2024年6月2日发(作者：之星腾)
产品 技术
Product & Technology
●
盾构机滚刀化学成分和力学性能研究
Chemical Composition and Mechanical Properties Analysis of
Cutter for Komatsu Shield Machine
中铁十四局集团有限公司
王天宋
/WANG Tiansong
摘 要：
通过对小松盾构机滚刀刀圈进行化学成分和含量、力学性能、金属流线、金相组织、扫描电镜（
SEM
）
和
X
射线衍射（
XRD
）实验分析，根据实验结果，对刀具的磨损情况和破坏情况进行了推断，为盾构机刀具选型和
施工参数控制提供了参考。
关键词：
盾构
滚刀
实验分析
刀具磨损
力学性能
通过对小松盾构机滚刀刀圈进行化学成分与含量、
2.4
硬度
采用
HRS-150
型数显洛氏硬度计对刀圈试样进行
力学性能、金属流线、金相组织等数据进行分析，结
合施工过程中滚刀切削岩层的磨损情况及刀具耐久性，
硬度测试，按照国标
GBT 230-91
金属洛氏硬度试验方
进一步研究滚刀化学成分的组成对刀具的适用性及耐
久性，提高滚刀的抗磨损能力和使用寿命。
法进行试验，获得刀圈截面各点硬度。
1
研究目的
方法进行试验并计算获得材料冲击韧性。
2.5
断裂韧性
采用美国
Instron3369
材料力学试验机进行断裂韧
性实验；按照国标
GBT 4161-2007
金属材料
平面应变
断裂韧度
KIC
试验方法进行试验，通过计算获得材料
冲击韧性。
2
分析方法及检测设备
通过化学成分与含量测试初步得到刀圈试样的化
学成分；通过抗拉、冲击韧性和断裂韧性试验获得刀
圈试样的力学性能；通过洛氏硬度仪测得刀圈试样刃部
至芯部的硬度分布；通过刀圈流线实验观测刀圈的流
通过
SEM
实验观测刀圈试样的显微组织；通过金相分
析获得刀圈材料组织的金粒度；通过
XRD
实验获得刀
圈材料组织的含量。实验过程中，采用众多实验仪器
进行测试。其中包括如下实验设备。
2.6
残余应力
采用
iXRD
便携式
X
射线衍射仪进行残余应力实
2.7 SEM
采用
Hitachi SU3500
扫描电镜对刀圈试样进行显
微组织分析；
分析材料中残余应力。
线分布；通过刀圈材料残余应力实验获得刀圈残余应力；
验；
2.1
化学成分与含量
采用力可
CS744
碳硫仪和
Spectro Blue Sop
全谱直
读光谱仪（
ICP-OES
）对刀圈试样进行化学成分及含量
分析。其中碳硫仪主要是测定试样中的碳元素与硫元素
含量，
ICP-OES
能够测定钢铁及其合金中个元素含量。
2.8 X
射线衍射试验
采用西门子
D500
进行
XRD
分析。获得
X
射线衍
射谱，通过
Jade5.0
和
Pdf2
卡片，检索材料中各项相
的成分。
2.2
抗拉强度
采用
Instron
型电液伺服力学试验机对刀圈试样进
行拉伸实验，按照国标
GB 228-87
金属拉伸试验方法
进行试验，通过计算获得材料疲劳强度。
3
结果与分析
3.1
化学成分及含量分析
通过力可
CS744
碳硫仪和
Spectro Blue Sop
全谱
直读光谱仪得到刀圈试样的化学成分与含量
,
其分析结
果见表
1
。
未查到与成分相符的钢材牌号，就本材料与
DC53
2.3
冲击韧性
采用冲击试验机对刀圈试样进行冲击韧性实验；
相比，
C
（
0.79
与
DC53
的
0.9
～
1.05
）与
Cr
（
5.07
与
按照国标
GBT 229-2007
金属材料夏比摆锤冲击试验
DC53
的
7.8
～
8.5
）含量有所降低，（
0.5
与
DC53
的
7.8V
66
CMTM
2019.08
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产品 技术
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●
表1 刀圈材料化学成分分析结果（%）
元素
C
Mn
Cr
Mo
V
P
含量（
%
）
0.79
0.38
5.07
1.86
0.5
0.027
元素
S
Si
Ni
Cu
Al
Co
含量（
%
）
0.0035
0.086
0.17
0.067
0.075
0.074
较芯部的晶粒度高、晶粒细小，抗拉强度高。
3.3
刀具冲击韧性实验
通过冲击实验机获得结果如表
4
、表
5a
、表
5b
、
表
6
和表
7
所示：
表4 刀圈刃部V型缺口冲击实验测量值
样品号
1
2
3
4
平均值
RV 1
RV 2
RV 3
RV 4
冲击吸收功
/J
2.203
1.958
1.836
2.203
2.05
表5a 刀圈刃部U型缺口冲击实验测量值
样品号
1
2
3
平均值
RU 1
RU 2
RU 3
冲击吸收功
/J
2.203
2.937
2.693
2.611
表5b 刀圈芯部V型缺口冲击实验测量值
冲击韧性
/(J/m
2
)
2.754
3.672
3.366
3.264
冲击韧性
/(J/m
2
)
2.754
2.448
2.295
2.754
2.56275
～
8.5
）的含量有所上升。
3.2
拉伸实验
通过线切割加工从滚刀刀圈刃部和芯部上切取拉
伸试样各
5
个，如图１所示；
刀圈刃部拉伸试样
刀圈芯部拉伸试样
图1 拉伸试验实物图
表2 刀圈刃部拉伸实验测量值
样品号
1
2
3
4
5
平均值
R1
R2
R3
R4
R5
峰值载荷
/kN
54.77
55.46
50.76
53.23
50.29
52.90
屈服强度
/MPa
——
——
——
——
——
——
抗拉强度
/MPa
2265.29
2300.88
2105.85
2199.18
2086.33
2191.50
样品号
1
2
3
4
平均值
XV 1
XV 2
XV 3
XV 4
冲击吸收功
/J
9.792
4.161
7.100
6.364
6.854
冲击韧性
/(J/m
2
)
12.239
5.200
8.874
7.956
8.567
表6 刀圈芯部U型缺口冲击实验测量值
样品号
1
2
3
平均值
RU 1
RU 2
RU 3
冲击吸收功
/J
10.159
17.135
22.031
16.442
冲击韧性
/(J/m
2
)
12.700
21.420
27.540
20.553
表3 刀圈芯部拉伸实验测量值
样品号
1
2
3
4
平均值
X1
X2
X3
X4
峰值载荷
/kN
21.78
21.13
21.05
21.01
21.24
屈服强度
/MPa
884.16
873.12
887.41
859.19
875.97
抗拉强度
/MPa
1088.01
1063.99
1076.75
1057.94
1071.67
由实验结果可知：刀圈刃部的
Akv
和
Aku
值分别
为
2.56 J/cm
2
和
3.264J/cm
2
，刀圈芯部的
Akv
和
Aku
值分别为
8.567 J/cm
2
和
20.553J/cm
2
。刀圈刃部的冲击
韧性值较低，导致刀圈刃部抗冲击能力较差，易出现
断刃和崩刃等现象，导致滚刀提前失效。
通过
Instron
型电液伺服力学试验机得到刀圈刃部
和芯部测试结果如表
2
、表
3
所示：可得刀圈试样刃部
由测试结果可知：刀圈芯部和刃部抗压强度差异
较大，刀圈刃部抗压强度平均值为
2191.50MPa
，刀圈
芯部抗压强度为
1071.67MPa
；抗压强度差异较大的原
因可能是热处理工艺导致的，造成刀圈刃部微观组织
3.4
洛氏硬度实验
通过线切割加工获得厚度为
10mm
的截面板式试
量仪获得结果：
通过表
7
可以看出刀圈试样边缘硬度高于芯部硬
度，左右两侧硬度差别不大，从刀尖到内圈硬度先上
升后下降，梯度硬度明显可能是由于热处理工艺导致。
2019.08
建设机械技术与管理
和芯部的抗拉强度分别为
2191.50MPa
和
1071.67MPa
。
样，用砂纸将硬度测试面打磨光洁后使用洛氏硬度测
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表7 刀圈试样洛氏硬度测量值
行
列
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
44.7
44.3
40.5
38
60
61.
61.1
61.3
61.4
61
59.4
49.4
47.2
43.4
39.8
37.7
123
57.8
59.2
59.8
60.7
60.8
61.1
61.3
61
59.9
57.1
48.2
42.1
39.6
37.4
4
56.6
59.2
58.5
60.5
60.7
61.1
61
60.8
59.7
58.4
49.9
41.4
39.2
37.2
5
58.2
59.3
60.1
60.8
60.7
61.2
61.2
61
60.8
57.2
49.8
41.8
39.6
37.6
60.5
60.9
61
61.3
61.3
61.4
60.5
49.9
47.0
42.2
40.2
37.7
45.3
43.6
40.4
38.1
67
平均
57.53
59.23
59.72
60.78
60.86
61.20
61.24
61.04
60.06
54.4
47.44
42.69
39.90
37.67
1
2
3
4
平均值
试样号
5
6
7
8
1
2
3
4
平均值
试样号
1
2
3
4
表8 刀圈刃部断裂韧性
厚度
/
mm
20
20
20
20
20
宽度
/
mm
10
10
10
10
10
支点跨距
/
最大弯曲横向断裂
载荷
/N
强度
/MPa
mm
40.00
40.00
40.00
40.00
40.00
16937.21
17902.59
17354.98
19857.56
18013.09
5445.35
5755.72
5579.66
6384.25
5791.24
表9 刀圈芯部断裂韧性
厚度
/
mm
20
20
20
20
20
宽度
/
mm
10
10
10
10
10
支点跨距
/
最大弯曲横向断裂
载荷
/N
强度
/MPa
mm
40.00
40.00
40.00
40.00
40.00
32980.09
35870.57
32208.93
29492.86
32638.11
10603.17
11532.46
10355.24
9482.01
10493.22
表10 刀圈残余应力检测结果（单位：MPa）
检测点
a
芯部
b
c
d
A
刃部
B
C
周向（切向）
-591.3
±
13.6
-553.6
±
11.6
-571.9
±
5.6
-536.1
±
10.7
-762.95
±
21.64
-793.54
±
16.98
-840.46
±
20.04
-806.31
±
11.98
-800.82
-563.2
平均值径向
-526.8
±
13.8
-531.4
±
10.1
-494.6
±
16.6
-547.9
±
8.3
，，
，，
，，
，，
，，
，，
，，
，，
-525.2
平均值
3.5
断裂韧性试验
通过线切割加工从滚刀刀圈刃部和芯部上切取拉
伸试样各
4
个。采用美国
Instron3369
材料力学试验机
测量刀圈断裂韧性值，实验结果如表
8
和表
9
所示：
由表
8
和表
9
的横向断裂强度及最大弯曲强度可
以看出刀圈刃部的断裂强度高于刀圈芯部，由于直接
接触区是刀圈刃部，较高的断裂韧性可以很好阻止裂
纹向刀圈内部扩展。
3.6
刀圈流线检测试验
通过线切割加工获得厚度为
10mm
的截面板式试
样（上下截面平行），用砂纸将流线测试面打磨光洁后
放置在装满腐蚀液的烧杯中加热腐蚀
15
～
20
分钟，合
理的锻件内部金属流线与外形轮廓相符，并且分布连贯
不被打断，金属流线的方向与锻件工作时的最大正应
力平行，与最大切应力垂直。
锻件成形完好，流线清
（
-19
～
-539MPa
），
MPa
。刀圈刃部处于低应力状态时
零件的耐磨性较好。且刀圈的残余应力主要为压应力，
在刀圈工作收载后产生裂纹时，压应力能减少裂纹开
裂的趋势，在一定程度上减少刀圈断裂的风险。
3.8
刀具材料的金相分析
通过金相显微镜得到刀圈材料刃部和芯部的金相
图，发现刀圈刃部组织为马氏体
+
少量残余奥氏体
+
晰，绝大部分流线沿刀圈轮廓分布，刃部流线相对致密。
带状分布的碳化物，材料中存在较多的碳化物，碳化
刀圈在工作时主要受垂直正应力和侧向力，刀圈刃部
物直径能达到
20
～
30um
。刀圈芯部组织为马氏体
+
流线近乎与垂直力平行，与侧向力垂直，刀圈流线合理。
少量残余奥氏体
+
带状分布的碳化物，芯部也存在较
3.7
刀圈残余应力测试
多的碳化物，但与刃部相比较少。
采用
Proto
公司生产
iXRD
便携式
X
射线衍射仪
对刀圈进行残余应力分析，刀圈残余应力检测结果如表
10
所示：
由检测结果可以看出，刀圈刃部和芯部均为残余
压应力，芯部周向压应力平均值比径向压应力平均值
大
38 MPa
，刃部残余压应力平均值较芯部大
237.62
68
CMTM
2019.08
3.9
刀具材料的
SEM
分析
分别取刀圈圆弧过度处、芯部和刃部，通过
Hitachi SU3500
扫描电镜获得刀圈
SEM
：刃部
SEM
主要表现为针状马氏体，残留奥氏体以及碳化物颗粒，
切碳化物颗粒大小不一，但大颗粒碳化物主要在晶界
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机务管理
Machinery Maintenance Management
基于PLM系统的工程机械产品数据管理与应用
Data Management and Application of Construction
Machinery Products Based on PLM System
上海中联重科桩工机械有限公司
刘志鹏
/LIU Zhipeng
黎伟福
/LI Weifu
陈玉磊
/CHEN Yulei
摘 要：
随着工程机械竞争加剧及客户个性化订单不断增长，传统的生产组织模式与市场需求之间存在响应速度慢
和产品生产周期长的矛盾。通过引入
PLM
系统可以改变传统开发制造模式，是解决此问题的有效途径。本文以装载机
为例，阐述了
PLM
系统在工程机械产品的数据管理中的具体应用。研究了产品的数据管理、研发管理、变更管理、配
置管理，并对其中涉及的编码管理、版本版次管理、模块等进行了较为详细的分析和研究。
PLM
的成功应用使企业的
信息化建设得到了迅速发展，提升精细化管理水平和核心竞争力，同时为其它企业实施
PLM
系统提供了一个良好的借鉴。
关键词：
PLM
工程机械
数据管理
产品变更
产品配置
近些年随着工程机械行业的竞争不断加剧
[1]
，终端
客户个性化的需求越来越受到企业重视。而传统的生产
组织模式与客户需求之间的矛盾日益突出，主要表现为
市场响应不及时，跨地域同步设计困难，产品交付周期
低成本和快速满足客户个性化、多样性的需求，成为
工程机械企业在当今市场竞争中努力追求的目标
[2]
。因
此加快企业信息化建设，引入产品全生命周期管理系统
（
PLM
：
Product Lifecycle Management)
成为各大工程
机械制造企业的不二选择。
PLM
系统贯穿产品从研发
设计到退出市场的各个环节
[3]
，将异地协同设计的信
息共享、流程管理、产品数据管理，项目管理结合为
一体，对于企业的信息化管理的提升有着重要的意义。
数据管理与应用进行研究。
长，生产过程中频繁出现配置错误等问题。如何高质量、
本文以装载机为例，对基于
PLM
系统的工程机械产品
1 PLM
的应用范围
“信息孤岛”
PLM
系统能很好解决大数据时代中的
处。根据能谱分析，碳化物颗粒为
Cr
碳化物如
Cr3C
著，可能与其热处理工艺有关，综合分析刀圈材料的金
和
Cr6C
。
其主要原因可能是在较低的温度下进行保温，
相分析、
SEM
分析和
XRD
分析结果，可以得到，刀
奥氏体成分还没有足够均匀化，碳化物溶解较少，尤其
是大尺寸的碳化物熔解不充分，导致淬火后碳化物组织
残留奥氏体以及碳化物颗粒，切碳化物颗粒大小不一。
圈材料刃部和芯部的主要组织均为：马氏体
+
少量的
残余奥氏体
+
带状分布的碳化物，且主要为针状马氏体，
力为压应力，在刀圈工作过程中能够减少裂纹产生情况
的发生，但刀圈刃部到芯部硬度呈先上升后下降趋势，
刃部韧性明显较低，在瞬时载荷过高情况下极易发生
断裂与崩刃现象，在满足破岩要求下可以适当降低硬
度，保证刀具的使用寿命。
参考文献
[1]
孙书青
.
钢材化学成分分析方法对比一一比较光谱分析与
化学
[J].
工业与民用建筑工程艺术
.
收稿日期：
2019-06-20
不均匀。刀圈过度处
SEM
主要表现为针也状马氏体，
芯部的碳化物含量较多，刃部较少。刀圈刃部残余应
3.10
刀圈材料
XRD
分析
采用西门子
D500
对刀圈材料进行
XRD
分析，在
通过
jade5.0
查找对应的衍射峰可得，刃部和内部的材
料对应相均为
α
-
马氏体，在曲线中看来，没有发现奥
氏体，可能是由于残余奥氏体的含量过少，
X
射线无法
检测到或是衍射峰不明显，所以无法测得残余奥氏体。
4
结
论
通过上述实验分析结果可以得到：刀圈材料成分
与
DC53
较为相近，刀圈材料芯部和刃部抗压强度、
通讯地址：
山东省济南市历下区奥体西路2666号
冲击韧性、洛氏硬度、断裂韧性和参与应力均差异显
铁建大厦A座(250000)
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盾构机滚刀化学成分和力学性能研究
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王天宋
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摘 要：
通过对小松盾构机滚刀刀圈进行化学成分和含量、力学性能、金属流线、金相组织、扫描电镜（
SEM
）
和
X
射线衍射（
XRD
）实验分析，根据实验结果，对刀具的磨损情况和破坏情况进行了推断，为盾构机刀具选型和
施工参数控制提供了参考。
关键词：
盾构
滚刀
实验分析
刀具磨损
力学性能
通过对小松盾构机滚刀刀圈进行化学成分与含量、
2.4
硬度
采用
HRS-150
型数显洛氏硬度计对刀圈试样进行
力学性能、金属流线、金相组织等数据进行分析，结
合施工过程中滚刀切削岩层的磨损情况及刀具耐久性，
硬度测试，按照国标
GBT 230-91
金属洛氏硬度试验方
进一步研究滚刀化学成分的组成对刀具的适用性及耐
久性，提高滚刀的抗磨损能力和使用寿命。
法进行试验，获得刀圈截面各点硬度。
1
研究目的
方法进行试验并计算获得材料冲击韧性。
2.5
断裂韧性
采用美国
Instron3369
材料力学试验机进行断裂韧
性实验；按照国标
GBT 4161-2007
金属材料
平面应变
断裂韧度
KIC
试验方法进行试验，通过计算获得材料
冲击韧性。
2
分析方法及检测设备
通过化学成分与含量测试初步得到刀圈试样的化
学成分；通过抗拉、冲击韧性和断裂韧性试验获得刀
圈试样的力学性能；通过洛氏硬度仪测得刀圈试样刃部
至芯部的硬度分布；通过刀圈流线实验观测刀圈的流
通过
SEM
实验观测刀圈试样的显微组织；通过金相分
析获得刀圈材料组织的金粒度；通过
XRD
实验获得刀
圈材料组织的含量。实验过程中，采用众多实验仪器
进行测试。其中包括如下实验设备。
2.6
残余应力
采用
iXRD
便携式
X
射线衍射仪进行残余应力实
2.7 SEM
采用
Hitachi SU3500
扫描电镜对刀圈试样进行显
微组织分析；
分析材料中残余应力。
线分布；通过刀圈材料残余应力实验获得刀圈残余应力；
验；
2.1
化学成分与含量
采用力可
CS744
碳硫仪和
Spectro Blue Sop
全谱直
读光谱仪（
ICP-OES
）对刀圈试样进行化学成分及含量
分析。其中碳硫仪主要是测定试样中的碳元素与硫元素
含量，
ICP-OES
能够测定钢铁及其合金中个元素含量。
2.8 X
射线衍射试验
采用西门子
D500
进行
XRD
分析。获得
X
射线衍
射谱，通过
Jade5.0
和
Pdf2
卡片，检索材料中各项相
的成分。
2.2
抗拉强度
采用
Instron
型电液伺服力学试验机对刀圈试样进
行拉伸实验，按照国标
GB 228-87
金属拉伸试验方法
进行试验，通过计算获得材料疲劳强度。
3
结果与分析
3.1
化学成分及含量分析
通过力可
CS744
碳硫仪和
Spectro Blue Sop
全谱
直读光谱仪得到刀圈试样的化学成分与含量
,
其分析结
果见表
1
。
未查到与成分相符的钢材牌号，就本材料与
DC53
2.3
冲击韧性
采用冲击试验机对刀圈试样进行冲击韧性实验；
相比，
C
（
0.79
与
DC53
的
0.9
～
1.05
）与
Cr
（
5.07
与
按照国标
GBT 229-2007
金属材料夏比摆锤冲击试验
DC53
的
7.8
～
8.5
）含量有所降低，（
0.5
与
DC53
的
7.8V
66
CMTM
2019.08
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产品 技术
Product & Technology
●
表1 刀圈材料化学成分分析结果（%）
元素
C
Mn
Cr
Mo
V
P
含量（
%
）
0.79
0.38
5.07
1.86
0.5
0.027
元素
S
Si
Ni
Cu
Al
Co
含量（
%
）
0.0035
0.086
0.17
0.067
0.075
0.074
较芯部的晶粒度高、晶粒细小，抗拉强度高。
3.3
刀具冲击韧性实验
通过冲击实验机获得结果如表
4
、表
5a
、表
5b
、
表
6
和表
7
所示：
表4 刀圈刃部V型缺口冲击实验测量值
样品号
1
2
3
4
平均值
RV 1
RV 2
RV 3
RV 4
冲击吸收功
/J
2.203
1.958
1.836
2.203
2.05
表5a 刀圈刃部U型缺口冲击实验测量值
样品号
1
2
3
平均值
RU 1
RU 2
RU 3
冲击吸收功
/J
2.203
2.937
2.693
2.611
表5b 刀圈芯部V型缺口冲击实验测量值
冲击韧性
/(J/m
2
)
2.754
3.672
3.366
3.264
冲击韧性
/(J/m
2
)
2.754
2.448
2.295
2.754
2.56275
～
8.5
）的含量有所上升。
3.2
拉伸实验
通过线切割加工从滚刀刀圈刃部和芯部上切取拉
伸试样各
5
个，如图１所示；
刀圈刃部拉伸试样
刀圈芯部拉伸试样
图1 拉伸试验实物图
表2 刀圈刃部拉伸实验测量值
样品号
1
2
3
4
5
平均值
R1
R2
R3
R4
R5
峰值载荷
/kN
54.77
55.46
50.76
53.23
50.29
52.90
屈服强度
/MPa
——
——
——
——
——
——
抗拉强度
/MPa
2265.29
2300.88
2105.85
2199.18
2086.33
2191.50
样品号
1
2
3
4
平均值
XV 1
XV 2
XV 3
XV 4
冲击吸收功
/J
9.792
4.161
7.100
6.364
6.854
冲击韧性
/(J/m
2
)
12.239
5.200
8.874
7.956
8.567
表6 刀圈芯部U型缺口冲击实验测量值
样品号
1
2
3
平均值
RU 1
RU 2
RU 3
冲击吸收功
/J
10.159
17.135
22.031
16.442
冲击韧性
/(J/m
2
)
12.700
21.420
27.540
20.553
表3 刀圈芯部拉伸实验测量值
样品号
1
2
3
4
平均值
X1
X2
X3
X4
峰值载荷
/kN
21.78
21.13
21.05
21.01
21.24
屈服强度
/MPa
884.16
873.12
887.41
859.19
875.97
抗拉强度
/MPa
1088.01
1063.99
1076.75
1057.94
1071.67
由实验结果可知：刀圈刃部的
Akv
和
Aku
值分别
为
2.56 J/cm
2
和
3.264J/cm
2
，刀圈芯部的
Akv
和
Aku
值分别为
8.567 J/cm
2
和
20.553J/cm
2
。刀圈刃部的冲击
韧性值较低，导致刀圈刃部抗冲击能力较差，易出现
断刃和崩刃等现象，导致滚刀提前失效。
通过
Instron
型电液伺服力学试验机得到刀圈刃部
和芯部测试结果如表
2
、表
3
所示：可得刀圈试样刃部
由测试结果可知：刀圈芯部和刃部抗压强度差异
较大，刀圈刃部抗压强度平均值为
2191.50MPa
，刀圈
芯部抗压强度为
1071.67MPa
；抗压强度差异较大的原
因可能是热处理工艺导致的，造成刀圈刃部微观组织
3.4
洛氏硬度实验
通过线切割加工获得厚度为
10mm
的截面板式试
量仪获得结果：
通过表
7
可以看出刀圈试样边缘硬度高于芯部硬
度，左右两侧硬度差别不大，从刀尖到内圈硬度先上
升后下降，梯度硬度明显可能是由于热处理工艺导致。
2019.08
建设机械技术与管理
和芯部的抗拉强度分别为
2191.50MPa
和
1071.67MPa
。
样，用砂纸将硬度测试面打磨光洁后使用洛氏硬度测
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产品 技术
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●
表7 刀圈试样洛氏硬度测量值
行
列
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
44.7
44.3
40.5
38
60
61.
61.1
61.3
61.4
61
59.4
49.4
47.2
43.4
39.8
37.7
123
57.8
59.2
59.8
60.7
60.8
61.1
61.3
61
59.9
57.1
48.2
42.1
39.6
37.4
4
56.6
59.2
58.5
60.5
60.7
61.1
61
60.8
59.7
58.4
49.9
41.4
39.2
37.2
5
58.2
59.3
60.1
60.8
60.7
61.2
61.2
61
60.8
57.2
49.8
41.8
39.6
37.6
60.5
60.9
61
61.3
61.3
61.4
60.5
49.9
47.0
42.2
40.2
37.7
45.3
43.6
40.4
38.1
67
平均
57.53
59.23
59.72
60.78
60.86
61.20
61.24
61.04
60.06
54.4
47.44
42.69
39.90
37.67
1
2
3
4
平均值
试样号
5
6
7
8
1
2
3
4
平均值
试样号
1
2
3
4
表8 刀圈刃部断裂韧性
厚度
/
mm
20
20
20
20
20
宽度
/
mm
10
10
10
10
10
支点跨距
/
最大弯曲横向断裂
载荷
/N
强度
/MPa
mm
40.00
40.00
40.00
40.00
40.00
16937.21
17902.59
17354.98
19857.56
18013.09
5445.35
5755.72
5579.66
6384.25
5791.24
表9 刀圈芯部断裂韧性
厚度
/
mm
20
20
20
20
20
宽度
/
mm
10
10
10
10
10
支点跨距
/
最大弯曲横向断裂
载荷
/N
强度
/MPa
mm
40.00
40.00
40.00
40.00
40.00
32980.09
35870.57
32208.93
29492.86
32638.11
10603.17
11532.46
10355.24
9482.01
10493.22
表10 刀圈残余应力检测结果（单位：MPa）
检测点
a
芯部
b
c
d
A
刃部
B
C
周向（切向）
-591.3
±
13.6
-553.6
±
11.6
-571.9
±
5.6
-536.1
±
10.7
-762.95
±
21.64
-793.54
±
16.98
-840.46
±
20.04
-806.31
±
11.98
-800.82
-563.2
平均值径向
-526.8
±
13.8
-531.4
±
10.1
-494.6
±
16.6
-547.9
±
8.3
，，
，，
，，
，，
，，
，，
，，
，，
-525.2
平均值
3.5
断裂韧性试验
通过线切割加工从滚刀刀圈刃部和芯部上切取拉
伸试样各
4
个。采用美国
Instron3369
材料力学试验机
测量刀圈断裂韧性值，实验结果如表
8
和表
9
所示：
由表
8
和表
9
的横向断裂强度及最大弯曲强度可
以看出刀圈刃部的断裂强度高于刀圈芯部，由于直接
接触区是刀圈刃部，较高的断裂韧性可以很好阻止裂
纹向刀圈内部扩展。
3.6
刀圈流线检测试验
通过线切割加工获得厚度为
10mm
的截面板式试
样（上下截面平行），用砂纸将流线测试面打磨光洁后
放置在装满腐蚀液的烧杯中加热腐蚀
15
～
20
分钟，合
理的锻件内部金属流线与外形轮廓相符，并且分布连贯
不被打断，金属流线的方向与锻件工作时的最大正应
力平行，与最大切应力垂直。
锻件成形完好，流线清
（
-19
～
-539MPa
），
MPa
。刀圈刃部处于低应力状态时
零件的耐磨性较好。且刀圈的残余应力主要为压应力，
在刀圈工作收载后产生裂纹时，压应力能减少裂纹开
裂的趋势，在一定程度上减少刀圈断裂的风险。
3.8
刀具材料的金相分析
通过金相显微镜得到刀圈材料刃部和芯部的金相
图，发现刀圈刃部组织为马氏体
+
少量残余奥氏体
+
晰，绝大部分流线沿刀圈轮廓分布，刃部流线相对致密。
带状分布的碳化物，材料中存在较多的碳化物，碳化
刀圈在工作时主要受垂直正应力和侧向力，刀圈刃部
物直径能达到
20
～
30um
。刀圈芯部组织为马氏体
+
流线近乎与垂直力平行，与侧向力垂直，刀圈流线合理。
少量残余奥氏体
+
带状分布的碳化物，芯部也存在较
3.7
刀圈残余应力测试
多的碳化物，但与刃部相比较少。
采用
Proto
公司生产
iXRD
便携式
X
射线衍射仪
对刀圈进行残余应力分析，刀圈残余应力检测结果如表
10
所示：
由检测结果可以看出，刀圈刃部和芯部均为残余
压应力，芯部周向压应力平均值比径向压应力平均值
大
38 MPa
，刃部残余压应力平均值较芯部大
237.62
68
CMTM
2019.08
3.9
刀具材料的
SEM
分析
分别取刀圈圆弧过度处、芯部和刃部，通过
Hitachi SU3500
扫描电镜获得刀圈
SEM
：刃部
SEM
主要表现为针状马氏体，残留奥氏体以及碳化物颗粒，
切碳化物颗粒大小不一，但大颗粒碳化物主要在晶界
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机务管理
Machinery Maintenance Management
基于PLM系统的工程机械产品数据管理与应用
Data Management and Application of Construction
Machinery Products Based on PLM System
上海中联重科桩工机械有限公司
刘志鹏
/LIU Zhipeng
黎伟福
/LI Weifu
陈玉磊
/CHEN Yulei
摘 要：
随着工程机械竞争加剧及客户个性化订单不断增长，传统的生产组织模式与市场需求之间存在响应速度慢
和产品生产周期长的矛盾。通过引入
PLM
系统可以改变传统开发制造模式，是解决此问题的有效途径。本文以装载机
为例，阐述了
PLM
系统在工程机械产品的数据管理中的具体应用。研究了产品的数据管理、研发管理、变更管理、配
置管理，并对其中涉及的编码管理、版本版次管理、模块等进行了较为详细的分析和研究。
PLM
的成功应用使企业的
信息化建设得到了迅速发展，提升精细化管理水平和核心竞争力，同时为其它企业实施
PLM
系统提供了一个良好的借鉴。
关键词：
PLM
工程机械
数据管理
产品变更
产品配置
近些年随着工程机械行业的竞争不断加剧
[1]
，终端
客户个性化的需求越来越受到企业重视。而传统的生产
组织模式与客户需求之间的矛盾日益突出，主要表现为
市场响应不及时，跨地域同步设计困难，产品交付周期
低成本和快速满足客户个性化、多样性的需求，成为
工程机械企业在当今市场竞争中努力追求的目标
[2]
。因
此加快企业信息化建设，引入产品全生命周期管理系统
（
PLM
：
Product Lifecycle Management)
成为各大工程
机械制造企业的不二选择。
PLM
系统贯穿产品从研发
设计到退出市场的各个环节
[3]
，将异地协同设计的信
息共享、流程管理、产品数据管理，项目管理结合为
一体，对于企业的信息化管理的提升有着重要的意义。
数据管理与应用进行研究。
长，生产过程中频繁出现配置错误等问题。如何高质量、
本文以装载机为例，对基于
PLM
系统的工程机械产品
1 PLM
的应用范围
“信息孤岛”
PLM
系统能很好解决大数据时代中的
处。根据能谱分析，碳化物颗粒为
Cr
碳化物如
Cr3C
著，可能与其热处理工艺有关，综合分析刀圈材料的金
和
Cr6C
。
其主要原因可能是在较低的温度下进行保温，
相分析、
SEM
分析和
XRD
分析结果，可以得到，刀
奥氏体成分还没有足够均匀化，碳化物溶解较少，尤其
是大尺寸的碳化物熔解不充分，导致淬火后碳化物组织
残留奥氏体以及碳化物颗粒，切碳化物颗粒大小不一。
圈材料刃部和芯部的主要组织均为：马氏体
+
少量的
残余奥氏体
+
带状分布的碳化物，且主要为针状马氏体，
力为压应力，在刀圈工作过程中能够减少裂纹产生情况
的发生，但刀圈刃部到芯部硬度呈先上升后下降趋势，
刃部韧性明显较低，在瞬时载荷过高情况下极易发生
断裂与崩刃现象，在满足破岩要求下可以适当降低硬
度，保证刀具的使用寿命。
参考文献
[1]
孙书青
.
钢材化学成分分析方法对比一一比较光谱分析与
化学
[J].
工业与民用建筑工程艺术
.
收稿日期：
2019-06-20
不均匀。刀圈过度处
SEM
主要表现为针也状马氏体，
芯部的碳化物含量较多，刃部较少。刀圈刃部残余应
3.10
刀圈材料
XRD
分析
采用西门子
D500
对刀圈材料进行
XRD
分析，在
通过
jade5.0
查找对应的衍射峰可得，刃部和内部的材
料对应相均为
α
-
马氏体，在曲线中看来，没有发现奥
氏体，可能是由于残余奥氏体的含量过少，
X
射线无法
检测到或是衍射峰不明显，所以无法测得残余奥氏体。
4
结
论
通过上述实验分析结果可以得到：刀圈材料成分
与
DC53
较为相近，刀圈材料芯部和刃部抗压强度、
通讯地址：
山东省济南市历下区奥体西路2666号
冲击韧性、洛氏硬度、断裂韧性和参与应力均差异显
铁建大厦A座(250000)
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69