齒輪成形磨削淬硬溫度場(chǎng)研究

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1、齒輪成形磨削淬硬溫度場(chǎng)研究 齒輪成形磨削淬硬溫度場(chǎng)研究 2016/03/16 《組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)雜志》2016年第二期 摘要: 為了真實(shí)反映成形磨削淬硬過(guò)程中溫度、組織分布狀態(tài)，基于熱力學(xué)和相變動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)ABAQUS用戶子程序接口DFLUX、USDFLD，按照FORTRAN語(yǔ)法規(guī)則編寫(xiě)代碼對(duì)CAE軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，模擬分析了成形磨削淬硬包括冷卻全過(guò)程的溫度場(chǎng)及組織轉(zhuǎn)變過(guò)程，預(yù)測(cè)工件在不同方向的溫度變化及磨削淬硬完成后馬氏體組織分布情況，計(jì)算工

2、件淬硬層深度，評(píng)定其淬透性。結(jié)果表明，距表層0．32mm以上的材料將激活相變，淬硬層深度約為0．291mm。仿真模擬對(duì)磨削淬硬中控制馬氏體轉(zhuǎn)變量具有一定的指導(dǎo)作用。 關(guān)鍵詞: 成形磨削淬硬;ABAQUS二次開(kāi)發(fā);溫度場(chǎng);相變效應(yīng) 隨著現(xiàn)代制造業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)機(jī)械零件的加工精度、表面質(zhì)量、壽命以及對(duì)其生產(chǎn)率提出了更高的要求。零件通常在熱處理后，采用磨削作為最終加工工藝。相比其它機(jī)械加工方式，磨削加工切除單位體積材料需要更多的能量輸入，這些能量轉(zhuǎn)化為磨削熱并集中于工件表層，機(jī)械行為與切削熱共同作用可能導(dǎo)致已淬硬材料出現(xiàn)熱損傷。德國(guó)學(xué)者考慮將熱處理與磨削工序集成起

3、來(lái)，提出了磨削淬硬技術(shù)，利用磨削熱對(duì)工件進(jìn)行表面淬火的新型復(fù)合技術(shù)。既提高效率，合理利用磨削熱，又避免工件熱損傷。磨削淬硬技術(shù)有著極大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。國(guó)外的Nguyen和Zhang［1］對(duì)外圓磨削淬硬數(shù)值模擬，結(jié)果表明進(jìn)給量對(duì)淬硬層深度起決定作用。馬占龍，韓正銅［2］運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立磨削淬硬溫度場(chǎng)，對(duì)淬硬層深度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并由試驗(yàn)驗(yàn)證仿真可靠性。袁威，劉菊東［3］結(jié)合試驗(yàn)與仿真，研究磨削用量對(duì)單程磨削淬硬層深度的影響，試驗(yàn)與仿真結(jié)果一致，表明淬硬層深度與磨削深度成正比，與工件進(jìn)給速度成反比。成形法加工齒輪精度、效率高，而由于接觸線長(zhǎng)，冷卻狀況差，磨削熱

4、量輸出高，對(duì)表層組織溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)影響很大。應(yīng)用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法因受制于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)諸如工件表層馬氏體分布，熱等參數(shù)的研究結(jié)果并不盡如人意，因此本文采用仿真的方法來(lái)研究成形磨削淬硬溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)。 1成形磨削力計(jì)算模型 磨削力來(lái)自于砂輪磨粒與工件接觸后產(chǎn)生的彈塑性變形及系統(tǒng)內(nèi)部相互摩擦作用。磨削力表征磨削過(guò)程，是磨削淬硬過(guò)程中能量消耗、熱量產(chǎn)生及磨削振動(dòng)的重要原因，是影響材料去除機(jī)制、砂輪磨損以及加工表面質(zhì)量基本條件［4］。砂輪與齒面的接觸面就像磨削平面時(shí)被彎曲，所以成形磨齒可以認(rèn)為是一種傾斜曲面磨削。根據(jù)C．Guo的傾斜面磨削理論［5］，可以把成形磨齒接觸面等效為普通平面磨削

5、進(jìn)行研究，等效模型如圖1所示。 2磨削淬硬溫度場(chǎng)及相變理論 2．1溫度場(chǎng)理論模型(1)熱流密度模型工件材料磨削淬硬過(guò)程消耗大量的功，這些能量幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱，用熱流密度q表示。磨削弧區(qū)產(chǎn)生的總熱流密度可以通過(guò)切向磨削力計(jì)算得到。 2．2相變理論(1)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變與溫度、時(shí)間有關(guān)，相變起始時(shí)間即孕育期，轉(zhuǎn)變開(kāi)始到結(jié)束即長(zhǎng)大過(guò)程［8］。奧氏體轉(zhuǎn)變，珠光體、貝氏體轉(zhuǎn)變皆屬于擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。對(duì)于擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變數(shù)學(xué)模型，Johnson、Avrami等人［9-10］作了大量工作，相變量可由下式求得。式(4)稱為Avrami方程，其中V為轉(zhuǎn)變量，t為等溫時(shí)間，n和b為變量，與溫度相關(guān)，是通

6、過(guò)轉(zhuǎn)變量為10%和90%的兩組方程來(lái)確定。Avrami方程描述的是等溫下轉(zhuǎn)變過(guò)程，對(duì)于磨削淬硬這種連續(xù)冷卻過(guò)程不能直接使用。需要將時(shí)間離散，將每一小段時(shí)間看成等溫轉(zhuǎn)變，并疊加計(jì)算孕育率和轉(zhuǎn)變量［11］。(2)非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變不同于擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變的相變量?jī)H取決于溫度，與時(shí)間無(wú)關(guān)。國(guó)外學(xué)者Koistinen和Mar-bulge［12］研究提出非擴(kuò)散型相變動(dòng)力學(xué)模型。 3磨削淬硬有限元仿真 磨削淬硬數(shù)值模擬需要復(fù)雜有限元模型數(shù)據(jù)輸入，包括幾何模型，熱物性材料特性參數(shù)，初始條件，邊界條件和加載條件等。有限元模型主要特征的簡(jiǎn)要描述如下。 3．1網(wǎng)格劃分網(wǎng)格密度通常取決于作用載荷和

7、邊界條件。磨削淬硬過(guò)程中，磨削區(qū)及其附近伴隨著高熱流輸入和高溫度梯度，因此，對(duì)工件表層1mm進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)劃分以保證計(jì)算精度及收斂性。而模型下部采用比例網(wǎng)格劃分技術(shù)劃分較粗網(wǎng)格，以提高計(jì)算效率。針對(duì)磨削淬硬溫度場(chǎng)仿真，網(wǎng)格劃分采用8節(jié)點(diǎn)隱式線性熱傳導(dǎo)單元DC3D8，網(wǎng)格劃分如圖2所示。 3．2工件材料和磨削參數(shù)42CrMo強(qiáng)度、淬透性高，韌性好，廣泛應(yīng)用于齒輪、汽車連桿等制造。磨削淬硬有限元模擬需要輸入材料熱物性參數(shù)。42CrMo的熱物性參數(shù)如表2所示。磨削淬硬過(guò)程是一種高度的非線性過(guò)程，工件的熱導(dǎo)率、比熱既是溫度的函數(shù)，同時(shí)又隨著相體積分?jǐn)?shù)的變化而變化。因此，伴隨著不同組織間的轉(zhuǎn)變，它們的

8、熱物性存在差異，需要采用混合定律，并在ABAQUS中調(diào)用場(chǎng)變量實(shí)現(xiàn)。 3．3初始和邊界條件環(huán)境溫度可視為工件初始溫度，取T(t=0)=25℃。在磨削淬硬過(guò)程中，工件外表面與外界始終存在對(duì)流換熱，通常由牛頓冷卻公式［14］。 3．4熱源加載成形磨削淬硬過(guò)程極其復(fù)雜，反映在有限元模型上，就是位于磨削弧內(nèi)的單元既有熱流輸入又有對(duì)流換熱作用屬于混合邊界條件。砂輪磨削工件視為移動(dòng)熱源。切深較小時(shí)，矩形移動(dòng)熱源更符合實(shí)際，切深較大時(shí)，通常采用三角形熱源。本文采用矩形移動(dòng)熱源加載。仿真軟件ABAQUS自身不能直接加載移動(dòng)熱源，一些文獻(xiàn)為解決熱源“連續(xù)"加載問(wèn)題，將總磨削時(shí)間離散設(shè)置多個(gè)分析步實(shí)現(xiàn)

9、，操作麻煩，精度較低。因此，本文借助ABAQUS提供的子程序DFLUX接口，由二次開(kāi)發(fā)施加磨削移動(dòng)熱源，定義有限元仿真模擬的載荷邊界條件。按照FORTRAN語(yǔ)言的語(yǔ)法編寫(xiě)程序代碼，需完成必要的定義:①磨削區(qū)的定義;②熱源運(yùn)動(dòng)的定義;③磨削弧熱流密度和對(duì)流換熱的定義。 3．5基于二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)組織轉(zhuǎn)變模擬組織體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算，是計(jì)算模擬相變潛熱、相變膨脹、相變應(yīng)力的基礎(chǔ)。CAE軟件通常自身都不具備計(jì)算組織場(chǎng)功能。通常由二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)ABAQUS用戶子程序接口USDFLD，運(yùn)用Fortran語(yǔ)言將相變動(dòng)力學(xué)理論編入代碼，并在CAE計(jì)算中調(diào)用，在線獲取任一節(jié)點(diǎn)任意時(shí)刻組織轉(zhuǎn)變狀況。

10、4成形磨削淬硬過(guò)程仿真分析 本文基于ABAQUS二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)磨削淬硬溫度場(chǎng)組織場(chǎng)仿真模擬。整個(gè)仿真計(jì)算過(guò)程分為兩個(gè)分析步:磨削分析步和冷卻分析步，磨削時(shí)間，即砂輪磨粒在工件表面作用的時(shí)間。 4．1不同深度溫度變化磨削淬硬過(guò)程中，工件不同深度方向上(z向)溫度變化和z向溫度梯度曲線如圖3和圖4，任一時(shí)間點(diǎn)，z向的溫度梯度都很大。距磨削區(qū)表面0．262mm以上的工件，在整個(gè)磨削淬硬過(guò)程中，最大溫度均在Ac3(798．1℃)以上，意味著，它們將完全奧氏體化。距磨削區(qū)表面0．262mm與0．32mm之間的工件，在整個(gè)磨削淬硬過(guò)程中，最大溫度均在Ac1(738．2℃)與Ac3之間，它們將發(fā)生

11、部分奧氏體化。從某一深度層(z＞0．32mm)開(kāi)始，不會(huì)激活?yuàn)W氏體轉(zhuǎn)變。這取決于工件材料特性和磨削條件，包括砂輪轉(zhuǎn)速，磨削深度，冷卻速度等。 4．2組織轉(zhuǎn)變曲線42CrMo鋼屬于亞共析鋼，初始組織主要為鐵素體加珠光體。珠光體是共析鐵素體和共析滲碳體有機(jī)結(jié)合的混合組織。如圖5，當(dāng)工件材料被加熱至Ac1溫度時(shí)，珠光體首先向奧氏體轉(zhuǎn)變，奧氏體晶核在相界處形成，晶核不斷長(zhǎng)大并吞噬珠光體，隨著溫度的繼續(xù)升高，奧氏體向鐵素體中生長(zhǎng)，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的奧氏體晶粒。奧氏體轉(zhuǎn)變是一種逆共析過(guò)程，屬于擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。磨削淬硬過(guò)程，升溫速率很快，溫度高，奧氏體轉(zhuǎn)變迅速，由于最大溫度超過(guò)Ac3溫度，工件表層已完全奧氏

12、體化，初始組織被轉(zhuǎn)化。馬氏體組織最大的特點(diǎn)為高強(qiáng)度，高硬度，又有較好的韌塑性，因此，我們希望磨削淬硬后，齒輪最終組織為馬氏體。要想獲取更多馬氏體，避免發(fā)生擴(kuò)散型相變產(chǎn)生珠光體、貝氏體等組織，必須使工件快速冷卻到Ms點(diǎn)。溫度場(chǎng)仿真結(jié)果顯示，工件溫度從1000下降至100只需2s，冷速非?？?，可以認(rèn)為只發(fā)生非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。溫度降至Ms，馬氏體轉(zhuǎn)變被激活，隨著工件表層溫度持續(xù)降低，馬氏體相體積分?jǐn)?shù)不斷增加，奧氏體相體積分?jǐn)?shù)不斷減少，此時(shí)為兩相混合態(tài)。直至溫度達(dá)到20，馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束，由圖5可見(jiàn)，幾乎所有奧氏體被轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，磨削淬硬過(guò)程達(dá)到目的。 4．3淬硬層深度計(jì)算鋼的表面至內(nèi)部馬氏體組織占5

13、0%處的距離稱為淬硬層深度。淬硬層越深，淬透性就越好。如果淬硬層深度達(dá)到心部，則表明該工件全部淬透。工件最大溫度節(jié)點(diǎn)下方，不同深度層馬氏體體積分?jǐn)?shù)由CAE計(jì)算后如下表5所示，淬硬層深度約為0．291mm。 5結(jié)論 基于ABAQUS提供的子程序接口DFLUX，USD-FLD，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)模擬仿真成形磨削淬硬過(guò)程的溫度場(chǎng)，組織場(chǎng)。從仿真結(jié)果，可見(jiàn)得出:①磨削淬硬工件在磨削、切深方向的溫度分布，判斷是否激活相變;②工件在整個(gè)淬硬過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變，計(jì)算出馬氏體轉(zhuǎn)變量;③計(jì)算淬硬層深度，評(píng)定磨削淬硬后工件的淬透性。組織體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算，是計(jì)算模擬相變潛熱、相變膨脹、相變應(yīng)力的基礎(chǔ)。溫度場(chǎng)、組織

14、場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)耦合仿真模擬是今后研究努力的方向。 ［參考文獻(xiàn)］ ［1］ThaiNguyen1，LCZhang．Realisationofgrinding-hardeninginworkpiecesofcurvedsurfaces-part1:plungecyclindricalgrinding［J］．InternationalJournalofMachineTools＆Man-ufacture，2011，51:309－319． ［2］馬占龍，韓正銅．磨削淬硬溫度場(chǎng)數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究［J］．中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，43(3):960－965． ［3］袁威，劉菊東

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