感應淬火處理軸零件的淬硬層深度測量方法
【專利摘要】本發明提供一種感應淬火處理軸零件的淬硬層深度測量方法，該方法基于ANSYS有限元平臺，通過模擬計算軸零件感應淬火時工件淬硬層深，可以通過調節感應工藝參數計算不同工件的淬硬層深，因此本發明通過改變感應淬火工藝參數預測淬硬層深度簡捷可靠。
【專利說明】
感應淬火處理軸零件的淬硬層深度測量方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種感應淬火處理軸零件的淬硬層深度預測方法。
【背景技術】
[0002]傳統材料熱處理工藝通過大量試驗研究篩選一種較好處理工藝，成本既高又費時。具有高質量、重復性及適應性強等特征的感應淬火熱處理是熱處理行業中應用最廣和發展最快的表面處理工藝之一，通過有限元分析預測工件感應淬火的淬硬層深度，確定其最佳工藝參數并指導生產，避免測定工件的淬硬層深度時損壞試驗工件。
【發明內容】
[0003]本發明為了解決現有技術中存在的上述缺陷和不足，提供了一種基于ANSYS有限元平臺來模擬感應淬火加熱和冷卻兩個階段分別預測感應淬火淬硬層深度。
[0004]為解決上述技術問題，本發明提供一種感應淬火處理軸零件的淬硬層深度測量方法，利用ANSYS有限元分析平臺測量感應淬火工件的淬硬層深度，具體包括以下步驟:
[0005]步驟一，建立模型;根據感應淬火實際工作環境構建工件的感應淬火有限元實體模型;將有限元實體模塊劃分為若干個二維耦合場實體單元，確定二維耦合場實體單元的屬性及工件的材料屬性，即工藝參數；
[0006]步驟二，模擬加熱過程;施加熱源載荷、熱對流約束條件及邊界條件至二維耦合場實體單元的各節點上，模擬感應淬火加熱過程溫度場變化，并采用直接法對工件進行電磁熱耦合分析計算，得到工件模擬加熱溫度隨徑向分布曲線圖；計算工件在失磁后的升溫速率，并根據工件連續加熱奧氏體化相變溫度-升溫速率曲線圖，計算工件奧氏體化的開始溫度Ac1和結束溫度Ac3;利用工件奧氏體化的開始溫度Acl和結束溫度Ac3在工件模擬加熱溫度隨徑向分布曲線圖上確定工件奧氏體在徑向上的分布范圍；
[0007]步驟三，模擬冷卻過程;模擬加熱處理完畢后，加載對流換熱系數，模擬感應淬火冷卻過程溫度場變化；由工件徑向上不同深度處的冷卻曲線圖得到工件在徑向不同深度處的700°C冷卻速度分布圖；采用Maynier組織預測模型與HV硬度計算出工件徑向不同深度處的硬度值，得到工件HV硬度徑向分布曲線圖；根據完全馬氏體、半馬氏體和無馬氏體層的硬度結合工件HV硬度徑向分布曲線圖確定完全馬氏體、半馬氏體和無馬氏體層的深度；
[0008]步驟四，將步驟二和步驟三相互校驗。
[0009]其中，所述步驟一中，建模過程考慮工件和感應圈之間的間隙和空氣場;其中，工件表面劃分為密集區，中心部劃分為粗糙區，縱向劃分精度為0.125mm，感應圈劃分為20個單元格;空氣場采用自由劃分方式。
[0010]進一步，工件的材料屬性包括感應器及工件相對磁導率、工件的材料密度、工件比熱容和工件電阻率。
[0011]進一步，邊界條件包括環境溫度、感應加熱電流密度、工件熱傳導系數及邊界換熱系數。
[0012]進一步，利用工件奧氏體化的開始溫度Acl和結束溫度Ac3在工件模擬加熱溫度隨徑向分布曲線圖上確定工件奧氏體在徑向上的分布范圍，具體過程為:結束溫度Ac3對應徑向深度S1QQW為完全奧氏體組織;開始溫度Ac1對應徑向深度δο%Α為開始奧氏體組織;完全奧氏體組織和開始奧氏體組織的中間溫度791°C處徑向深度35()%為50%奧氏體組織。
[0013]進一步，HV硬度計算公式為:
[0014]HVm=569.95+21 IgV
[0015]HVB = -41.8+82.951gV
[0016]HVf+p = 175.63+7.61gV
[0017]其中，HVm為馬氏體M的維氏硬度;HVb為貝氏體B的維氏硬度;HVF+P為鐵素體與珠光體混合F+P的維氏硬度;V為軸徑向節點在700 0C瞬間冷卻速度。
[0018]本發明所達到的有益技術效果:本發明提供一種感應淬火處理軸零件的淬硬層深度測量方法，該方法基于ANSYS有限元平臺，通過模擬計算軸零件感應淬火時工件淬硬層深，可以通過調節感應工藝參數計算不同工件的淬硬層深，因此本發明通過改變感應淬火工藝參數預測淬硬層深度簡捷可靠。
【附圖說明】
[0019]圖1本發明之實施例工件感應淬火幾何模型；
[0020]圖2本發明之實施例工件有限元實體模型；
[0021]圖3本發明之實施例工件模擬加熱溫度隨徑向分布曲線圖；
[0022]圖4本發明之實施例工件連續加熱奧氏體化相變溫度-升溫速率曲線圖；
[0023]圖5本發明之實施例工件徑向-溫度分布及奧氏體含量分布圖；
[0024]圖6本發明之實施例工件徑向不同深度的冷卻曲線圖；
[0025]圖7本發明之實施例工件徑向不同深度處的700°C冷卻速度分布圖；
[0026]圖8本發明之實施例Maynier組織預測模型；
[0027]圖9本發明之實施例工件徑向硬度分布和實測硬度分布對比曲線圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護范圍。
[0029]本發明提供一種感應淬火處理軸零件的淬硬層深度測量方法，利用ANSYS有限元分析平臺測量感應淬火工件的淬硬層深度，具體包括以下步驟:
[0030]步驟一，建立模型;根據感應淬火實際工作環境構建工件的感應淬火有限元實體模型;將有限元實體模塊劃分為若干個二維耦合場實體單元，確定二維耦合場實體單元的屬性及工件的材料屬性，即工藝參數；
[0031 ]建模過程考慮工件和感應圈之間的間隙和空氣場;其中，工件表面劃分為密集區，中心部劃分為粗糙區，縱向劃分精度為0.125mm，感應圈劃分為20個單元格;空氣場采用自由劃分方式。工件的材料屬性包括感應器及工件相對磁導率、工件的材料密度、工件比熱容和工件電阻率。
[0032]步驟二，模擬加熱過程;施加熱源載荷、熱對流約束條件及邊界條件至二維耦合場實體單元的各節點上，邊界條件包括環境溫度、感應加熱電流密度、工件熱傳導系數及邊界換熱系數;模擬感應淬火加熱過程溫度場變化，并采用直接法對工件進行電磁熱耦合分析計算，得到工件模擬加熱溫度隨徑向分布曲線圖；計算工件在失磁后的升溫速率，并根據工件連續加熱奧氏體化相變溫度-升溫速率曲線圖，計算工件奧氏體化的開始溫度Ac1和結束溫度Ac3;利用工件奧氏體化的開始溫度Ac I和結束溫度Ac3在工件模擬加熱溫度隨徑向分布曲線圖上確定工件奧氏體在徑向上的分布范圍，具體過程為:結束溫度Ac3對應徑向深度δ100%Α為完全奧氏體組織;開始溫度Ac1對應徑向深度δο%Α為開始奧氏體組織;完全奧氏體組織和開始奧氏體組織的中間溫度791°C處徑向深度35()%為50%奧氏體組織。
[0033]步驟三，模擬冷卻過程;模擬加熱處理完畢后，加載對流換熱系數，模擬感應淬火冷卻過程溫度場變化；由工件徑向上不同深度處的冷卻曲線圖得到工件在徑向不同深度處的700°C冷卻速度分布圖；采用Maynier組織預測模型與HV硬度公式計算出工件徑向不同深度處的硬度值，得到工件HV硬度徑向分布曲線圖；根據完全馬氏體、半馬氏體和無馬氏體層的硬度結合工件HV硬度徑向分布曲線圖確定完全馬氏體、半馬氏體和無馬氏體層的深度；
[0034]HV硬度計算公式為:
[0035]HVm=569.95+21 IgV
[0036]HVB = -41.8+82.951gV
[0037]HVf+p = 175.63+7.61gV
[0038]其中，HVm為馬氏體M的維氏硬度;HVb為貝氏體B的維氏硬度;HVF+P為鐵素體與珠光體混合F+P的維氏硬度;V為軸徑向節點在700 0C瞬間冷卻速度。
[0039]步驟四，將步驟二和步驟三相互校驗。
[0040]實施例
[0041]為了更好的說明本發明的具體過程，現利用ANSYS有限元分析平臺對45#鋼軸零件進行感應淬火進行數值模擬分析，包括以下步驟:
[0042](I)依據45#鋼軸零件的技術要求確定感應淬火時實際加熱工藝條件:感應加熱頻率1^=1951^^、加熱時間七=3.88、電流密度】8 = 700\106厶/1112;工件的直徑4)16_，長5111111;感應圈內徑為Φ 20mm，高為5mm;
[0043](2)對軸對稱工件的1/2進行建模:感應器以集膚深度進行建模，同時考慮工件和感應圈之間的間隙及空氣場;工件表面劃分密集區，中心部劃分為粗糙區，縱向劃分精度為
0.125mm;感應圈劃分為20個單元格;空氣場采用自由劃分的方式，如圖1所示，其中Al區代表軸零件，A2區為感應圈，A3為空氣場；
[0044](3)確定二維耦合場實體單元PLANE13屬性及工件材料屬性，材料屬性包括材料的密度，在不同溫度下的磁導率μ、比熱容c、電阻率P;
[0045](4)進入電磁熱耦合求解過程:確定熱源載荷、熱對流約束及邊界條件，邊界條件包括環境溫度、感應加熱電流密度、工件熱傳導系數及邊界換熱系數;施加熱源載荷、熱對流約束及邊界條件至二維耦合場實體單元PLANE13的各節點上，并采用直接法對邊界條件進行電磁熱親合分析計算;將二維親合場實體單元PLANE13轉化為溫度計算單元PLANE55施加到各節點上，計算得到不同時刻和不同區域的溫度場；
[0046](5)由工件模擬加熱溫度隨徑向分布曲線圖如圖3所示，計算工件在失磁后升溫速率，根據工件材料連續加熱奧氏體化相變溫度-升溫速率曲線如圖4，得到工件的奧氏體化開始溫度Ac1和結束溫度Ac3，分別為761°C，821°C ；
[0047](6)根據溫度場計算得到的模擬加熱時間t = 3.8s時工件徑向-溫度分布及奧氏體含量分布圖如圖5所示，奧氏體含量分布具體判斷過程如下:結束溫度Ac3對應徑向深度δ100%Α為完全奧氏體組織;開始溫度Ac1對應徑向深度δο%Α為開始奧氏體組織;完全奧氏體組織和開始奧氏體組織的中間溫度791°C處徑向深度35()%為50%奧氏體組織；
[0048](7)加熱結束后對工件表面施加對流換熱系數載荷，冷卻20s，模擬冷卻過程溫度場變化；由工件徑向上不同深度處冷卻曲線，如圖6所示，計算工件徑向上不同深度處的700°C時冷卻速度，得到工件徑向不同深度處的700°C冷卻速度分布圖，如圖7所示。
[0049](8)采用Maynier組織預測模型，如圖8所示，與HV硬度，即維氏硬度計算公式HVm =569.95+211gV，HVB = _41.8+82.951gV，HVF+p= 175.63+7.61gV 計算出工件徑向上不同深度處的硬度值，得到工件徑向硬度分布曲線圖，與實際測量硬度曲線相比，采用本方法測得的硬度與實際測量得到的硬度值一致，如圖9所示，根據完全馬氏體、半馬氏體和無馬氏體層的硬度結合工件HV硬度徑向分布曲線圖確定完全馬氏體、半馬氏體和無馬氏體層的深度。
[0050](9)將步驟(6)感應加熱過程中預測淬硬層深度和步驟(8)感應淬火冷卻過程預測淬硬層深度進行相互校驗。
[0051]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.感應淬火處理軸零件的淬硬層深度測量方法，其特征在于:利用ANSYS有限元分析平臺測量感應淬火工件的淬硬層深度，具體包括以下步驟: 步驟一，建立模型;根據感應淬火實際工作環境構建工件的感應淬火有限元實體模型；將有限元實體模塊劃分為若干個二維耦合場實體單元，確定二維耦合場實體單元的屬性及工件的材料屬性，即工藝參數； 步驟二，模擬加熱過程;施加熱源載荷、熱對流約束條件及邊界條件至二維耦合場實體單元的各節點上，模擬感應淬火加熱過程溫度場變化，并采用直接法對工件進行電磁熱耦合分析計算，得到工件模擬加熱溫度隨徑向分布曲線圖；計算工件在失磁后的升溫速率，并根據工件連續加熱奧氏體化相變溫度-升溫速率曲線圖，計算工件奧氏體化的開始溫度Ac1和結束溫度Ac3;利用工件奧氏體化的開始溫度Ac1和結束溫度Ac3在工件模擬加熱溫度隨徑向分布曲線圖上確定工件奧氏體在徑向上的分布范圍； 步驟三，模擬冷卻過程;模擬加熱處理完畢后，加載對流換熱系數，模擬感應淬火冷卻過程溫度場變化；由工件徑向上不同深度處的冷卻曲線圖得到工件在徑向不同深度處的700 0C冷卻速度分布圖；采用Maynier組織預測模型與HV硬度計算出工件徑向不同深度處的硬度值，得到工件HV硬度徑向分布曲線圖；根據完全馬氏體、半馬氏體和無馬氏體層的硬度結合工件HV硬度徑向分布曲線圖確定完全馬氏體、半馬氏體和無馬氏體層的深度； 步驟四，將步驟二和步驟三相互校驗。2.根據權利要求1所述的感應淬火處理軸零件的淬硬層深度測量方法，其特征在于:所述步驟一中，建模過程考慮工件和感應圈之間的間隙和空氣場;其中，工件表面劃分為密集區，中心部劃分為粗糙區，縱向劃分精度為0.125mm，感應圈劃分為20個單元格;空氣場采用自由劃分方式。3.根據權利要求1所述的感應淬火處理軸零件的淬硬層深度測量方法，其特征在于:工件的材料屬性包括感應器及工件相對磁導率、工件的材料密度、工件比熱容和工件電阻率。4.根據權利要求1所述的感應淬火處理軸零件的淬硬層深度測量方法，其特征在于:邊界條件包括環境溫度、感應加熱電流密度、工件熱傳導系數及邊界換熱系數。5.根據權利要求1所述的感應淬火處理軸零件的淬硬層深度測量方法，其特征在于:利用工件奧氏體化的開始溫度Ac1和結束溫度Ac3在工件模擬加熱溫度隨徑向分布曲線圖上確定工件奧氏體在徑向上的分布范圍，具體過程為:結束溫度Ac3對應徑向深度31()()%4為完全奧氏體組織;開始溫度Ac1對應徑向深度δο%Α為開始奧氏體組織;完全奧氏體組織和開始奧氏體組織的中間溫度791V處徑向深度35()%為50 %奧氏體組織。6.根據權利要求1所述的感應淬火處理軸零件的淬硬層深度測量方法，其特征在于:HV硬度計算公式為: HVm=569.95+21 IgV HVB = -41.8+82.951gV HVf+p= 175.63+7.61gV 其中，HVm為馬氏體M的維氏硬度;HVb為貝氏體B的維氏硬度;HVF+P為鐵素體與珠光體混合F+P的維氏硬度;V為軸徑向節點在700 0C瞬間冷卻速度。
【文檔編號】G06F17/50GK105930605SQ201610280580
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月29日
【發明人】高宇, 張鵬飛, 張根元, 陸其清, 田松亞
【申請人】河海大學常州校區