将钢筋固定在电子弯曲机上，然后施加载荷，
并记录载荷和对应的弯曲变形值，从而求出钢筋的抗弯变形特性。
钢筋弯曲试验是工程实践中不可缺少的一项重要试验，它可以帮助我们更好地理解钢筋的抗弯性能，为工程设计提供参考和指导。
但是，在进行钢筋弯曲试验时，应注意遵守相关的试验标准，以保证试验的准确性和可靠性。
42CrMo4钢高速切削金相组织转变仿真研究
42CrMo4钢高速切削金相组织转变仿真研究42CrMo4是一种常用的工程钢材，具有良好的机械性能和热处理性能，广泛应用于制造领域。
在切削加工中，刀具和工件之间的摩擦和热量会导致工件表面的金相组织发生变化，进而影响工件的性能。
研究42CrMo4钢在高速切削过程中金相组织的转变对于提高加工质量和效率具有重要意义。
本研究通过建立42CrMo4钢在高速切削过程中金相组织转变的数值模拟模型，探究了刀具参数、切削速度、切削深度等因素对金相组织转变的影响，并与实验结果进行对比分析，以期为优化切削工艺提供理论依据。
一、42CrMo4钢的金相组织特性42CrMo4钢是一种低合金钢，具有较高的强度和韧性，适用于承受较大载荷和挤压等复杂工况。
其金相组织主要包括铁素体和珠光体两种组织，铁素体具有良好的塑性和韧性，而珠光体具有较高的硬度和强度。
在常规热处理工艺下，42CrMo4钢的组织组成主要为约85%的铁素体和15%的珠光体。
二、42CrMo4钢在高速切削中金相组织转变的影响因素1. 切削速度切削速度是指工件表面上一点在单位时间内通过的距离，是影响切削加工过程中热量分布和金相组织转变的重要因素。
在高速切削条件下，切削速度的增加会导致工件表面温度升高，加剧材料的塑性变形和相变现象，进而影响金相组织转变过程。
2. 切削深度切削深度是指刀具切入工件的深度，也是影响金相组织转变的重要因素之一。
较大的切削深度会导致较大的切削力和热量积累，加剧金相组织的转变，对工件表面质量产生负面影响。
3. 刀具参数刀具参数包括刀具材料、刃磨角度、刀具半径等，不同的刀具参数对切削加工过程中金相组织转变的影响也不同。
较大的刃磨角度会导致切屑的形态和温度分布发生变化，进而影响金相组织的转变过程。
三、42CrMo4钢高速切削金相组织转变的仿真模型为了研究42CrMo4钢在高速切削过程中金相组织的转变规律，建立了数值仿真模型。
该模型基于有限元方法和相变热学理论，考虑了材料的热传导、塑性变形和相变等多个因素，并结合刀具的几何形状和运动状态，对42CrMo4钢在高速切削过程中金相组织转变的过程进行了数值模拟。
抗弯强度和弯拉强度
抗弯强度和弯拉强度抗弯强度和弯拉强度是材料力学中两个重要的参数，用于描述材料在受到弯曲作用时的抵抗能力。
本文将分别介绍抗弯强度和弯拉强度的概念、计算方法以及在工程领域中的应用。
一、抗弯强度抗弯强度是指材料在受到弯曲作用时的抵抗能力。
它是指材料在承受弯矩时能够抵抗弯曲变形的能力。
抗弯强度的计算方法是通过施加弯曲力矩到材料上，然后测量材料的弯曲变形，最后通过一定的公式计算出抗弯强度的数值。
抗弯强度常用的计算公式是弯矩与截面惯性矩之间的关系。
弯矩是指施加在材料上的弯曲力矩，截面惯性矩是描述材料承受弯曲作用时抵抗变形的能力。
通过测量弯曲试验中的弯矩和变形，可以得到抗弯强度的数值。
在工程领域中，抗弯强度是一个重要的参数。
它可以用来评估材料在受到弯曲作用时的性能。
在设计和选择材料时，抗弯强度是一个重要的考虑因素。
高抗弯强度的材料可以承受更大的弯曲力矩，具有更好的抗弯能力。
二、弯拉强度弯拉强度是指材料在同时受到弯曲和拉伸作用时的抵抗能力。
它是指材料在承受弯曲和拉伸力矩时能够抵抗弯曲和拉伸变形的能力。
弯拉强度的计算方法是通过施加弯曲和拉伸力矩到材料上，然后测量材料的弯曲和拉伸变形，最后通过一定的公式计算出弯拉强度的数值。
弯拉强度的计算方法和抗弯强度类似，都是通过测量试验中的力矩和变形得到。
但是，弯拉强度要考虑材料在弯曲和拉伸作用下的复合变形，因此计算过程较为复杂。
在工程领域中，弯拉强度也是一个重要的参数。
它可以用来评估材料在同时受到弯曲和拉伸作用时的性能。
在设计和选择材料时，弯拉强度是一个重要的考虑因素。
高弯拉强度的材料可以承受更大的弯曲和拉伸力矩，具有更好的抗弯拉能力。
总结：抗弯强度和弯拉强度是材料力学中的两个重要参数，用于描述材料在受到弯曲作用时的抵抗能力。
抗弯强度是指材料在承受弯矩时的抵抗弯曲变形的能力，弯拉强度是指材料在同时受到弯曲和拉伸作用时的抵抗弯曲和拉伸变形的能力。
在工程领域中，抗弯强度和弯拉强度是评估材料性能的重要参数，对于设计和选择材料具有重要的指导意义。
材料的抗弯实验实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解材料在弯曲载荷作用下的力学行为。
2. 掌握材料抗弯性能的测试方法。
3. 研究不同材料在弯曲载荷下的变形和破坏规律。
4. 通过实验数据，分析材料的抗弯强度和弯曲刚度。
二、实验原理材料在受到弯曲载荷时，其内部将产生弯矩和剪力，导致材料发生弯曲变形。
本实验通过测试材料在弯曲载荷作用下的变形和破坏情况，来研究材料的抗弯性能。
根据材料力学理论，材料的抗弯强度和弯曲刚度可以通过以下公式计算：1. 抗弯强度（σ）：σ = M / W，其中M为弯矩，W为截面模量。
2. 弯曲刚度（E）：E = F / ΔL，其中F为作用力，ΔL为弯曲变形长度。
三、实验设备及材料1. 实验设备：万能材料试验机、游标卡尺、弯曲试验台、支架、砝码等。
2. 实验材料：低碳钢、铝合金、木材等不同材料的试件。
四、实验步骤1. 准备实验材料：根据实验要求，选择不同材料的试件，并按照规定的尺寸进行加工。
2. 安装试件：将试件固定在万能材料试验机的弯曲试验台上，确保试件中心线与试验机中心线对齐。
3. 设置实验参数：根据实验要求，设置试验机的加载速度、最大载荷等参数。
4. 加载：缓慢加载至规定载荷，观察试件的变形和破坏情况。
5. 记录数据：记录试件的弯曲变形、破坏载荷等数据。
五、实验结果与分析1. 低碳钢试件：在弯曲载荷作用下，低碳钢试件首先发生弯曲变形，随后出现裂缝，最终发生断裂。
实验结果表明，低碳钢具有较高的抗弯强度和弯曲刚度。
2. 铝合金试件：在弯曲载荷作用下，铝合金试件发生较大的塑性变形，但最终未发生断裂。
实验结果表明，铝合金具有较高的弯曲刚度，但抗弯强度相对较低。
3. 木材试件：在弯曲载荷作用下，木材试件首先发生弯曲变形，随后出现裂缝，最终发生断裂。
实验结果表明，木材具有较高的抗弯强度，但弯曲刚度相对较低。
六、结论1. 低碳钢、铝合金、木材等不同材料在弯曲载荷作用下的抗弯性能有所不同。
2. 低碳钢具有较高的抗弯强度和弯曲刚度，适用于承受较大弯曲载荷的场合。
基于42CrMo_齿轮的弯曲疲劳试验研究
Journal of Mechanical Strength2023,45(2):474-480DOI :10.16579/j.issn.1001.9669.2023.02.030∗20210810收到初稿,20210917收到修改稿㊂河北省高等学校科学技术研究项目(QN2019203),唐山市科技创新团队培养计划项目(18130216A,20130204D),唐山市科技重大专项(19140203F)资助㊂∗∗王嘉军,男,1997年生,河北承德人,汉族,华北理工大学机械工程学院在读硕士生,主要研究方向为先进制造技术㊁机械故障诊断㊂∗∗∗裴未迟,男,1975年生,河北唐山人,汉族,华北理工大学机械工程学院副教授,博士,硕士研究生导师,主要研究方向为先进制造技术㊁机械故障诊断㊂基于42CrMo 齿轮的弯曲疲劳试验研究∗RESEARCH ON BENDING FATIGUE TEST BASED ON 42CRMO GEAR王嘉军∗∗㊀裴未迟∗∗∗㊀纪宏超㊀龙海洋㊀王志涛(华北理工大学机械工程学院,唐山063210)WANG JiaJun ㊀PEI WeiChi ㊀JI HongChao ㊀LONG HaiYang ㊀WANG ZhiTao(College of Mechanical Engineering ,North China University of Technology ,Tangshan 063210,China )摘要㊀42CrMo 属于超高强度钢,其具备较高的强度,材料淬透性能好,淬火后的变形量小,大量地应用于牵引用的大齿轮㊁承压主轴㊁连杆等传动件材料,弯曲疲劳试验对齿轮疲劳寿命预测具有重要意义㊂首先,通过齿轮弯曲疲劳试验,获得了应力比R =0.1时交变载荷作用下的齿轮弯曲疲劳试验数据,得到了齿轮弯曲疲劳强度P-S-N 曲线和拟合曲线关系式,以及不同可靠度下齿轮所能承受弯曲的疲劳极限值㊂随后,采用有限元方法对齿轮弯曲疲劳试验进行了数值模拟,得到了齿轮齿根处的静力学强度和理论计算值对比,分析表明数值模拟所得结果与理论分析结果基本一致,可以作为弯曲疲劳试验疲劳寿命仿真的基础㊂最后,通过弯曲疲劳寿命试验试验值与数值模拟结果对比,结果表明,疲劳寿命试验值与可靠度在84.1%时数值模拟得到的弯曲疲劳寿命基本一致,验证了数值模拟的准确性,因此能够有效预测42CrMo 齿轮的弯曲疲劳寿命㊂关键词㊀齿轮㊀弯曲疲劳㊀疲劳寿命㊀P-S-N 曲线中图分类号㊀TH133.3㊀Abstract ㊀42CrMo is a kind of ultra-high strength steel,which has high strength,good hardenability and small deformation after quenching.It is widely used in driving materials such as large gears,bearing spindle and connecting rod used in traction.Bending fatigue test is of great significance for fatigue life prediction of gears.First of all,the bending fatigue test data of gearunder alternating load at stress ratio R =0.1were obtained,the P-S -N curve of gear bending fatigue strength and the fitting curve relation were obtained,and the fatigue limit value of gear under different reliability was obtained.Then the finite element methodwas used to simulate the bending fatigue test of gear.The static strength at the root of the gear tooth is compared with the theoretical value,and the analysis shows that the numerical simulation results are basically consistent with the theoretical analysis results,which can be used as the basis of fatigue life simulation of bending fatigue test.Finally,the experimental values of the bending fatigue life test are compared with the numerical simulation results.The results show that the fatigue life test values are basically consistent with the numerical simulation results when the reliability is 84.1%,which verifies the accuracy of the numerical simulation and can effectively predict the bending fatigue life of 42CrMo gear.Key words㊀Gear ;Bending fatigue ;Fatigue life ;P-S-N curveCorresponding author :PEI WeiChi ,E-mail :pwc @ ,Tel :+86-315-8805440The project supported by the Hebei Provincial Higher Education Science and Technology Research Project (No.QN2019203),the Tangshan Science and Technology Innovation Team Training Project (No.18130216A,20130204D),and the Tangshan Science and Technology Major Project (No.19140203F).Manuscript received 20210810,in revised form 20210917.0㊀引言㊀㊀齿轮弯曲疲劳试验研究其主要目的在于研究其齿轮抗弯曲的能力,即齿轮在工作运转的过程中不断地承受重复载荷且不会造成疲劳破坏;其主要特征是齿根位置由于在反复的周期疲劳载荷的作用下出现疲劳裂纹,而伴随着裂纹的扩展将导致齿根受力面积将不断减小,最终沿着齿根断裂造成齿轮失效[1-3]㊂㊀第45卷第2期王嘉军等:基于42CrMo齿轮的弯曲疲劳试验研究475㊀㊀关于齿轮方向的研究已有将近百年的历史㊂早在1931年,国外就开始了有关齿轮的弯曲疲劳试验的研究,而随着国际工业水平的发展与进步,弯曲疲劳试验的研究不断取得阶段性成果㊂我国有关齿轮方面的研究起步相对较晚,但也在上一世纪七十年代开始起步,至今也有五十年左右的历史㊂2010年郑州机械研究所的祁倩[4]对42CrMo齿轮在高应力水平下,同种材料的齿轮软齿面和硬齿面进行弯曲疲劳试验研究,并且依据试验结果获取了该齿轮的P-S-N曲线㊂2016年郑州机械研究所的马威[5]对18CrNiMo7-6的齿轮以试验法和有限元分析法为基础,并且依据试验结果获取了R-S-N曲线㊂以上研究的齿轮材料或型号与本试验所选齿轮有所不同,所以参考价值有限,有必要单独研究该型号齿轮㊂研究42CrMo合金钢经渗碳0.9~1.1mm后的疲劳性能,随后通过数理统计方法对试验数据分析和处理,得到了P-S-N拟合曲线关系式并绘制疲劳试验P-S-N曲线[6]㊂1㊀齿轮弯曲疲劳试验㊀㊀齿轮在运转啮合的过程中承受交变应力的作用,轮齿表面加工刻痕或内部缺陷等部位,有可能因交变应力的作用引发微小裂纹㊂分散的微小裂纹逐渐汇聚形成宏观裂纹㊂宏观裂纹在轮齿上的缓慢扩展,导致轮齿横截面逐渐缩小,当横截面缩小到一定程度时,轮齿会因无法再承受动载荷导致轮齿断裂[7]㊂齿轮因交变应力发生的失效,属于齿轮的疲劳失效㊂齿轮弯曲疲劳试验是依据试验所得弯曲疲劳寿命数据,绘制齿轮材料的S-N曲线,进而测定该材料下齿轮的疲劳极限的方法[8]㊂1.1㊀试验齿轮及设备㊀㊀本次试验所选用的齿轮材料为42CrMo,其生产工艺为锻造毛坯-正火-粗车-调质-精车-剃齿-渗碳淬火-磨齿,齿轮渗碳层有效硬化层厚度为0.9~1.1mm,表面硬度HRC58~62,齿轮的基本参数如表1所示㊂表1㊀42CrMo齿轮参数Tab.1㊀42CrMo gear parameters齿数Teeth模数Modulus/mm压力角Pressure angle/(ʎ)齿宽Tooth width/mm 2062025试验所采用的是非运转式单向高频共振弯曲疲劳试验机,具体型号为通用的PLG200电磁激励共振性疲劳试验机,其特点是用压头来代替两齿轮啮合所承受的载荷施加到齿面上,振动波形输出的失真度低㊁频率范围广(最高可实现500Hz)㊁试验可控性强,试验效率高㊂在室温下进行试验,不考虑润滑和温度等条件对齿轮疲劳寿命的影响㊂其固有频率如式(1)所示f=C/m/2π(1)式中,C为机械共振系统总刚度,N/m;m为机械共振系统质量,kg㊂试验标准采用GB/T14230 2021标准来执行,采用单齿加载的方式来进行,试验采用成组法来获取齿轮的S-N曲线㊂弯曲疲劳试验如图1所示㊂图1㊀齿轮弯曲疲劳试验Fig.1㊀Bending fatigue test of gear1.2㊀试验失效判定准则㊀㊀42CrMo齿轮弯曲疲劳试验终止,其判定准则如下[9]:(1)齿根处出现肉眼可见的疲劳裂纹㊂(2)施加载荷或载荷下降5%~10%;沿齿根发生轮齿断裂㊂(3)循环寿命次数超过3ˑ106,判定越出㊂1.3㊀试验应力转换㊀㊀在试验过程中,载荷的施加是通过上压头对轮齿表面施加脉动循环载荷㊂载荷是周期性不断变化的,其中最小的载荷不能为0,以避免试验过程中冲击过大或者导致机器不稳定造成设备损伤㊂既循环应力(应力比)R=S min/S maxʂ0,故应力比选择R=0.1㊂试验选择用工程应用中危险截面常选用的平截面法中的30ʎ切线法㊂获取齿轮在轮齿齿顶面上载荷作用点E的位置,如图2所示㊂根据国标GB/T3480 3.2021给齿轮加载位置和相关参数,可得齿根处的应力,如式(2)所示σᶄF=FtY FE Y SE/(bmY ST YδrelT Y RelTY X)(2)图2㊀齿轮加载位置判定Fig.2㊀Determination of gear loading position㊀476㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀式中,Y FE为载荷作用于E点时的齿形系数,参照GB/T3480.3 2021给出计算公式㊂关于齿轮系数,如公式(3)所示[10]7-23Y FE=6(h FEm n)cosαFEn(s Fn mn)2cosαn(3)式中,m n为齿轮模数为6mm;αn为20ʎ的分度圆上法向压力角;依据GB/T3480.3 2021齿轮加载位置判定如图2所示,可得αFEn=28.10ʎ㊁h FE=9.83㊁S Fn= 11.01㊂将上述的参数代入公式(3)中可得到公式为Y FE=6(9.836)cos28.10ʎ(11.016)2cos20ʎ(4)式中,Y S为应力修正系数,需要与齿形系数Y F联合使用,对于分度圆角度为20ʎ的齿轮,齿形系数公式为Y S=(1.2+0.13L)q s11.21+2.3/L=1.4839(5)式中,L为齿根危险截面处齿厚与弯曲力臂的比值,ρF 从图2中测量可知为4.0㊂L=S Fnh FE=11.019.83=1.120q s=S Fn2ρF=11.012ˑ4.0=1.37625(6)㊀㊀依据国标进行选择Y ST=2,YδrelT=0.95,Y RelT= 1.04,Y X=0.95,将参数代入到公式(2)中可得σᶄF=Ftˑ2.4174ˑ1.48394325ˑ6ˑ2ˑ0.95ˑ1.04ˑ0.95(7)㊀㊀由于考虑到试验的限制性,将本试验预定应力比R=0.1代入,将实际齿根处应力σᶄF进行换算为应力比R=0时的脉动循环应力σF,应力转换公式,如式(8)所示σF=(1-r)σᶄFσb-r FσᶄF σb+350()(8)式中,σb为材料的实际抗拉强度1131MPa㊂将预定好试验的5个载荷水平的应力值代入到公式(7)与公式(8)中,得到应力值转换,如表2所示㊂表2㊀载荷水平转换表Tab.2㊀Load level conversion table载荷Load/kN2522191613σᶄF/MPa318.50280.28242.06203.81165.56σF/MPa292.95257.12221.14186.02150.742㊀疲劳试验及数据处理2.1㊀试验准备过程㊀㊀在弯曲疲劳试验正式开始之前,首先要确定试验的应力水平㊂从试验样品中选2个做静强度试验,根据静强度来确定试验中的最高应力水平为σF1= 292.95MPa,试验选择5个载荷级别㊂其中σF1= 292.95MPa,σF2=257.12MPa,σF3=221.14MPa,σF4=186.02MPa,σF5=150.74MPa㊂对试验齿轮进行编号处理从01㊁02㊁03㊁ ㊁010,共10个试验齿轮,每个应力水平选取8个试验点,即每个齿轮选择4个轮齿样品点,每个样品点之间间隔4个轮齿,降低两个样品点之间会受到相邻试验取样点的影响㊂2.2㊀试验结果㊀㊀本次弯曲疲劳试验共选择五个载荷级别,其中σF1=292.95MPa,σF2=257.12MPa,σF3=221.14 MPa,σF4=186.02MPa,σF5=150.74MPa㊂与之对应的五组载荷下的疲劳寿命次数如表3所示㊂表3㊀不同载荷下的疲劳寿命Tab.3㊀Fatigue life under different loads103cycle序号No.I II III IV V 186.6402.21331.62308.7104 294.2472.41917.52818.7104 3164.7616.82328.53103.3104 4166.1804.42632.93451.2104 5173.4838.22771.53914.8104 6282.5966.13154.84118.1104 7304.41216.93402.24478.6104 8376.31667.93812.35375.2104根据GB/T14230 2021中,关于某一循环寿命N L的寿命经验分布函数的关系表达式为[11]P(N L)=i-0.3n+0.4(9)式中,n为试验点总数;i为试验序号㊂失效概率如表4所示㊂表4㊀寿命累计失效概率表Tab.4㊀Life cumulative failure probability table 序号No.12345678失效概率Failure probability0.080.20.320.440.560.680.80.92 2.3㊀S-N曲线的数据分布处理㊀㊀现有的试验结果表明,关于齿轮弯曲疲劳寿命的概率分布是符合正态分布以及对数正态概率分布,试验中的应力及寿命对数化,如表5所示㊂本试验利用对数正态分布函数来确定齿轮弯曲疲劳寿命,公式为[10]7-23f(N)=lgeNσN2πe-(lg N-μ)22σN2(10)式中,μ为对数寿命平均值;σN为总体的对数寿命标准差;N为齿轮疲劳寿命㊂失效概率为50%的对数寿命,如㊀第45卷第2期王嘉军等:基于42CrMo齿轮的弯曲疲劳试验研究477㊀㊀lg N50=μ(11)㊀㊀而在某一应力水平下,获取到试验的弯曲疲劳试验寿命为N1,N2,N3, ,N n,则对数寿命的平均值,如x=1nðn i=1lg N i(12)表5㊀应力对数和寿命对数Tab.5㊀Log of stress and life序号No.应力和寿命取对数Log of stress and life5.68 5.55 5.40 5.23 5.021 1.134 1.291 1.410 1.465 1.6122 1.145 1.307 1.447 1.485 1.6123 1.201 1.333 1.466 1.495 1.6124 1.202 1.360 1.478 1.505 1.6125 1.206 1.364 1.484 1.518 1.6126 1.255 1.378 1.496 1.523 1.6127 1.263 1.401 1.504 1.532 1.6128 1.284 1.433 1.515 1.550 1.612总体寿命的平均值μ的估计值选择样本寿命的平均值,如lg N50=1nðn i=1lg N i(13)㊀㊀通过对上式的联立求取试验应力水平下的均值疲劳寿命,将获取的五组应力水平对应的N50都计算出来,将所得数据进行拟合得到失效50%时的疲劳寿命曲线㊂2.4㊀S-N曲线拟合㊀㊀本试验的疲劳寿命满足对数正态分布的,如[12]F(N)=ϕ(ln N-μσ)(14)㊀㊀按照正态分布方程为ϕ-1[(F(N)]=ln N-μσ,其中,Y=ϕ-1[(F(N)],x=ln N,A=1/σ,B=-μ/σ,将公式转换为y=Ax+B,可靠度R=1-F(N),以此反映循环寿命和可靠性之间的关系㊂将试验所得的[ln N i,ϕ-1[F(N i)]]采用最小二乘法的数据拟合方式,最终得到循环寿命在107时不同存活率下的拟合后的P-S-N曲线,如图3所示,所得拟合曲线公式,如表6所示㊂图3㊀P-S-N曲线Fig.3㊀P-S-N curve表6㊀P-S-N拟合曲线关系式Tab.6㊀P-S-N fitting curve relation可靠度Reliability/%y=A lg N+B相关系数Correlation coefficient 50y=-75.31lg N+694.410.969090y=-62.18lg N+586.950.978395y=-59.97lg N+569.030.979899y=-55.41lg N+532.000.9823根据弯曲疲劳试验数据的拟合结果可知,齿轮疲劳的可靠度在50%㊁90%㊁95%㊁99%时的弯曲疲劳应力极限水平分别是167.23MPa㊁151.72MPa㊁149.22 MPa㊁144.10MPa㊂从试验数据发现,齿轮寿命的存活率越高,齿轮所能承受的疲劳极限寿命越低㊂3㊀齿轮弯曲疲劳数值模拟3.1㊀齿轮静力学分析㊀㊀根据相关弯曲疲劳试验的夹具二维图纸,利用SolidWorks设计弯曲疲劳试验的三维模型,如图4所示,试验齿轮的相关参数,如表1所示㊂图4㊀弯曲疲劳试验三维模型Fig.4㊀3D model of bending fatigue test为了降低对关键部位的有限元分析结果精确度和降低分析所需要的时间,对弯曲疲劳试验系统三维模型进行简化分析,只保留齿轮主体作为研究对象㊂而弯曲疲劳试验的数值模拟采用Abaqus有限元分析软件,具体分析情况如下:①编辑材料属性,编辑齿轮材料42CrMo的泊松比0.28及弹性模量212GPa,材料密度设置为7800kg/m3等分析所需材料属性㊂②添加加载力,在齿面上设置为线接触,接触线的面与齿轮基圆相切,通过接触线以集中力的方式将载荷施加在轮齿表面,在加载的时候选取线上的一排结点进行加载㊂③设置约束及边界条件㊂在齿轮内孔表面进行圆柱约束,限制齿轮在x,y,z三个方向转动自由度㊂④网格的选取与划分,齿轮整体的网格类型选用较为简单的四面体等参单元(C3D4),有限元模型如图5所示㊂⑤载荷施加,在齿轮上分别加载竖直向下25kN㊁22kN㊁19kN㊁16kN㊁13kN的载荷;在分析运算后获得齿轮等效应力分布云图以及轮齿受拉侧和受压侧的应㊀478㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀力分布,提取应力云图,如图6所示㊂以给定最大载荷F =25kN 为例,当轮齿疲劳失效发生时,Mises 等效应力云图,如图6a 所示,该载荷下齿根受压侧和受拉侧的局部放大应力云图如图6b 和图6c 所示㊂由于该弯曲疲劳试验一共分为5组,每组设置不同载荷水平进行,故将不同载荷水平下轮齿发生疲劳失效时齿根的应力值列于表7㊂图5㊀齿轮有限元模型Fig.5㊀Gear finite elementmodel图6㊀F =25kN 轮齿及两侧Mises 等效应力云图Fig.6㊀F =25kN gear tooth and Mises equivalent stress cloud diagram on both sides表7㊀五组载荷下的轮齿应力情况Tab.7㊀Tooth stress under five sets of loads载荷Load /kN 2522191613齿根受压侧应力Tooth root compression side stress /MPa 187.96178.33154.01129.69105.38齿根受拉侧应力Tooth root tension side stress /MPa270.32237.88205.45173.01140.57依据表7中的数据绘制图7,从图7中可以发现,齿根受拉侧和齿根受压侧应力的倍率关系前者是后者的1.3倍左右㊂图7㊀齿根两侧应力水平Fig.7㊀Stress levels on both sides of the root将数值模拟所得的仿真应力值用σmax 来表示,用(σmax -σF )/σF 来表示数值模拟应力与理论计算之间的误差,数值模拟所得齿根受拉侧应力仿真值σmax 与理论计算所得实际齿根应力值σᶄF 与脉动循环应力σF 理论值对比,如表8所示㊂表8㊀五组载荷下齿根弯曲应力理论值与仿真值对比Tab.8㊀Comparison of theoretical value and simulation value of bending stress of tooth root under five sets of loads载荷Load /kN σᶄF /MPaσF /MPa σmax /MPa (σmax -σF )/σF25318.5292.95270.32-8.37%22280.28257.12237.88-8.09%19242.06221.14205.45-7.64%16203.81186.02173.01-7.52%13165.56150.74140.57-7.23%一直以来,都是以齿轮的弯曲应力作为齿轮弯曲疲劳寿命计算的参考,利用静强度的方法来设计齿轮疲劳寿命[13]㊂通过表8中的五组载荷下齿根弯曲应力理论值与仿真值对比分析的数据可以发现,通过数值模拟可以利用有限元仿真结果去验证齿轮弯曲疲劳寿命㊂由图8可知,以齿轮受拉侧的数值模拟应力结果作为进一步疲劳分析的数据基础㊂图8㊀齿根弯曲应力理论值与仿真值对比Fig.8㊀Comparison between theoretical value andsimulation value of tooth root bending stress㊀第45卷第2期王嘉军等:基于42CrMo 齿轮的弯曲疲劳试验研究479㊀㊀3.2㊀齿轮弯曲疲劳分析㊀㊀在Fe-Safe 中需要与材料对应的疲劳特性参数,通过对现有参数进行二次编辑的方法㊂对弯曲疲劳试验所用的42CrMo 齿轮材料,按照其弹性模量E =2.12ˑ105MPa,抗拉强度为1080MPa,在现有的材料库进行编辑设定其参数[14]1-6㊂并通过Matlab 编制载荷谱,其载荷谱如图9所示,作为Fe-Safe 中的载荷历程㊂依据Miner 线性累积损伤理论,当所有应力的寿命损伤率之和等于1时,疲劳破坏将会出现[14]1-6㊂Fe-Safe 软件将会参照这一原则,进行齿轮疲劳破坏的判定,发生疲劳破坏的单元计算终止,未发生损伤的单元运算则继续进行,当循环次数达到所设置的值107时,计算停止㊂图9㊀疲劳试验载荷谱Fig.9㊀Fatigue test load spectrum㊀㊀将疲劳寿命计算的最终结果再次导入Abaqus 中进行处理,得到齿轮对数疲劳寿命云图㊂如图10为可靠度为84.1%时,不同载荷下齿轮对数疲劳寿命云图,结果如表9所示㊂图10㊀可靠度84.1%不同载荷下齿轮对数疲劳寿命云图Fig.10㊀Stress levels on both sides of the root表9㊀可靠度84.1%时齿轮弯曲疲劳寿命Tab.9㊀Gear bending fatigue life table at 84.1%reliability 载荷Load /kN 2522191613试验寿命Testlife 9420047240019175002818700107仿真寿命Simulation life9931135481317538802426610107从图10中,可以发现不同载荷下齿轮对数疲劳寿命云图,当载荷水平在13kN 时是分界值,大于13kN的疲劳寿命小于设定值107,而当载荷水平小于等于13kN 时,齿轮的疲劳寿命可以实现无限循环即超越设定值107㊂由图11可知,可靠度在84.1%时,数值模拟得到的弯曲疲劳寿命与弯曲疲劳试验所得数据对比,可以得出采用Abaqus /Fe-Safe 所求取的疲劳寿命是可以满足设计需求的㊂4㊀结论㊀㊀结合弯曲疲劳试验数据的真实有效性与有限元数值模拟便利㊁经济性的特点,本文研究了基于42CrMo 齿轮弯曲疲劳试验,并取得了以下结论:图11㊀试验与仿真弯曲疲劳寿命对比Fig.11㊀Comparison of bending fatigue life between test and simulation1)通过对42CrMo 齿轮的弯曲疲劳试验研究,获得了42CrMo 齿轮的弯曲应力转换以及弯曲疲劳寿命数据㊂2)根据弯曲疲劳试验寿命数据,得到了42CrMo渗碳齿轮弯曲疲劳强度S-N 曲线以及P-S-N 拟合曲线关系式,以及在循环寿命为107时不同存活率下的齿轮弯曲疲劳寿命的疲劳极限应力值㊂3)利用Abaqus /Fe-Safe 估计的齿轮弯曲疲劳寿命与弯曲疲劳试验做对比,可靠度在84.1%时数值模拟可以满足齿轮弯曲疲劳寿命设计需求㊂㊀480㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀参考文献(References)[1]㊀裴未迟.重型装备传动齿轮疲劳裂纹演化试验与数值模拟研究[D].北京:北京科技大学,2021:1-5.PEI WeiChi,Experimental and numerical simulation study on fatiguecrack evolution of transmission gear of heavy equipment[D].Beijing:University of Science and Technology Beijing,2021:1-5(In 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试样表面状态对淬硬粉末冶金高速钢抗弯强度的影响
吴元昌:教授级高级工程师,原成都工具研究所副总工程师。
收稿日期:1998208222・研究与评述・试样表面状态对淬硬粉末冶金高速钢抗弯强度的影响吴元昌(成都工具研究所 成都610056)摘 要 淬硬粉末冶金高速钢抗弯试样的表面状态影响其抗弯强度值颇剧。
报道了不同磨削表面粗糙度,PVD -T iN 涂层,盐浴炉和直空炉热处理,以及氮化等不同表面状态抗弯试样的抗弯强度数据,并作了相应的解释。
它将有助于刀具设计及工艺方案的选择。
关键词 淬硬 粉末冶金高速钢 表面状态 抗弯强度THE EFFECT OF S URFACE C ONDITI ON OF H ARDE NE D PM HSS ON ITS BE NDI NG STRE NG THWu Y uanchang(Chengdu T ool Research Lnstitute ,Chongdu 610056)Abstract The surface condition of hardened PM HSS bending test specimen affects its bending strength seriouly.The bending strengths of specimens with different surface rough 2ness produced by PVD -T iN coating ,salt bath and Vacuum furnace heat treatment and nitriding treatment are reported ,s ome comments are given.It will be helpful for cutting tool design and selection of m onu facturing process. K ey w ords hardening powder metallurgy high speed steel surface condition ben 2ding strength 高硬度、较脆的淬回火高速钢,由於其无缺口冲击韧性分散性大,使抗弯强度值成为淬硬高速钢日常应用的最重要的韧性指标。
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M42高速钢刀具的抗弯强度试验及分析
高速钢刀具的失效形式与刀具材料的热处理状态、淬火硬度、强度、韧性、
表面质量等因素密切相关，确定它们之间的相互关系及变化规律，对于刀具
制造及切削加工具有重要意义。
1 M42高速钢刀具的失效形式
硬度是影响高速钢刀具性能的重要指标之一。M42高速钢(国外牌号)立铣
刀经分级淬火后硬度达68～70HRC。由于硬度偏高，该刀具切削工件时，
切削刃口很快发生崩刃，导致刀具快速失效。从失效刀具上可观察到两种崩
刃形式：①刃口产生如图1所示的均匀崩刃，在前、后刀面之间有一段刃口
均匀缺损，产生的崩刃斜面与基面约呈45°角；
图1 M42高速钢立铣刀的均匀崩刃
②刃口产生如图2所示的脆性崩刃，如剥皮似地沿第一、第二后刀面脱层崩
刃，即刀具碎片以薄层形式从刀具后表面上剥落，刃口崩刃处局部有放射状
和人字形花纹，无疲劳源迹象，因此属脆性崩刃。
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2
图2 M42高速钢立铣刀的脆性崩刃
此外，在使用过的刀具中还观察到如图3所示的垂直于切削刃的裂纹。失效
刀具崩刃后留在刀体上的裂纹方向与磨制后刀面时留下的刀痕方向一致，且
裂纹程度与刀具后刀面的表面粗糙度有关，粗糙度值越大，留下的裂纹隐患
越多。由于淬火硬度高，刃口处应力易集中，因此一旦产生裂纹，便会急剧
扩展，直至刀具某段刃口完全脱离刀体，产生脱层崩刃。
图3 M42高速钢立铣刀的裂纹
2 刀具的抗弯强度试验
一般来说，刀具硬度高，其耐磨性较好，但韧性较差，脆性较大。通常可用
韧性指标来表示刀具抵抗裂纹产生和扩展的能力。评定脆性材料韧性的常用
方法是抗弯强度试验(高速钢刀具经淬火后可认为是脆性材料或低塑性材
料)。该试验不受试样偏斜的影响，可稳定测试刀具的抗弯强度值。由于强
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度与韧性相互关连，因此抗弯强度值越高，刀具抗脆性断裂的能力(即韧性)
越强。
2.1 试验方法
由于未查到工具钢抗弯强度试验国家标准，因此我们根据材料力学抗弯强度
计算公式自行设计了M42高速钢立铣刀的抗弯强度试验方案，并确定了试
样和跨距支点尺寸。首先用经不同热处理工艺处理的M42高速钢立铣刀进
行切削，并观察刀具的失效形式，然后用失效刀具制成不同尺寸的方形小桁
条试样，将试样置于万能材料试验机上，在试样三点弯曲状态下以缓慢速率
对试样加载，测出其抗弯强度值。
2.2 试样受力状态分析
试验中，试样断面上的应力分布不均匀，表面应力最大。压力作用点在两个
支点之间，试样上表面受压应力，下表面受拉应力，中间段呈悬臂状态。
在试验过程中，受压试样经历三个阶段的变化：①弹性变形阶段；②塑性变
形阶段；③裂纹扩展至断裂阶段。由于脆性材料的塑性变形极小，因此第二
阶段可忽略不计。
试样破损形式可解释为：试样中段表面应力集中，首先产生弹性变形，当应
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力大到一定程度后即产生表面裂纹，裂纹迅速扩展到整个试样截面，试样断
裂。弹性变形需要一定能量，裂纹扩张至断裂也需要一定能量，两者之和可
反映材料从产生裂纹至扩张断裂的难易程度，因此抗弯强度值可表示阻碍材
料裂纹扩张的能力。
刀具刃口受力情况如图4所示。切削刃口呈楔角状，实体夹角<75°，切削
力集中作用于刃口附近1mm区域内，切削力P基本垂直于前刀面，刃口呈
悬臂状，受到压应力，支点在芯径内切圆上。由于刀具受力状态与抗弯试验
状态大体相似，因此通过抗弯强度试验来评定刀具材料韧性较为合理。虽然
严格地说，抗弯强度试验与刀具实际工作状态仍有不同，如刀具刃口的受力
速度、截面大小等均不一样(抗弯强度试验是对试样缓慢加力)，但由于抗弯
强度值是表示单位面积所受力的大小，与力的作用速度、刀具截面大小无关，
因此上述差别影响不大。
图4 刀具刃口受力情况
3 试验结果及分析
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5
采用不同热处理工艺的M42高速钢立铣刀的切削试验与抗弯强度试验结果
如表所示。
表 M42高速钢刀具切削试验与抗弯强度试验结果
序 号 试样 尺寸 (mm) 热处理工艺 硬度 (HRC) 抗弯强度sbb (平均值) 刀具失效形式与强度试验表
现
1 5×5 ×60 原分级淬火：1160～1200℃淬火，540～550℃三次回火 67.3～67.9 3024
切削不久产生均匀崩刃(尺寸
10×1)；强度试验时3个试样
受力即一端崩掉，表明刀具脆
性大，不适合较高速切削，切
削参数较低
2 5×5 ×51 同上 67.9～68.3 2746
切削不久产生大块脱层；强度
试验时2个试样受力即一端
崩掉，表明刀具脆性大，不适
合较高速切削，切削参数较低
3 5×5 ×51 同上 68～68.4 2518
切削不久产生11处崩刃(尺寸
2×0.3)；不适合较高速切削，
切削参数较低
4 5×5 ×51 同上 64～64.4 3543
磨损较快，切削参数较低
5 5×5 改进分级淬67～67.1 3429
切削时有1处崩刃(尺寸
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6
×55
火：1160～1200℃淬火，540～560℃四次回火 1×0.3)；适合较高速切削，切
削参数较高
6 5×5 ×55 等温淬火：1160～1200℃淬火，540～560℃四次回火 67～67.1 3605
切削正常，无崩刃；适应较高
速切削，切削参数较高
分析试验结果，可得出如下结论：
1) 采用原分级淬火工艺时，刀具热处理硬度高(68～70HRC)，脆性大，不
利于正常切削。
2) 采用改进分级淬火工艺时，刀具热处理硬度在65～67.5HRC之间，使
用性能有所改善。
3) 采用等温淬火工艺时，淬火过程中奥氏体转变为贝氏体，体积变化小，
奥氏体转变为马氏体的数量减少，组织应力减小，经正确回火后，既保持了
高速钢刀具所需硬度(65～67.5HRC)，又改善了强度和韧性。在硬度基本相
同的情况下，等温淬火刀具的σbb(平均值)比改进分级淬火刀具大约高
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7
5.1%。
4) M42高速钢立铣刀的硬度超过67.5HRC后，刀具脆性增大，韧性较差，
抗弯强度值较低，只适合用于小余量精铣，不适合用于切削力、冲击力较大
的粗铣、半精铣及高速切削。如刀具硬度低于65HRC，虽然可适应较大加
工范围，抗弯强度值高，韧性较好，但刀具耐磨性差，工作寿命降低，同样
不利于高速切削，难以体现出M42高速钢切削速度高、耐磨性好的特点。
为使刀具兼有较大加工范围和较理想的切削性能，将刀具硬度控制在65～
67.5HRC之间较为适宜，在此硬度范围内，刀具可保持较高的红硬性和耐
磨性，而韧性及强度又可得到适当改善，刃口韧性好，不易崩刃，可选取较
高切削速度及较大走刀量。
通过对M42高速钢立铣刀进行抗弯强度试验，分析了刀具材料热处理硬度
与韧性之间的内在联系及变化规律，为刀具设计人员提供了合理的刀具硬度
范围，对提高刀具使用性能具有重要意义。