拋丸機(jī)定向套淬火過(guò)程的數(shù)值模擬

摘要：利用有限元軟件模擬計(jì)算了拋丸機(jī)定向套淬火過(guò)程中的溫度場(chǎng)的變化；計(jì)算時(shí)考慮了非線性的材料比熱 容、熱導(dǎo)率的影響。結(jié)果顯示：在淬火過(guò)程中定向套各部位溫度分布不同，平板邊緣降溫速率大于半圓筒壁處，在定向套 不同部位存在溫度差。研究結(jié)果有助于拋丸機(jī)定向套淬火＿下藝制訂及淬火應(yīng)力的分析。
關(guān)鍵詞：有限元；淬火；比熱容；導(dǎo)熱率 中圖分類號(hào)：ＴＧｌ５６．３；ＴＰ３９１ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ

拋丸機(jī)定向套長(zhǎng)期處于苛刻的環(huán)境中運(yùn)行。主 要受到鋼丸噴射沖擊、被加工試件碰撞和磨損等， 失效形式主要是磨損、變形和斷裂。是整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行 中較薄弱的環(huán)節(jié)，嚴(yán)重降低了拋丸機(jī)的使用壽命和 工作效率【ｌ】。其運(yùn)行環(huán)境決定工件必須具有高的硬 度和足夠的淬硬深度。以保證良好的耐磨性和整體 剛度．因此對(duì)其熱處理特別是淬火工藝提出了極高 的要求。

定向套淬火后獲得的組織和性能取決于其淬火 過(guò)程中各部分溫度梯度分布。所以進(jìn)行溫度場(chǎng)有限 元分析．弄清各點(diǎn)的冷卻速度十分重要。由于目前 技術(shù)條件的限制。不能對(duì)實(shí)物的溫度場(chǎng)做在線測(cè)量． 主要依靠實(shí)驗(yàn)測(cè)定和經(jīng)驗(yàn)判斷。故傳統(tǒng)的方法不能 完整、全面、準(zhǔn)確地分析和預(yù)測(cè)淬火過(guò)程的溫度場(chǎng)。 隨著數(shù)值模擬的快速發(fā)展．熱處理過(guò)程的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法不斷得到完善，熱處理過(guò)程的計(jì)算機(jī)模 擬日益受到人們的重視．用以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)已取得 良好的效益。本文應(yīng)用大型通用有限元軟件對(duì)拋丸 機(jī)定向套的淬火過(guò)程溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬．可以顯示 任意時(shí)刻任意截面上的溫度場(chǎng)。能觀察到溫度等值 面、等值線隨時(shí)間推移的情況，也可以顯示任意點(diǎn)上 溫度一時(shí)間曲線，大大減少實(shí)際生產(chǎn)中的試驗(yàn)次數(shù)， 從而縮短周期。

1、淬火冷卻過(guò)程數(shù)學(xué)模型
．１數(shù)學(xué)模型 淬火過(guò)程溫度場(chǎng)分析屬于典型的非瞬態(tài)熱傳導(dǎo) 問題，其三維溫度場(chǎng)的控制方程為：

式中：T為溫度場(chǎng)分布函數(shù)；Ａ為熱導(dǎo)率；ｐ和ｃ分別為材料的密度和比熱容，ｑc為相變潛熱。對(duì)于淬火 過(guò)程來(lái)說(shuō)。比容和熱傳導(dǎo)系數(shù)與材料淬火過(guò)程的溫 度有關(guān)。式（１）為泛定方程，為了獲得定解，需要給出 定解條件即微分方程的邊界條件及初值條件。
１．２對(duì)流邊界條件
零件進(jìn)行淬火時(shí)。認(rèn)為邊界條件為對(duì)流換熱邊 界條件：

式中：ｈ和丁分別表示表面換熱系數(shù)和換熱邊界，Ｚ為零件表面溫度，瓦為淬火介質(zhì)溫度。
２有限元模擬

圖１為拋丸機(jī)定向套三維結(jié)構(gòu)示意圖．底部薄板 尺寸２９２ｍｉｌｌＸ３６０ｍｍ．半圓筒內(nèi)半徑１２０ ｍｍ，高 ８４ｍｍ，定向套厚１４ｍｌＴｌ，材料為高鉻鑄鐵２Ｃ１５Ｃｒ， 密度７６２０ ｋｇ／ｍ３。將其加熱到９８０保溫，充分奧氏 體化后空冷。模擬其淬火過(guò)程定向套各部位溫度場(chǎng) 分布。
圖１拋丸機(jī)定向套三維結(jié)構(gòu)示意圖
２．１模型網(wǎng)格劃分
模型采用８節(jié)點(diǎn)ｓｏｌｉｄ７０單元進(jìn)行智能網(wǎng)格劃 分．精度*別為６，考慮到半圓筒部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可 能影響淬火過(guò)程此部位溫度場(chǎng)的分布，對(duì)其進(jìn)行重 新更高密度的網(wǎng)格劃分。
２．２材料物理參數(shù) 材料的物理性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)是溫度場(chǎng) 數(shù)值模擬過(guò)程中較重要的物理量，其選取的正確與 否，對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確起決定性的作用。高鉻鑄鐵 ２Ｃ１５Ｃｒ的密度與溫度變化關(guān)系不是很大，按常數(shù)處 理．對(duì)較后結(jié)果影響不大。這里對(duì)比熱容、熱導(dǎo)率這 些與溫度變化影響較大的熱物性參數(shù)必須看成溫度 的函數(shù)．以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究所采用的參 數(shù)部分引用了文獻(xiàn)【７．８】的數(shù)據(jù)，如表1所示。
表1 高鑄鉻鐵2c15cr的材料性能參數(shù)
２．３初始條件及邊界條件

由于拋丸機(jī)定向套體積小、壁厚薄（平均壁厚 １４ｍｍ）且充分保溫，可把初始溫度場(chǎng)設(shè)為均勻溫度 場(chǎng)，本文選取初始溫度為９８０。在有限元模型的 邊界條件中主要考慮了對(duì)流散熱。根據(jù)傳熱學(xué)理論 及相關(guān)文獻(xiàn)中經(jīng)驗(yàn)公式。試件與環(huán)境的對(duì)流換熱系 數(shù)取２０～４０ Ｗ／（ｍ２ ）唧。結(jié)合實(shí)測(cè)溫度，模擬計(jì)算 中對(duì)流換熱系數(shù)取３５Ｗ／（ｍ２ ），淬火終止溫度為 ２５。設(shè)置熱分析類型為瞬態(tài)熱分析，淬火時(shí)間設(shè) 置為３０００Ｓ。

３結(jié)果及討論

在淬火過(guò)程中．定向套在不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)云 圖如圖２所示?？梢钥闯觯诖慊疬^(guò)程中隨著時(shí)間 的延長(zhǎng)，定向套溫度迅速降低，而定向套各部分溫 度下降速率不同．平板處降溫速度大于半圓筒處。由 圖２）可知，淬火５００ｓ時(shí)在底部平板Ｆ點(diǎn)處溫度為 ５６０．在半圓筒壁Ｈ點(diǎn)的溫度為７２６。不同部位 的溫度差異是產(chǎn)生淬火應(yīng)力及結(jié)構(gòu)開裂報(bào)廢的主要 原因。
圖2 不同淬火時(shí)刻定向套溫度場(chǎng)云圖
分別對(duì)圖１所示Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ結(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究。 考察其溫度隨時(shí)間變化情況，結(jié)果如圖３所示。Ｂ點(diǎn) 由于處于底部平板的外邊緣上其降溫過(guò)程中受定向 套其他部分的熱影響小。在淬火過(guò)程中溫度下降較 快。因而在剛一淬火時(shí)，溫度下降極為迅速。Ｃ點(diǎn) 位于平板與半圓筒壁交匯處，其散熱受周圍構(gòu)件影 響較大，溫度下降比較緩慢。同樣的道理。Ａ與Ｄ的 溫度時(shí)間關(guān)系也存在較大的差別。
圖3 Ａ￣Ｅ五點(diǎn)處溫度隨時(shí)問變化關(guān)系曲線
４結(jié)束語(yǔ)
應(yīng)用大型有限元軟件模擬了定向套在空冷淬火過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布。為其改進(jìn)工 藝提供了可靠參考，模擬結(jié)果表明在淬火過(guò)程中定 向套不同部位存在著較大的溫度差。其中在半圓筒 壁中部區(qū)域溫度下降速度較小。該模型能對(duì)２Ｃ１５Ｃｒ 鑄鐵定向套空冷淬火過(guò)程進(jìn)行了較準(zhǔn)確的模擬．對(duì) 其淬火工藝及后續(xù)消除殘余應(yīng)力工藝的制定都具有 參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

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