伞齿轮淬火变形的有限元模拟.pdf

第33卷第1期
黑龙江治金
Vo】.33No.1
2013年2月
Heilongjiang Metallurgy
February 2013
伞齿轮淬火变形的有限元模拟
朱景川,丁立勇,刘勇,杨夏炜
(哈尔滨工业大学,材料科学与工程学院,
金属精密热加工国家级重点实验室,哈尔滨150001)
摘要:针对伞齿轮渗磯后模压淬火过程,对伞齿轮进行了一定的简化,确定了材料的各
项热物性参数和力学性能参数,考虑了马氏体转变的相变潜热,测定了淬火过程中的热
膨胀系数,最终建立了伞齿轮淬火的有限元模型。利用 ABAQUS/Standard计算了伞齿轮
工件的温度场和应力场,分析了淬火过程中伞齿轮工件各个位置的温度变化规律和淬火
变形规律。
关键词;有限元;温度场;淬火变形
朱景
cal simulation of the Molded quenching process
of Bevel gear and Distortion minimization
Zhu Jingchuan, Ding Liyong, Liu Yong, Yang Xiawei
School of Materials Science and Engineering, Harbin institute of technology, National
Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals Harbin 150001, China)
Abstract: According to the actual quenching process of the bevel gear, some simplified to determine
the material of the thermal parameters of the mechanical properties, consider the martensitic phase
transition latent heat and thermal expansion coefficient in the quenching process was tested to establish
the bevel gear quenching finite element model. ABAQUS/Standard calculation of bevel gear work
piece temperature field and analysis of the location of the bevel gear workpiece temperature variation
in the quenching process was performed
Key Words: Finite element model; Temperature field; Hardening deformation
齿轮类零件在现代工业中扮演着重要的角的极大浪费。因此减少齿轮类零件热处理变形受
色。有传动的地方就会用到齿轮。但是齿轮类工到了世界各国工程技术人员的重视,并做出了大
件在加工过程中,最大的加工难题便是热处理变量的研究4-?。最常用的方式是利用表面热处理
形问题。齿轮变形导致巨大的经济损失,仅1996技术(如渗碳淬火和感应淬火等)?。199年V
年一年,德国用于处理齿轮变形的加工精磨成本
Murzin等人就气体渗碳和淬火过程中的工
就有8.5亿欧元。2010年,美国齿轮制造协会艺参数对齿轮淬火变形的影响规律做了总结。姜
在会议上再次强调减小传动部件加工变形的重要世杭等人?对20 CRMNTT'IH钢的螺伞齿轮的热处理
性2。很多工件由于淬火畸变过大,加工精磨难变形大小以及变形趋势进行了分析。康国华「?针
以消除变形,导致齿轮生产中材料的利用率只有对傘齿轮工件模压淬火过程中平台中部凸起现
30%-50%],使生产成本大大增加,造成了资源象、平面度和内孔的椭圆度超差问题进行了大量
收稿臼期:2013-01~15
作者简介:朱景川,男,工学博士,教授博士生导师,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料科学系副主任,黑龙江省金
属学会副理事长、黑龙江省新材料产业专家委员会委员。主要从事金属材料相变与热处理、材料多尺度模拟与计算设计
等方面的研究工作。E-mail:hu-jc@126.com
黑龙江.冶金
第33卷
试验,分析了齿轮产生畸变的原因。T. Sugimoto等效热量法;(2)等效热熔法;(3)比热焓法。本
等人用有限元模拟了渗碳螺旋伞齿轮的高压气文选用等效热熔法拟合相变潜热,等效熱熔法即
淬过程,分析了气压、气体流速和冷速等对高压气将相变潜热拟合到该温度下的定压比热容中去
淬的影响规律。宋广胜等利用有限元法模拟了计算出一个等效比热容,即:
一齿环的淬火过程,预测了该零件的应力分布情
AFac_ΔHA
(1)
况,并进行了实验验证。随着计算机技术的发展,
OグC
有限元数值模拟技术被越来越多的应用到热处理式中:Cm为等效比热容;C,为定压热容;△H为单
变形控制中,并取得了很好的成果,针对国家节能位体积的相变潜热,P为密度;△V为相转变量;△T
减排,实现可持续发展的政策,齿轮类零件热处理为温度变化量
变形控制的数值模拟方法值得推广和发展。
为了简化计算,只考虑奥氏体转变为马氏体
是的相变潜热。为了计算相变潜热,首先利用K
材料与研究方法
M公式计算马氏体的转变量。在计算马氏体转
选用的钢种为18CrN;,属含镍较高的优质合变量之前,要先确定Ms点。本文利用德国BAE
金结构钢,具有高的强度和韧性,并具有良好的淬
HR高温相变仪DIL805A对其相变点进行了测试,
透性,在航空工业中应用广泛。适合于制造心部结果如图2所示。
要求高强度、高韧性,而表面又要求高硬度、高耐
250
磨性的重要滲碳零件,18CrN钢渗碳后可做较大
200降温线
截面的齿轮、齿和曲轴等,其原始组织如图1所
4006008001000
Trec
图2I8CrNi4热膨胀曲线
图2为不同温度下试样的热膨胀曲线。其中
t
升温曲线斜率发生变化时对应的温度即为奥氏体
转变开始温度Ac:和奥氏体转变终了温度Ag,降
图」试验用18 CRNI钢的原始组织
温曲线斜率发生变化时对应的温度即为马氏体相
将棒料线切割成10mmx10mmx8m和变开始温度(M%)和转变结東温度(M),由图2读
25mx25mx10m的小方块。用10mx出Aa为735℃,Aa为780℃,s点为379.2"℃,
10mmx8mm的方块做化学分析,测C、Cr、Ni、Mn
M,点为199C
Si、W元素的成分。用荧光光谱分析的方法在
由K-M公式可以求得马氏体转变量,式中Q
25mx25mmx10mm的小方块上测定剩余元素取0.011,M、点为379.2℃。则得到下式:
的含量,得到材料的成分,如表1所示。
f=1-exp[-0.11(379.2-T)]
2
表118CrNi4成分表
(Wt.%
将式(2)带入到公式(1)中,化简可得
Mn
S
Cm=C,+0.01 expl-0.011(379.2-7)]
94.180.530.