（机械制造及其自动化专业论文）齿轮滚刀的深冷处理的计算机模拟.pdf

中 文摘要 中文摘要 近年来，深冷处理作为业界广泛认可的、新型的产品改性以及强化的重要工艺 程序，已有很多文献探讨了其作用的机理。但是对其进行计算机模拟尚且处于起步 阶段。 本文以齿轮滚刀作为研究对象，以现行刀具制造厂热处理工艺规范为标准，根 据深冷处理规范，在测定w 9 m 0 3 c r 4 v 材料低温热导率、低温比热以及温度场的试 验基础上，以试验参数作为模拟的依据，使用a n s y s 软件采用直接耦合法进行模拟， 在完成了淬火过程的温度场和应力场分析之后，作为初始条件施加到深冷处理模拟 中做后续分析，以此说明深冷处理作用。 齿轮滚刀深冷处理过程模拟的成功，为同种材料或其它材料的刀具深冷处理模 拟提供了一个模板，进而形成一套成熟稳定、操作简便的能够预测热处理过程温度 场及应力场、控制热处理结果、合理选择热处理规范的方法体系，为热处理过程的 预测提供依据。进而将以计算机模拟促进热处理虚拟生产的逐步普及，逐步提升热 处理的技术水平，从而大幅度提高虚拟制造的功能。 关键词：深冷处理；a n s y s ；齿轮滚刀；计算机模拟 a e s t r a c t 一一 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c r y o g e n i ct r e a t m e n ti sap r o c e s sw h i c hc a r li m p r o v e t h e n e wp r o d u c ta n ds t r e n g t h e nt h e p r o d u c tw h i c hh a sb e e na c c e p t e db yt h e m e m b e r so ft h em a t e r i a lf i e l d t h e r ew e r em u c hd o c u m e n t a t i o nw m c hh a s r e s e a r c h e dt h es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m ，b u t c a l c u l a t i n gi nc o m p u t e rw a si u s t s t a r t ，t 1 。 一 1n l sa r t i c l ed e s c r i b e st h eg e a rc u t t e rh o bi nt h eb a s i so f h o tp r o c e s s i n go f m a n u f a c t o r y , b a s e do nt h ec r y o g e n i ct r e a t m e n t p r o c e s s i n ga n dt h ee x p e r i m e n t o fm e a s u r i n gw 9 m 0 3 c r 4 vm a t e r i a lh e a t c o n d u c t i v i t y , s p e c i f i ch e a ta n d t e m p e r a t u r ef i e l di nt h el o wt e m p e r a t u r e t h es i m u l a t i o nw a si nr e s p o n s et o t e s tp a r a m e t e r s ，d i r e c t l yc o u p l i n gu s i n ga n s y s s o f t w a r e f o l l o w u pa n a l y s i s i nt h es i m u l a t i o no fc r y o g e n i ct r e a t m e n tp r o c e s s i n gw a sd o n ea f t e r a c c o m p l i s h i n gq u e n c ht r e a t m e n tp r o c e s sf o rt e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s s a n a l y s i s t h r o u g h o u tt h ew h o l es i m u l a t i o n ，t h ep r o j e c t i n gp a r tw a st h a tt h e c r y o g e m ct r e a t m e n tp r o c e s s i n gw a st h er e s u m eo f c r y o g e n i ct r e a t m e n tp r o c e s s ， t h ec r e d i b i l i t ya n dt h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o nw e r ep r o m i s e dp o s s i b l y as e to f m a t u r e ，s t a b l ea n ds i m p l eo p e r a t i o nf o rf o r e c a s t i n gt e m p e r a t u r e p a t t e ma n ds t r e s sa n a l y s i sw i l lb eg e n e r a l i z e dt oo t h e rs i m i l a rp r o d u c t s a c c o r d i n gw i t ht h es u c c e s so ft h ec r y o g e n i ct r e a t m e n tp r o c e s sw i t ht h eg e a r c u t t e rh o b f u r t h e r m o r e ，c a l c u l a t i n gi nc o m p u t e rw i l lp r o m o t e t h et e c h n o l o g y o ft h ed u m m y p r o d u c t i o na n dm a n u f a c t u r i n g k e yw o r d s ：c r y o g e n i ct r e a t m e n t ；a n s y s ；g e a rc u t t e r h o b ；c o m p u t e r s i m u l a t i o n ； i i i 符号说明 符号说明1 寸丐说明 c 比热 k 整体结构的刚度矩阵 q 节点位移矩阵 f载荷列阵 【k 传导矩阵 t 节点温度向量 q 节点热流率向量 r 物体边界 t w己知温度值 t ( x ，y , t ) 已知的随时问、空问变化的温度场函数 q 已知热流密度值 q ( x ，y , t ) 已知热流密度分布函数 u 温度 p 密度 日。 边界r - 上热流的给定值 6 u 温度的虚位移 e c 比热与密度乘积 e k 导热系数 e q 内热源密度 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：之季兰l 日期：互! 譬乙兰生一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：釜翌! 日期：a 望皇：丝 导师签名：囱塑丑 隰 第一章绪论 第一章绪论夕扫早；目p 乙 计算机模拟是一种通过反复试验? 帮助人们了解系统的性能检验预想的假设， 进行系统分析、设计、预测或评估，还可提供相当逼真的环境，借以培养和训练人员。 计算机模拟己成为工程研制、自然学研究、经济和社会问题研究、教学训练活动、 军事研究、组织管理等许多领域的重要科研方法。计算机模拟是实现理论知识和定 量科学计算并直接应用于热处理生产和工艺装备的设计，使热处理逐渐成为多学科 交叉的科学技术，从而将热处理工艺的优化及组织性能、残余应力的预测融入集成 制造的并行工程中，构成轻量化、高可靠性产品的创新设计平台【l 】。计算机模拟可将 热处理工艺中的工艺优化，组织性能转变，残余应力的分析融合起来，从而为虚拟 制造奠定基础。热处理计算机模拟是热处理走向虚拟制造的基础，是热处理在信息 时代发展的主要方向，是计算机时代热处理发展的潮流。热处理计算机模拟能够准 确模拟热处理过程的基本变化，使其成为计算机辅助工程分析( c a e ) 的重要组成 部分。 1 1课题提出的背景 1 1 1 热处理的重要性 金属热处理在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用 逐渐为人们所认识。早在公元前7 7 0 - - - - 前2 2 2 年，中国人在生产实践中就已发现，铜 铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的 重要工艺。公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂 得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有 马氏体存在，说明是经过淬火的。 随着经济全球化的迅猛发展，制造业的突飞猛进，产品的制造性能越来越成为 人们关注的焦点，而热处理作为能够保证产品的质量，提高使用性能和可靠性的重 要工艺手段越来越体现出其价值和重要性。 近年来，通过引进先进技术和对引进技术的消化吸收，我国的热处理生产技术 有了突出的变化，取得长足发展。由于过去的起点低、底子薄，就整体来说，热处 理生产技术水平和先进工业国家比较尚有较大的差距。在当前世界经济一体化的大 趋势中，提高机械产品质量和在国内外市场的竞争力是当务之急，热处理生产技术 也必须迎头赶上，才能抓住机遇、迎接新的挑战，以求尽快减少和缩短与国际先进 水平的差距，尽早使我国的热处理技术和机械产品质量进入世界先进行列【2 1 。 齿轮滚刀的深冷处理的有限元模拟 1 1 2 热处理计算机模拟的可行性 热处理计算机模拟是指通过建立反映热处理的数学模型，以热处理的各种参数 为依据，借助计算机用数值分析的方法进行求解，以不同形式来表达不同的计算结 果的一个模拟过程( 如等值线图，变化曲线图等等) 。热处理计算机模拟是理论与 实践结合的标准，是进行结果预测的先进性工具，是实现虚拟制造的关键技术。 通用有限元软件的共同之处可归纳为以下几点。 l 、功能强大。一般都可以进行多种物理场分析，如结构分析，温度场分析，电 磁场分析，流场分析，多场耦合分析等。 2 、具有丰富的材料库。可以处理多种材料，如金属，土壤，岩石，塑料，橡胶， 木材，陶器，混凝土，复合材料等。 3 、具有多种自动网格划分技术，自动进行单元形态、求解精度检查及修正。 4 、具有强大的后处理及图像显示功能。 5 、具有与多种c a d 系统直接连接的接口。 6 、具有良好的用户开发环境。 1 1 3 热处理计算机模拟的基础 有限元法的形成可以回顾n - - 十世纪5 0 年代，来源于固体力学中矩阵结构法的 发展和工程师对结构相似性的直觉判断。1 9 5 6 年m j t u r n e r ，w c l o u g h ，h c m a r t i n ， l j t o p p 在纽约举行的航空学会年会上介绍了一种新的计算方法，将矩阵位移法推广 到求解平面应力问题。他们把结构划分成一个个三角形和矩形的“单元”，利用单元 中近似位移函数，求得单元节点力与节点位移关系的单元刚度矩阵。1 9 6 0 年，c l o u g h 在他的名为“t h ef i n i t ee l e m e n ti np l a n es t r e s sa n a l y s i s ”的论文中首次提出了有限元 ( f i n i t ee l e m e n t ) 这一术语。到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年 的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就 是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以 通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析， 素碳势精确控制等已得到广泛应用。九十年代开发的微型计算机动态可控渗氮和动 态碳这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。 1 2 热处理计算机模拟概述 八十年代初，国外已对于热处理过程计算机模拟开展了研究，至今碳势控制技 术，大规模集散式炉温控制系统，真空热处理系统等已大规模使用。p i d 自整定，模 糊数学与p i d 混合算法，多因势控制技术目前也广泛应用。热处理过程的计算机模 2 第一章结论 拟在优化大件加热规程，预测大锻件组织与性能，确定合理的淬火预冷时间，指导 激光热处理生产等方面技术成熟。在非线性问题，淬火冷却过程应力场的计算机模 拟，沸腾过程中的换热特性，流体力学模拟取得重大突破并已初步应用。计算机模 拟对热处理技术的发展有重大的意义，我国在这方面的研究还处在初始阶段【3 4 】。现 代热处理制造技术是十分重要的基础工艺技术。现代热处理技术发展的核心技术有 可控气氛热处理技术、真空热处理技术。 热处理具体过程如图1 1 所示。 图1 1热处理各流场之间的关系 f i g u r e1 1t h er e l a t i o n st ot h ed i f f e r e n tf i e l d so ft h eh e a tt r e a t m e n t 热处理过程是一个多种物理场相互耦合的复杂过程。在理论上对多长耦合的求 解是一项十分艰巨的任务，必须依靠计算机技术作为辅助手段。用实验模拟的方法 进行研究也存在很多局限性，受环境，操作以及各种现实条件的影响，以实验的方 式进行论证是一个相当复杂的过程，而应力场更难从实际工件上获得。测量工作又 牵扯到低温，高温测量技术，所以在多种程度上使通过实验的方式进行验证的方法 仅仅停留在了理论阶段。随着有限元法的兴起和广泛应用以及计算机技术的普及发 展，计算机模拟技术得到了迅猛发展和推广应用。淬火冷却过程的计算机模拟就是 利用计算机求解各场量的数值解。这种数值模拟虽然不能直接给出组织分布、应力 分布与工艺参数的函数关系，但是它能对工件的温度场、组织场和应力场进行耦合 计算，给出每一瞬间的温度场、组织场和应力场的分布，并且直接地观察到各场量 在深冷过程中的变化情况【5 】。 1 2 1热处理计算机模拟介绍与发展 热处理模拟是一项复杂的工作，它主要包含各种物理场的数值模拟，这项工作 随着有限元法的发展，各种物理场的数值模拟也趋于成熟。由于流场的不同，根据 各部分流场不同的数值分析，通过有限元法的正确求解和软件合成，现在对于此项 3 齿轮滚刀的深冷处理的有限元模拟 工作已经趋于成熟，并成功应用于生产生活当中。 ( 1 ) 温度场的计算机模拟： 随着有限差分法的成功应用，温度场的计算机模拟而得到了广泛的认可，并广 泛应用于热学分析当中。有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 是微分方程和积分微 分方程数值解的方法。基本思想：把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来 代替，这些离散点称作网格的节点；把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格 上定义的离散变量函数来近似；把原方程和定解条件中的微商用差商来近似，积分 用积分和来近似，于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组，即有限 差分方程组，解此方程组就可以得到原问题在离散点上的近似解。然后再利用插值 方法便可以从离散解得到定解问题在整个区域上的近似解1 6 。 有限差分法的主要内容包括：如何根据问题的特点将定解区域作网格剖分；如 何把原微分方程离散化为差分方程组以及如何解此代数方程组。此外为了保证计算 过程的可行和计算结果的正确，还需从理论上分析差分方程组的性态，包括解的唯 一性、存在性和差分格式的相容性、收敛性和稳定性。对于一个微分方程建立的各 种差分格式，为了有实用意义，一个基本要求是它们能够任意逼近微分方程，这就 是相容性要求。另外，一个差分格式是否有用，最终要看差分方程的精确解能否任 意逼近微分方程的解，这就是收敛性的概念。此外，还有一个重要的概念必须考虑， 即差分格式的稳定性。因为差分格式的计算过程是逐层推进的，在计算第n + l 层的 近似值时要用到第n 层的近似值，直到与初始值有关。前面各层若有舍入误差，必 然影响到后面各层的值，如果误差的影响越来越大，以致差分格式的精确解的面貌 完全被掩盖，这种格式是不稳定的，相反如果误差的传播是可以控制的，就认为格 式是稳定的。只有在这种情形，差分格式在实际计算中的近似解才可能任意逼近差 分方程的精确解。关于差分格式的构造一般有以下3 种方法。最常用的方法是数值 微分法，比如用差商代替微商等。另一方法叫积分插值法，因为在实际问题中得出 的微分方程常常反映物理上的某种守恒原理，一般可以通过积分形式来表示。此外 还可以用待定系数法构造一些精度较高的差分格式【7 】。 国外对工件淬火过程温度场的计算比较早。7 0 年代，前苏联、日本等工业国就 已经借助传热学和相变动力学开始编制温度场的计算程序了；到了8 0 年代，已经发 展了一批非稳态温度场的计算机程序；8 0 年代末，随着精确预报相变模型的形成和 有限元技术的成熟，在淬火冷却过程的温度场计算中考虑了相变潜热、物性参数随 温度变化等因素的影响；9 0 年代以来，由于计算机处理能力的提高，温度场计算中 4 第一章绪论 最难处理的非线性问题逐步被解决i 引。 ( 2 ) 组织场的计算机模拟： 2 0 世纪3 0 年代，d a v e n p o r e 和b a i n 在等温条件下，提出了t t t 曲线，即时间 一温度转变曲线，t t t 曲线又称c 曲线，是共析钢过冷奥氏体等温转变曲线。到了 4 0 年代，人们又提出了连续转变曲线( c c t 曲线) ，c c t 曲线是过冷奥氏体连续冷 却转变曲线，是分析连续冷却过程中奥氏体转变过程及产物组织和性能的依据，这 种曲线因直观实用得以推广1 9 j 。近年来，随着相变问题和各种温度场耦合等计算模拟 方法的推进研究，以更直观的等效应力图方式查看应力对于组织转变的影响。 ( 3 ) 应力场的计算机模拟： 国外对淬火冷却过程应力的研究是从6 0 年代开始的。进入7 0 年代，人们研究 采用了先进数学模型，即热弹塑性模型，并使用有限单元法通过计算机进行模拟。 使得应力场研究取得突破性进展。到了8 0 年代，相变塑性、应力与相应的交互作用 等因素被考虑，数学模型越来越逼近真实过程，同时，向工业生产领域的实际应用 推进。如法国一家公司对轴齿轮气冷淬火过程采用热复合模拟计算应力场，展示了 料盘上的每个部位零件截面温度场、应力场和应变场。k a b a s k o 通过模拟给出了淬火 件获得最大表面压应力的时间，解决了汽车半轴采用4 0 钢替代4 0 c r n i 2 m o 钢强烈 淬火获得最大表面压应力的淬火工艺问题。c l e m e n t s 在工件硬度和应力模拟方面得 n t 与试验相吻合的结果阻1 3 1 。国内z x l 0 7 t 球铁钢锭模温度场、应力场计算机模 拟等都与实验结果相吻合。由大连理工大学和沈阳黎明航空发动机集团利用有限元 法研究了某重型燃机压气机盘在淬火过程中的应力场分布。模拟计算中，采用等效 热容法处理相变潜热对淬火温度场的影响，采用等效线胀系数法处理相变引起的组 织应力，同时考虑了材料热物性参数和力学性能参数的温度相关性。模拟结果表明， 在淬火初期，由于热应力的作用使工件表面受拉而心部受压，随着相变的发生，应 力发生了多次转向，最后形成了表面受压心部受拉的残余应力分布。在油淬过程中， 工件内持续承受较高的拉应力，而空冷时承受的内应力较小，从而避免了工件的变 形和开裂4 | 。 1 2 2 热处理计算机模拟亟待解决的问题 热处理计算机模拟是一项多学科相互渗透的高新技术。随着传热学、相变动力 学、流体动力学等学科的有限元发展，包含了热分析，相变分析，耦合分析，应力 分析等技术的综合的热处理计算机模拟软件广泛应用到了生产研究当中。由于淬火 模拟条件复杂，在这方面的成果也比较少，存在的问题主要有： 5 齿轮滚刀的深冷处理的有限元模拟 ( 1 ) 形状、非线性、边界条件趋于简化 由于计算机条件的限制，目前热处理计算机模拟大多针对于简单形状的工件热 处理，大型的复杂形状的工件的淬火热处理计算机模拟成果很少。由于淬火问题涉 及到多个复杂场问题，再加上考虑相变潜热问题，就使原本复杂的工作更难实现。 尤其是对于复杂形状的工件，只能在现有条件下给予简化处理进行研究。过度的简 化其结果很难与现实状态吻合，不予以简化又很难得到结果，常常以失败而告终。 ( 2 ) 参数缺乏 各种材料的物理属性参数数据不全，有些新材料在手册上很难查到，手册的更 新也达不到相关要求，各种特殊环境的参数更是难以查询。因此，现在急需解决的 问题是如何把现有的热处理计算机模拟及其各种相关成果综合起来，对实际生产中 零件的热处理过程作出有针对性的研究，充分利用现有模拟技术，使之更好地适应 生产需要，也同时引起人们对模拟的重视，发现问题并促进其进一步发展【1 5 - 1 9 】。 1 2 3 深冷处理发展历史以及国外研究现状 深冷处理又称超低温处理，是工件淬火后继续在液氮或液氮蒸气中冷却的工艺。 深冷处理主要是采用液态氟为冷却剂( 1 9 6 摄氏度) ，利用气化潜热的快速冷却方 式，将淬火后的工件冷至1 2 0 摄氏度以下，并保持一段时间。深冷处理的效果主要 有：残余奥氏体几乎可全部转变成马氏体；材料组织细化并可析出微细碳化物；耐 磨性比未深冷处理的模具高2 7 倍，比普通冷处理的模具高1 8 倍。为了防止深冷处 理时产生开裂，深冷处理前须在1 0 0 摄氏度热水中进行一次回火，并且深冷处理在 5 卜6 0 摄氏度的热水中快速升温，由于表面膨胀而收到减小应力的效果。深冷处 理可提高耐磨性外，还可作为稳定工件尺寸的一种处理方法。 工件在淬火的时候，奥氏体转化成马氏体，体积会膨胀，从而产生压力。压力 的存在会阻止剩余的奥氏体向马氏体转化。因而会有一部分奥氏体不能转变，从而 保存下来。残余奥氏体的存在不仅会降低工件的强度，而且会在以后的使用中，由 于受到外来应力，诱发马氏体相变，从而导致工件尺寸变化。为了消除残余奥氏体， 从理论上讲有两种方法，其一是释放应力，其二是降低温度，即所谓的冷处理。第 一种方法实际上不太可能，因此生产上采用的是第二种方法。冷处理一般是将工件 的温度降至温室以下。 早在一百多年前，瑞士钟表商就将钟表的一些关键性零件埋在寒冷的阿尔卑斯 雪山中，以提高零件的耐磨性和可靠性。而一些有经验的工具制造商则把工具钢放 到冷冻箱内数月储存从而提高工具钢的使用寿命2 0 1 。对其深入研究还是始于上世纪 6 第一章绪论 7 0 年代，1 9 7 2 年美旨l o u s i a n a 技术大学的b a r r o n 博士对1 2 种工具钢、3 种不锈钢 和其他4 种钢材分别进行了1 8 9 k 和7 7 k 的冷处理对比实验后，发现两种冷处理对 材料的硬度影响不大。但深冷处理比一般冷处理使工具钢的耐磨性提高2 6 倍。 进入2 0 世纪8 0 年代，各国对深冷技术的研究更加深入，美国成立了若干个专 业化的深冷处理公司，如3 xi n s t r u m e n t s & t o l l i n g 、m a t e r i a li m p r o v e m e n t 和a r n e c r y 等，并分别对刀具、磨具、齿轮、轴承、特殊弹簧、硬质合金、高速钢、钴基合金 进行深冷处理，实验结果表明深冷处理对于提高上述材料的使用寿命有显著的作用， 一般可以提高5 1 0 倍不等。 1 9 8 7 年美国的g r a y 发起成立了国际深冷处理研究会。日本的近藤正男研究了深 冷处理和马氏体相变的关系，大川雄史研究了深冷处理对s k d 模具钢使用寿命和 s k d l1 钢耐磨性的影响；山中正喜也研究了深冷处理对工具钢 ( s k 3 ，s k _ d 1 1 ，s k s l1 , s k d 5 1 ) 的耐磨性的影响； 英国b o c 公司的r f r a y 进行了深 冷处理改善钻头和粉末冶金零件力学性能的研究，结果表明经深冷处理后钻头的使 用寿命可以提高5 倍，而粉末冶金件的力学性能也得到了明显的改善。 前苏联列宁格勒工业大学研究了1 9 6 。c 液氮中1 5 分钟的深冷处理对高速钢转变 的影响，试验结果表明，在7 0 。c 到7 5 以及1 3 0 到1 4 0 范围内进行深冷处理时 发生马氏体转变，当冷却到1 9 6 时转变停滞。在9 0 到1 2 0 温度范围内，出现 试样容积的减小，这证明马氏体的部分分解并在位错面上析出碳原子和形成超显微 的碳化物。可见，深冷处理使高速钢析出的碳化物颗粒明显增多，弥散且均匀， w 18 c r 4 v 钢经深冷处理后碳化物颗粒约增加8 ，w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢析出的碳化物颗 粒约增加7 6 ，基体组织亦明显细化【2 1 2 3 1 。 日本的冲戴凸模( 2 0 0 冲次分) 经深冷处理提高了淬火硬度h r c 0 5 1 7 ，耐磨性 使用寿命提高了3 5 倍，冲头经深冷处理一次刃磨寿命提高6 倍；造纸厂的圆盘式 剪刀经深冷处理寿命提高3 - 4 倍，锻模经深冷处理提高寿命2 倍以上。 1 2 4 深冷处理国内研究现状 阜新矿业学院的李智超、董允等人研究发现：经淬火、回火后的w 18 c 4 v 钢再 施加深冷处理可在室温硬度保持不变的同时，提高了冲击韧性，抗弯强度，红硬性 及耐磨度。随后上海工业大学、北京理工大学、东北大学等高校以及广西玉林油嘴 油泵厂、北京内燃机厂等单位也开始了研究，取得令人满意的结果。上海工程技术 大学材料工程学院也对超硬高速钢和普通高速钢经深冷处理后的使用寿命做了比较 试验取得可喜成果。辽宁丹东五一八内燃机配件总厂对高速钢刀具施加深冷处理后， 7 齿轮滚刀的深冷处理的有限元模拟 由原来的每把车刀车削l o 根6 1 0 2 曲轴，提高到2 1 根2 4 1 。 1 3课题研究的意义 金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般 不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变 工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量， 而这一般不是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和 化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢 铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制， 所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也 都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。 热处理过程计算机模拟是对热处理发展的现代化工具，是在信息技术条件下， 热处理新层次的内容。计算机模拟实现理论知识和科学计算并应用于热处理生产和 工艺规划，从而降低生产成本，提高产品质量，节约材料资源方面都有十足的贡献。 本文述及的热处理过程的计算机模拟包括淬火过程以及深冷处理。本课题以齿 轮滚刀作为深冷处理计算机模拟的研究对象，通过对淬火和深冷处理在各种条件的 下比对来验证和分析其可行性和实用性。 1 4课题研究方案 对齿轮滚刀进行盐浴处理，加热温度为1 2 0 0 ，淬火时间1 5 分钟；然后进行3 次回火操作，回火温度为5 6 0 ，时间1 小时；采用以4 0 0 、8 0 0 。c 、1 2 0 0 。c = 级 加热的方式并且每部分各保温2 0 分钟。将淬火后的齿轮滚刀再进行深冷处理，采用 不同的降温方式，全面的贯彻深冷箱的工艺规范，尽可能全的模拟出真实可靠的数 据。 模拟的初始条件和边界条件按照齿轮滚刀的热处理工艺的基本参数作为己知条 件，利用a n s y s 软件分别计算出淬火和深冷处理的温度场和热应力场的分布，比较 其差别，进而判断深冷处理的实验效果。 1 5本章小结 本章着重介绍了热处理的重要性，热处理的发展，有限元法的发展和应用情况， 以及热处理计算机模拟的发展趋势。讲述了本课题研究的意义，实验方案，比较方 案，为后续进展提供总体的规划。 8 第二章有限元法及a n s y s 软件 第二章有限元法及a n s y s 软件 2 1有限元法简介 有限元法f e m ( f i n i t ee l e m e mm e t h o d ) 是力学和现代计算机技术相结合的产物。 是计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助工程( c a e ) 的重要组成部分。 有限元法是随着计算机应用的日益普及和数值分析技术的日益发展而迅速发展 起来的一种新颖有效的数值方法。它在5 0 年代起源于飞机结构的矩阵分析，6 0 年代 开始被推广用来分析弹性力学平面问题。由于它所依据的理论的普遍性，因此很快 就被广泛应用于求解热传导、电磁学、流体力学等连续问题。目前已在各个工程技 术领域中得到了十分广泛的应用【2 5 】。以下是有限元的发展概况： 1 9 4 3 年c o u r a n t 在论文中取定义在三角形域上分片连续函数，利用最小势能原 理研究s t v e n a n t 的扭转问题。 1 9 6 0 年c l o u g h 的平面弹性论文中用“有限元法”这个名称。 1 9 7 0 年随着计算机和软件的发展，有限元发展起来。涉及内容：有限元所依据 的理论，单元的划分原则，形状函数的选取及协调性。有限元法设计：数值计算方 法及其误差、收敛性和稳定性。应用范围：固体力学、流体力学、热导学、电磁学、 声学、生物力学求解的情况：杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的弹性( 线性 和非线性) 、弹塑性或塑性问题( 包括经理和动力问题) 。能求解各类场分布问题 ( 流体场、温度场、电磁场等的稳态和瞬态问题) ，水流管路、电路、润滑、噪声 以及固体、流体、温度相互作用的问题【2 6 1 。 2 2有限元法求解过程 1 单元剖分把连续弹性体分割成许多个有限大小的单元，并为单元和节点编 号。 2 单元特征分析以节点位移为基本未知量，设选一个单元位移函数，之后： ( 1 ) 用节点位移表示单元位移。 ( 2 ) 通过几何方程用节点位移表示单元应变。 ( 3 ) 通过物理方程用节点位移表示单元应力。 ( 4 ) 通过虚功方程用节点位移表示节点力，得出单元刚度矩阵。 3 总体结构合成 ( 1 ) 分析整理各单元刚度矩阵，通过节点的平衡方程形成节点载荷列阵、合成总 体刚度矩阵，建立以节点位移为未知量的、以总体刚度矩阵为系数的线性代数方程： 9 齿轮滚刀的深冷处理的有限元模拟 ( k ) x ) = f ) ( 2 1 ) ( 2 ) 对线性代数方程组进行边界条件处理，求解节点位移。进而可求得单元应力。 有限元法求解过程如图2 1 所示。 力学特住舒机 + 吖儿强“选扦 + 蟹无划分币妃，节点编 输人辣稚数掂 建带n ；1 9 1 i 皇 陟 髭二成总体峰婚汹 + 形成投衙鲥畴 艇抛l 佧协m j 苎i jj 三! 红条掣一处胛 求盼刚眨方 芏 输i i ；f 算嚣 i 果 图2 1 有限元法求解流程图 f i g u r e2 1t h es o l u t i o nf l o wc h a r to ft h ef e m 2 3a n s y s 简介 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元 分析软件。c a e 的技术种类有很多，其中包括有限元法( f e m ，即f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) ，边界元法( b e m ，即b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) ，有限差法( f d m ，即f i n i t e d i f f e r e n c ee l e m e n tm e t h o d ) 等。每- - ；f e 0 方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用 的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、 电磁学等。 a n s y s 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解 结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航 天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动 器械等。 延续了a n s y s 一贯强大的耦合场技术，1 0 0 版本为复杂的流固耦合( f s i ) 问 1 0 第二章有限元法及a n s y s 软件 题提供了更完善的解决方案。该版本整合了世界一流的应力分析和流体分析技术， 形成了一套完整的f s i 解决方案。通过适合于特定场要求的网格划分，一个单一的 几何体可以应用于两种场。该版本提供了有效地解决f s i 动力学分析的信息交换功 能。目前市场上没有任何其他的f s i 软件可以提供如此强大的稳健性和高度的精确 性分析。另外，该版本可以在多个机群进行并行处理解决超大模型。 在机械应用领域，a n s y s1 0 0 包括了a n s y sw o r k b e n c h 下全部的热瞬态分析 功能。这不仅帮助用户进行非常复杂的时域仿真，同时a n s y sw o r k b e n c h 也可自动 完成很多建模和求解工作。这样可以轻松快速地求解设备在一定运行时间内的热性 能。 通过d e s i g n s p a c e ，设计工程师可以在产品设计阶段对3 dc a d 中生成的模型( 包 括零件和装配件) 进行应力变形分析、热及热应力耦合分析、振动分析和形状优化， 同时可对不同的工况进行对比分析。a n s y s d e s i g n s p a c e 拥有智能化的非线性求解 专家系统，可自动设定求解控制，得到收敛解；用户不需具备非线性有限元知识即 可完成过去只有专家才能完成的接触分析。 a n s y s 软件具有结构、热、电磁、流体分析等强大的功能。该软件采用a p d l 参数化设计语言，能和a u t o c a d ，u g ，s o l i d w o r k s ，i - d e a s ，p r o e 等多种c a d 软件 接口。 a n s y s 软件组成： 1 、前处理模块 实体建模，网格划分，加载 2 、求解模块 结构分析，流体动力学分析，电磁场分析，声场分析，压电分析等 3 、后处理模块 通用后处理模块：显示计算结果( 等直线，剃度，矢量，透明，动画效果等) ，输 出计算结果( 图表，曲线) 时间历程响应后处理模块：检查在一个时间段或子步历程中的结果 a n s y s 解题步骤： 建模：建立几何模型 网格划分：形成有限元模型 加载：重力，位移约束，载荷约束 求解：指定求解的类型及选用的求解模式 1 1 齿轮滚刀的深冷处理的有限元模拟 后处理：查看结果。 2 4a n s y s 热分析功能 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取 或损失、热梯度、热流密度( 热通量) 等【2 7 】。热分析在许多工程应用中扮演重要角 色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。a n s y s 热分析有以下 几个特点： 1 、a n s y s 功能组件热分析能力 在a n s y s m u l t i p h y s i c s 、a n s y s m e c h a n i c a l 、a n s y s t h e r m a l 、 a n s y s f l o t 州、a n s y s e d 五种产品中包含热分析功能，其中 a n s y s f l o t r a n 不含相变热分析。 2 、a n s y s 热分析原则 a n s y s 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温 度，并导出其它热物理参数。 3 、a n s y s 热分析类型 a n s y s 热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分 析相变、有内热源、接触热阻等问题。a n s y s 热分析的分类为两大类，即传统的 热分析和热耦合分析。传统热分析依据温度场与时间的变化关系，a n s y s 热分析可 以分为以下两种： 1 稳态传热 稳态传热就是系统的温度场不随时间变化。 2 瞬态传热 瞬态传热，顾名思义就是系统的温度场随时间明显变化 热耦合分析就是将热分析与其他类型的分析结合起来进行分析。a n s y s 可能进行的 热耦合分析包括以下几个方面：热结构耦合分析，热流体耦合分析，热电耦合分 析，热一磁耦合分析，热电磁结构耦合分析。热分析边界条件及初始条件对于 a n s y s 热分析而言，其提供的边界条件或者初始条件可以分为以下其中：温度、热 流率、热流密度、对流、辐射、绝热和生热。a n s y s 热分析误差估计，对于任何分 析都不可能决定精确，这要求在进行分析时进行误差评估，尽量减小误差【2 8 ，2 9 1 。 a n s y s 热分析误差估计主要应用于以下几种情况： 1 、 只能评估网格密度因素引起的误差： 1 2 第二章有限元法及a n s y s 软件 2 、只适合单温度自由度单元( s o l i d 或者s 髓l l 单元) ： 3 、仅对线性、稳态热分析有效； 4 、通过自适应网格划分可以减少误差； 5 、 热误差估计基于单元边界热流密度不连续。 2 4 1 稳态热分析和瞬态热分析比较 稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态传热分 析以前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。稳态热分析可以通过有限元计算 确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。稳态传热 分析的主要步骤和任何类型问题分析过程大致类似，a n s y s 热分析可分为以下三个 步骤，首先是建立有限元模型，然后施加载荷并求解，最后是查看分析结果。 1 建立有限元模型 建模过程与一般类型问题分析过程大致一样：做分析前的准备工作建模前的准 备工作主要有：建立文件文件夹，选择文件名，添加标题并选择合理的单位。热分 析建议采用国际单位制。 2 进入前处理器 3 选择热分析单元类型，定义单元选项。 4 定义实常数 5 定义材料热性能参数 对于稳态传热分析只需要定义材料的导热系数。材料的导热系数可以是恒定的， 也可以是随温度变化的。 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流 率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。在工程应用中一般用瞬态热分 析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。 瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似，瞬态热分析中使用的单元与稳态热 分析相同，主要的区别是瞬态分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时问变化 的载荷，首先必须将载荷一时间曲线分为载荷步。载荷一时间曲线中的每一个拐点 为一个载荷步。对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷 步为渐变或阶跃【3 0 】。 2 4 2 热应力分析方法 耦合场分析考虑两个或者两个以上的物理场之间的相互作用。这种分析包括直接 和间接耦合分析。当进行直接耦合时，多个物理场( 如热点) 的自由度同时进行计 1 3 齿轮滚刀的深冷处理的有限元模拟 算，这就是直接法，其适用于多个物理场各自的响应相互依赖的情况。由于平衡状 态要满足多个准则才能取得，直接耦合分析往往是非线性的。每个节点上的自由度 越多，矩阵方程就越庞大，消耗的计算时间也越多。间接耦合分析是以特定的顺序 求解单个物理场的模型。前一个分析的结果作为后续分析的边界条件施加，有时候 也被成为序贯耦合分析。间接耦合法主要用于物理场之间单向的耦合关系。如，一 个场的响应( 如热) 将显著影响到另外一个物理场( 如结构) 的响应，反之不成立。 此法一般来说比直接耦合法效率高而且不需要特殊的单元类型。这里只讨论设计热 的耦合现象。而且需要注意不是所有a n s y s 产品都支持所有耦合单元类型和分析选 项。 2 4 2 1耦合问题分析方法简介这里介绍直接法和间接法用于热耦合分析应该 注意的事项。 1 直接法 任何方法的分析的过程大致相同，这里只是介绍处理热耦合分析中需要注意的 事项，注意事项分为前处理注意事项及求解、后处理注意事项。 ( 1 ) 前处理过程中应该注意的事项 、合理选择单元类型 使用耦合场单元的自由度序列应该符合需要的耦合场要求。模型中不需要耦合的 部分应使用普通单元。 、理解单元及单元选项 仔细研究每种单元类型的单元选项，材料特性和实常数。耦合场单元相对来说有更 多限制( 如，p l a n e l 3 不允许热质量交换而p l a n e 5 5 单元可以，s o l i d 5 不允许塑 性和蠕变而s o l i d 4 5 可以) 。 、不同场分析使用统一的单位制 、由于需要迭代计算，热耦合场不能使用子结构 ( 2 ) 直接法加载，求解和后处理过程中需要注意的事项 、带有温度自由度的耦合场单元选项进行瞬态分析类型注意事项 瞬态温度效果可以在所有耦合场单元中使用。瞬态电效果( 电容，电感) 不能包 括在热一电分析中( 除非只是t e m p 和v o l t 自由度被激活) 。带有磁向量势自由度 的耦合单单元可以用来对瞬态磁场问题建模( 女i s o l i d 6 2 单元) 。带有标量势自由 度的单元