齿轮热处理模拟

齿轮的热处理工艺模拟

热处理工艺在机械制造中占有十分重要的地位。随着机械制造现代化和热处理质量管理现代化的发展，对热处理工艺提出了更高的要求。热处理工艺过程由于受到加热方式、冷却方式、加热温度、冷却温度、加热时间、冷却时间等影响，金属内部的组织也会发生不同的变化，因此是个十分复杂的过程，同时工艺参数的差异，也会造成热处理加工对象硬度过高过低、硬度不均匀等现象。Deform-3d 软件提供一种热处理模拟模块，可以帮助热处理工艺员，通过有限元数值模拟来获得正确的热处理参数，从而来指导热处理生产实际。减少批量报废的质量事故发生。本例以齿轮钢热处理工艺的模拟过程为例，通过应用Deform-3d热处理模块，进行模拟实验。

1.1建立模型

1.11基本设置

进入前处理设置界面,首先修改公英制，将默认的英制（English）修改成公制（SI），同时选中“形变”（Deformation）、“扩散”(Diffusion)和“相变”(Phase transformation)，见图1。

图1初始资料

1.1.2模型导入

在工件几何体输入对话框内，选择从数据库或关键文件夹（Import from a

geometry,. Key or DB file）中输入，输入的文件必须是STL格式的，见图2。

图2工件导入

1.1.3网格划分

工件输入后，可以进行网格划分。这里取网格数8000；表面网格结构(Structured surface mesh)中，层的数量取1；层厚度(Layer thickness)为0.005，设置完成后单击NEXT按钮生成网格，网格生成后的工件三维图形见图3。

图3网格生成

1.1.4材料定义

在材料定义界面选择从数据库或关键文件夹（Import from .DB or .KEY files）中输入，选择安装目录下DEFORM\V6_1\Labs下Demo_Temper_Steel.KEY文件。

界面如图所示，单击Lode按钮。进入坯料设定界面。

图4材料定义

1.1.5坯料设定

在坯料设定对话框中，将温度(Temperature)、原子(Atom)、相体积分数(Phase volume fraction) 均选择为均匀（Uniform）。并将温度设置为“20”；原子为“0.2”；相的体积分数（珠光体+贝氏体）设置为“1”，其余设为0，见图5。

图5坯料设定

1.1.6介质定义

分别对加热炉、碳化炉、油、空气4种介质进行设置，如图6所示。

图6介质定义

定义温度与传热系数之间的关系曲线，如下图7所示。

图7热传导系数曲线

1.2模拟设置

1.2.1 方案定义

在方案定义界面，输入5个阶段工序计划，如图8所示:

1)550℃预热半小时（1800s）；

2)850℃渗碳2小时（7200s），将原子容量（Atom）设置文0.8；

3)100℃油淬20分钟（1200s）；

4)280℃回火1小时（3600s）；

5)在空气中冷却1小时（3600s）。

图8方案定义

1.2.2设置模拟控制

按默认好的步数定义为“自动”，每步温度变化为“2”，每步时间最大最小为“0.001”和“10”，步数增量为“10”。然后定义连个对称面Sym.Plane#1和Sym.Plane#2。设置完成的模拟控制界面如图9所示：

图9模拟控制

1.3模拟结果分析

1.3.1温度分析

从错误！未找到引用源。中可以分析，4个点的温度变化基本是一致的，这

是由于工件尺寸较小，加热保温时间充足造成的。由图可知温度的变化趋势为：先升高到550℃，之后保温一段时间（预热），再由550℃升温至850℃进行保温一段时间（渗碳），之后由850℃急冷到100℃保温一段时间（油淬），再由100℃升温至280℃保温一段时间（低温回火），最后由280℃空冷至30℃。将温度变化曲线与热处理工艺对比，可以发现模拟结果基本与实际情况相吻合。

图10温度变化

1.3.2残余应力分析

热处理后工件会留有残余应力，严重的话，会造成零件变形。错误！未找到引用源。是等效残余应力定点跟踪分析曲线，最大残余应力位于零件表面，尤其是齿轮四周残余应力最大。通过结合热处理工艺以及残余应力曲线图，不难发现，在齿轮升温过程中热应力比较集中，保温过程中应力会得到相应的释放，尤其是齿轮进行油淬的过程中，极冷的环境下导致应力集中，在之后进行低温回火以及空冷的过程中应力会得到逐步的释放。

图11残余应力

1.3.3硬度分析

错误！未找到引用源。为硬度的定点追踪分析，由于工件尺寸小，温度均匀，因此硬度的波动范围比较小。由点追踪曲线图不难看出，齿轮表面的硬度较心部硬度高，这是因为渗碳后进行油淬与低温回火使齿轮的表层与心部得到不同的组织，使其心部保持良好的韧性，表层获得足够的强度、硬度和耐磨性。

图12硬度变化