牙轮钻头球面浮动套高频淬火过程温度场数值模拟.pdf

制造技术 工艺装备现代制造工程 年第 期 牙轮钻头球面浮动套高频淬火过程温度场数值模拟 倡 何畏 李波 兰晓冬 曾莲 周晓敏 西南石油大学机电工程学院 成都 摘要 建立球面浮动套在淬火冷却过程中温度场有限元模型 分析温度场变化规律和分布状态 温度场模拟结果表明 在整个淬火过程中 球面浮动套截面沿径向温差先增大后减小 冷却到 时 温差最大为 冷却到 时 外表面 率先发生马氏体转变 当冷却到 时 球面浮动套芯部温度为 几乎完成马氏体转变 模拟温度值与实测温度 值进行比较 一致性较好 证明所建模型有效 关键词 球面浮动套 模具钢 高频淬火 温度场 中图分类号 文献标志码 文章编号 Numerical simulation of temperature field during high frequency quenching process of spherical floating ring of rock bit Abstract Key words 引言 牙轮钻头是钻井工程中最主要的破岩工具 其工 作性能的好坏直接影响钻井效率 钻井成本和钻井质 量 随着世界油气资源勘探开发不断向沙漠 海洋和 高原等复杂地质条件与恶劣自然环境的发展 钻井难 度不断加大 对牙轮钻头工作性能提出了更高的 要求 牙轮钻头在良好密封下 失效的主要形式为滑动 轴承的磨损 为解决此问题 许多专家学者提出诸多 方案 王国荣 基于流体动力润滑理论在接触应力 仿真分析的基础上 研究了牙轮钻头浮动套轴承的工 作机制和结构参数对轴承性能的影响 但是浮动套轴 承仍存在缺陷 牙轮钻头在井底工作中存在一定偏 转 浮动套轴承因受力不均匀使浮动套轴承中的轴承 和轴颈与浮动套靠近端面的内外表面接触 磨损加 剧 严重影响浮动套的使用寿命 即 边缘效应 基 于此 何畏等人 提出了球面浮动套轴承 球面浮动 套是在浮动套基础上进行的改进 浮动套修缘成球面 浮动套 并加工与球面浮动套球面相配合的内凹弧牙 轮 轴承 这样不仅可以减小轴承和球面浮动套之间 的摩擦 而且能解决浮动套的 边缘效应 同时 球面 浮动套也具有关节轴承特点 所以可以在工作中自动 调心 新型牙轮钻头球面浮动套总体结构如图 所示 其 中的球面浮动套加工工艺包括 车削 磨削 热处理和镀 膜等 球面浮动套内外表面均镀有 膜 涂层是 一种优良的涂层 具有高硬度 较好耐高温性 较低摩擦 因数 较好耐磨性及导热性等特点 可以大大提高牙 轮钻头球面浮动套的耐磨性 倡四川省科技支撑计划项目 年第 期现代制造工程 图 新型牙轮钻头球面浮动套总体结构 牙轮 轴承 球面浮动套 牙爪 轴颈 止推轴承 型密封圈 装配槽 牙轮钻头在钻井过程中会产生冲击载荷 因此 球面浮动套不仅表面要耐磨 而且芯部要有一定韧 性 模具钢是一种应用广泛的冷作模具钢 具有一定的耐磨性和良好的韧性 通过高频淬火得到 的淬硬层一般为 淬火尺寸变形小 所以 模具钢能很好地满足牙轮钻头球面浮动套 的工作要求 本文选用 模具钢作为球面浮 动套基体材料 用有限元方法模拟球面浮动套高频淬 火温度场并进行实验验证 高频淬火温度场数值模拟基本理论 温度场控制方程 考虑物体温度 T 随时间变化 非稳态问题 内部 具有热源的 三维热传导的温度控制微分方 程为 c 抄T 抄x 抄 抄x x 抄T 抄x 抄 抄y y 抄T 抄y 抄 抄z z 抄T 抄z qv 式中 T 为温度 x y z分别为 X Y Z 向的导 热率 为密度 c 为比热容 qv为内热源强度 这里代表相 变潜热 x y z 分别为 X Y Z 向的位移 对于淬火冷却过程 一般都忽视加热过程 即假 定淬火前的加热是整体均匀的 初始温度 T 为均匀温 度场 这样处理忽略了加热过程中造成的温度不均 及产生的应力 应变场 降低了模拟精度 但是缩短了 计算时间 初始条件为 T t t T 边界条件为 抄T 抄n c Hk T Tf 式中 Hk为综合对流换热系数 Tf为与工 件产生对流换热的流体温度 t 为初始时间 t 为 时间变量 为导热率 n 为放热面的 外法线方向向量 组织转变量和相变潜热的处理 在冷却过程中 当发生组织转变时 会释放相变 潜热 温度场的变化决定了组织转变产生的相变潜热 不仅反过来影响温度场的分布 而且还在相变温度区 对组织的转变和应力 应变的分布产生显著影响 相变潜热的正确处理直接关系到模拟结果的精度 因 此 相变潜热是不可忽略的因素 必须考虑 有些学 者在模拟中采用温度回升法 即把相变潜热当做内热 源来处理 有些则通过定义材料的热焓随温度的变化 来考虑相变潜热 都取得了令人满意的效果 本文采 用热焓法来考虑相变潜热 在模拟淬火冷却时 由于球面浮动套尺寸较小且 壁薄 淬火组织为马氏体 故淬火组织转变中只涉及 马氏体转变 对于马氏体这种非扩散型转变 转变 量仅取决于温度 与时间无关 和 研究指出 马氏体转变量 V 与温度 T 的关系可表 示为 V Ts T 式中 Ts为马氏体转变点的温度 为常数 反映马氏 体的转变速率 随钢种成分而异 通常取 何畏 等 牙轮钻头球面浮动套高频淬火过程温度场数值模拟 年第 期 牙轮钻头球面浮动套淬火温度场数值模拟 有限元模型 牙轮钻头球面浮动套的材料是 模具钢 主要化学成分 为 和余量 本文牙轮钻头球面浮动套结构示意图如图 所 示 图 中的点 A 为球面浮动套外表面上的特征节 点 点 B 为球面浮动套外表面与内表面之间的特征节 点 点 C 为球面浮动套内表面上的特征节点 球面浮 动套几何建模和温度场数值模拟采用有限元软件 根据几何对称性 取牙轮钻头球面浮动套 建 立几何模型 考虑计算精度和网格的规整性 选用 节 点六面体热单元 进行网格划分 单元网格长度 为 网格划分后 整个模型共有单元数 个 节 点数 个 有限元模型网格划分结果如图 所示 图 球面浮动套结构示意图 图 球面浮动套有限元模型网格划分结果 初始条件 初始条件是周围介质在固定位置上的温度或者预 热温度 在特殊情况下也可以是某种确定温度分布 本文球面浮动套利用感应加热使其内外表面快速加热 到指定温度 球面浮动套初始温度取 冷却边界条件 热分析过程中 球面浮动套初始温度为 温 度均匀 油淬冷却时 在球面浮动套内外表面同时喷射 冷却油 并假设内外表面的冷却速度相同 即内外 表面的对流换热系数相同 对流换热系数随球面浮动 套表面温度的变化而变化 查阅相关文献 油淬 表面换热系数与温度的关系曲线如图 所示 图 油淬表面换热系数与温度的关系曲线 材料热物理特征值 目前有许多材料热物理参数并不齐全 文献 给出了软钢 低合金钢和高合金钢的热物理参数的范 围 本文根据实际工况及参考文献 文献 中部分数据进行适当的修正 用于本文模拟计算的 模具钢热物理性能参数随温度变化曲线如 图 所示 图 模具钢热物理性能参数随温度变化曲线 淬火温度场模拟结果与分析和试验 淬火过程温度场模拟与分析 在整个淬火冷却过程中 球面浮动套的温度场是 一个动态变化的过程 冷却至不同时刻 时间为 和 球面浮动套的温度场云图如图 所示 由图 所示可以看出 淬火冷却至 时 中心点 温度为 外表面温度为 中心点与外表 面温差最大为 此时未发生组织转变 但是在此 期间 球面浮动套会因为中心点与外表面的温差而产 年第 期现代制造工程 生热应力 见图 当冷却至 时 中心点温度为 外表面温 度为 而马氏体开始转变温度为 因此外 表面发生马氏体转变 伴随表面产生马氏体而芯部没 有发生组织转变 从而会因为内外表面马氏体转变不 同步而产生组织应力 见图 所以 时间 段只存在热应力 当冷却至 时 中心点温度为 外表面 温度为 而马氏体终止转变温度为 此 时球面浮动套几乎完成马氏体的转变 组织应力也 会随之消失 见图 所以 时间段内热 应力和组织应力共存 随着继续冷却 在 时间段内 球面浮动 套温度由局部的 降到整体的 时间经历比 较长 见图 此过程温度变化平缓且只存在热 应力 为了更加清楚地显示浮动套不同位置温度随时 间的变化情况 选择球面浮动套截面上一些特征节点 见图 中的点 A 点 B 和点 C 作为温度监测点 各 特征节点温度随时间变化的曲线如图 所示 由图 所示可知 在冷却初期 内外表面温度急剧下降 随着 冷却时间的延长 个特征节点的温度均降低 但是变 化趋于平缓且温差减小 冷却到 时 个特征节 点温度近似相等 继续冷却 温度进一步降低 到 时 球 面 浮 动 套 温 度 分 布 比 较 均 匀 大 约 为 通过分析整个淬火过程可知 浮动套内外表面虽 然有相同的对流换热系数以及相同的初始温度 但是 外表面比内表面冷却速度要快 因为外表面比内表面 与冷却液接触的面积大 图 冷却至不同时刻 球面浮动套的温度场云图 淬火过程温度场实验验证 为了验证所建模型的有效性 对球面浮动套外表 面特征节点 A 处的温度值进行测量 测量温度的仪 器使用美国 公司生产的 型便携式红外热像 仪 该仪器具有内置激光 便于准确找到热点的真实 位置 手持此设备对准监测点即可显示该处的温度值 并根据需要选择记录和存取 将测量的温度值和模 拟的温度值进行比较 其结果如图 所示 由图 所 示可以看出 二者吻合得比较好 因此证明所建模型 是合理的 有效的 结语 模拟了以 模具钢作为基体材料的球 面浮动套淬火状态下的温度场 并获得温度场分布情 况 模拟值与实际测量值进行比较 吻合性比较好 何畏 等 牙轮钻头球面浮动套高频淬火过程温度场数值模拟 年第 期 图 球面浮动套截面特征节点温度随时间变化的曲线 图 温度的模拟值与测量值比较结果 证明所建模型的有效性 在整个淬火过程中 球面浮动套截面沿径向温 差先增大后减小 冷却到 时 温差最大为 冷 却到 时 外表面温度将为 外表面率先发生 马氏体转变 当冷却到 时 球面浮动套芯部温度 为 几乎完成马氏体转变 模型能够对球面浮动套淬火过程的温度场进 行较准确的模拟计算 为下一步研究球面浮动套应力 场奠定基础 对球面浮动套淬火工艺和生产工艺的制 定都有重要的指导意义 牙轮钻头球面浮动套轴承虽未正式投入市场 但是市场前景非常可观 它与浮动套轴承相比有许多 优点 如 自动调心 磨损小和寿命长等 参 考 文 献 王国荣 牙轮钻头浮动套轴承工作机理研究 成都 西南石油学院 何畏 孙宇 郑华林 等 一种球面浮动套轴承的牙轮钻 头 中国 李志强 曾燮榕 韩培刚 等 电弧离子镀 复合 涂层摩擦磨损性能研究 深圳大学学报 理工版 林慧国 火树鹏 马绍弥 模具材料应用手册 北京 机械工业出版社 苏兴武 顾敏 淬火冷却过程数