毕业论文范文——航空某大型轴类零件热处理变形模拟及控制

西安航空职业学院毕业论文航空某大型轴类零件热处理变形模拟及控制姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘 要：本文基于SYSWELD软件平台，对航空某大型轴类零件进行了有限元网格划分及淬火热处理模拟仿真。计算了自由吊挂条件下淬火过程零件温度场及变形演化，获得了此零件的温度场分布，以及热处理变形规律，结果表明，所得到的温度场变化规律符合实际性，变形趋势与实验符合一致。根据变形模拟结果，对零件的热处理变形控制及工装设计优化提供数据支持，以零件各个部位变形机理为依据，设计专用淬火工装，变形校正率为 70%左右，热处理后变形在装配允许范围之内。使零件变形量满足设计要求，避免了后续的校正工序，大大提高了热处理生产效率。 关键词：数值模拟，变形控制，SYSWELD，温度场，热处理变形0引言16Co14Ni10Cr2Mo(AF1410)因其具有高强度、高断裂韧性、良好的加工性能和焊接性能而广泛用于航空结构材料领域，如起落架、旋转轴等关键部位。在室温抗拉强度不小于1620MPa的条件下，其断裂韧度K值不小于143 J/cm2 ，它的强化机制属于合金碳化物析出强化1。 由AF1410材料加工制造的平尾转轴零件（下文简称：大轴）由于结构复杂、尺寸较大、截面厚度差较大等原因，在热处理过程中淬火剧烈冷却时容易因热应力而产生变形，无法满足产品高精度的尺寸要求。以前主要采用传统的实验方法研究零件热处理的变形问题，存在着加工成本高、生产周期长等问题。淬火过程涉及到材料科学、数学、弹塑性理论、传热学、流体力学等多学科的交叉，涉及到温度场、组织场、应力场及流场等多物理场的相互耦合2。虽然每个学科都有各自成熟的理论，每个物理场都有各自相对独立的数学模型。但目前多学科的交叉和多物理场的相互耦合还没有成熟且统一的理论和模型，一直是科学研究的前沿和难点。近年来，随着数字化技术在世界范围的发展，国际上“数字材料”技术、“数值材料”技术、“虚拟材料”技术和“虚拟热处理”技术已经迅速走进材料热处理行业，将材料微观组织结构的演化、结构演变同热处理工艺流程联系起来，预测热处理后的材料性能和工件变形程度，可以有效的提升工件的热处理质量，创新热处理工艺3。本文以SYSWELD软件为基础，针对转体零件的热处理淬火变形进行了研究，获得了零件的变形规律，初步掌握了在实际生产过程中需要注重控制变形的技术要点，为实际生产提供有效的指导。1 有限元模型的建立1.1 网格划分为了准确预测热处理的温度场、应力场，采用三维实体计算模型。网格划分采用从零件表面到心部区域由密到疏的过渡方式，对表面网格采用层网格划分方式，心部网格形式采用质量高、贴合度高的三角形网格，这样可以提高计算精度，节约计算时间。表面及附近网格划分较精细，尺寸为0.5mm，其他部位网格划分的较粗，尺寸为10mm。其中，节点24960 个，ID单元19518个。大轴模型及网格划分如图1所示。 图1 大轴模型及网格划分 图2 特征点在零件上的分布由图 1 可知，网格模型较好地反映了大轴零件的主要特征，说明划分的单元数量较为合适。根据大轴截面厚度变化特征及淬火冷却温度变化特点，以方便对比各个不同区域温度、变形量等参数，在大轴上选出A、B、C、D、E、F特征点（Node），具体位置见图2。1.2 前处理工艺参数设置生产中大轴零件淬火采用氩气冷却，气体压强800mbar(80KPa)，模拟中通过热交换系数来体现零件和氩气之间的换热。生产中将零件通过圆杆定位孔吊挂于加热筐中，因此，可以认为零件圆杆定位孔部位固定不动。为模拟这一实际情况，在零件网格模型的定位孔周围建立6个节点集合， 并对其施加固定边界条件。经过加热与长时间保温后，零件的温度几乎达到均匀，此时可以认为零件内部不存在温度差，因此，模拟过程假设零件的初始温度场分布均匀，根据实际生产工艺，模拟过程零件的初始温度设为830，保温100min，时间间隔为10min。2计算结果与分析2.1 温度场计算结果图3为大轴零件不同时刻的温度场演化。由图 3(a)可知，真空炉充气0.13s左右时，由于刚刚关闭加热系统，炉膛温度依然在830左右，零件温度分布均匀，零件整体温度在830左右；由图 3(b)（e）可知，充气5s 以后，零件表面的温度场分布极为不均匀，零件头部型腔的棱角处温度较低，而底部回转体、筋板与翼面交接处温度较高；同时，圆筒与型腔的连接部位温度也相对较高，主要因为此处截面厚度较大，内部热量不易散失。同时可以发现，淬火后期，试验件内部温差很小。 图 3(f)表明，当冷却时间延长至 120s 左右时，零件的整体温度已降至 200 以下，据文献报道AF1410的MS在215左右，这时零件的大部分已完成奥氏体向马氏体的转变。(b)5.22s(c)10s(a)0.13s (f)120s(e)59.09s(d)20.86s 图3不同时刻大轴温度场演化 图4为不同特征点的温度随时间变化曲线，由图4可知，A、B、D点温度下降较慢，由图2可知这些点均分布在零件“肉”较多的位置，散热过程需要更长时间，而C、E、F点温度下降较快，40s左右已经降到炉膛气体温度。B点降温最慢，F点降温最快，这与实际生产零件加装负载热电偶测温基本一致。图4 不同特征点的温度随时间变化曲线2.2 变形量（DISPLACEMENTS）计算结果图5为大轴淬火过程应力引起的变形情况示意图。由图5（a）可知，在淬火的最初时期(0.5 s)，圆筒几乎没有变形，这是因为此时零件的冷却时间极短，温度梯度较小，形成的热应力不足以引起零件发生塑性变形。图5（b）可知，当冷却时间为 10s 左右时，带筋翼面已产生淬火变形，顶端棱角处变形最明显，塑性变形可达2.94mm，翼面背向板筋方向凸起，这是因为此时零件内部存在较大 的温度梯度 (主要是由筋板的存在引起)，产生的热应力已达到材料的屈服强度，故产生一定的热应力变形。随着气冷的进一步延长， 翼面温度下降到MS以下，奥氏体开始转变为马氏体，此时变形主要由组织应力主导，图5（c）为冷却到120s时，马氏体转变基本结束，此时塑性变形结束，形成残余应力。由于越靠近心部冷却的越慢，心部的塑性更好，压缩变形更大，组织应力引起的变形与热应力变形方向相反，最大变形量显著减小。图 5(d)（f）为变形量放大60倍时翼面的最终变形云图，型腔开口处收缩，由于吊挂时的重力作用支臂向上合拢，而翼面最终变形的形状为腰鼓形。(b)10s(c)120s(a)0.5s (f)120s,60倍(e)120s,60倍(d)120s,60倍 图5不同时刻大轴变形演化2.3 实验验证模拟淬火变形结果和实验结果对比如图 6 所示，图中结果表明，远离板筋、靠经棱角处的C、E、F位置淬火变形较大，淬火变形模拟结果和实验结果基本吻合，数值模拟可以反映不同温度下的淬火变形变化趋势，实验进一步验证了数值模拟结果的准确性。但是数值模拟和实验结果有些偏差，一方面的原因可能是蠕变速率拟合值和实际蠕变速率有偏差，另一方面，数值模拟过程中假设初始残余应力为0，实际应力分布比数值模拟复杂得多，这也是模拟结果和实验结果有一定偏差的原因。图6 冷却到室温时特征点模拟与实验变形量结果2.4 基于模拟结果的大轴热处理夹具设计由于大轴零件在吊挂圆筒上的定位孔热处理后，腹板边沿部位、支臂变形较大，为了限制零件在热处理过程中产生变形，设计专用热处理夹具，控制热处理变形。首先，支臂在热处理时受到重力引起蠕变，因而在支臂与圆筒交接面设计完整的支架平台以减小重力的作用。其次，由于热处理过程中热应力对腹板有较大影响，为了降低热应力对变形的影响，腹板边沿以螺栓连接固定，从而控制腹板边沿在热应力作用下向内弯曲收缩，夹具和大轴热处理装炉示意图如图7。图7 大轴热处理夹具3.结论（1）利用SYSWELD软件建立了大轴零件热处理淬火过程有限元模型，对大轴在淬火冷却过程中的温度和变形进行了数值模拟。分析了零件典型部位热处理变形的演化规律，实验进一步验证了数值模拟结果的准确性。（2）根据变形模拟结果，分析了不同部位引起变形的机理，设计了专用热处理工装夹具控制淬火变形。翼面初始变形在 5.57mm 左右，热处理后变形在 1.72mm 左右，且翼面中部较平，变形主要发生在翼面边沿及支臂处，翼面及支臂在夹具约束下热处理后变形由1.72mm 减小为0.50mm，变形校正率为 70%左右，热处理后变形在装配允许范围之内。引起热处理变形的因素是极其错综复杂的，凡是影响钢的屈服强度和热处理内应力的因素都将影响工件的热处理变形4。针对大轴这项零件，除通过淬火时加载热处理夹具以外，未来可以从下列方案控制变形：（1）淬火之前预留较大的加工余量，热处理之后将变形的多余部分去除。（2）将工字型加强筋设计为三角形加强筋可以有效阻止腹板热处理过程热应力变形。（3）淬火之前增加高温回火工序，消除机加带来的残余应力。参考文献1 ZHAO Zhen-ye,LI Chun-zhi,LI Zhi,et al. Strengthen Toughening Mechanisms and Development of New Type Ultra-High Strength Stainless Steel J . The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2004,14(z1)：381-385