齒輪成形磨削淬硬溫度場研究

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1、齒輪成形磨削淬硬溫度場研究 齒輪成形磨削淬硬溫度場研究 2016/03/16 《組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)雜志》2016年第二期 摘要: 為了真實反映成形磨削淬硬過程中溫度、組織分布狀態(tài)，基于熱力學(xué)和相變動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)ABAQUS用戶子程序接口DFLUX、USDFLD，按照FORTRAN語法規(guī)則編寫代碼對CAE軟件進(jìn)行二次開發(fā)，模擬分析了成形磨削淬硬包括冷卻全過程的溫度場及組織轉(zhuǎn)變過程，預(yù)測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，計算工

2、件淬硬層深度，評定其淬透性。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二次開發(fā);溫度場;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)對機(jī)械零件的加工精度、表面質(zhì)量、壽命以及對其生產(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。德國學(xué)者考慮將熱處理與磨削工序集成起

3、來，提出了磨削淬硬技術(shù)，利用磨削熱對工件進(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)與社會效益，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了研究。國外的Nguyen和Zhang［1］對外圓磨削淬硬數(shù)值模擬，結(jié)果表明進(jìn)給量對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，對淬硬層深度進(jìn)行預(yù)測，并由試驗驗證仿真可靠性。袁威，劉菊東［3］結(jié)合試驗與仿真，研究磨削用量對單程磨削淬硬層深度的影響，試驗與仿真結(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，冷卻狀況差，磨削熱

4、量輸出高，對表層組織溫度場、組織場影響很大。應(yīng)用傳統(tǒng)的實驗方法因受制于現(xiàn)有的實驗手段，對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研究成形磨削淬硬溫度場、組織場。 1成形磨削力計算模型 磨削力來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。磨削力表征磨削過程，是磨削淬硬過程中能量消耗、熱量產(chǎn)生及磨削振動的重要原因，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磨削淬硬溫度場及相變理論 2．1溫度場理論模型(1)熱流密度模型工件材料磨削淬硬過程消耗大量的功，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切向磨削力計算得到。 2．2相變理論(1)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變與溫度、時間有關(guān)，相變起始時間即孕育期，轉(zhuǎn)變開始到結(jié)束即長大過程［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為等溫時間，n和b為變量，與溫度相關(guān)，是通

6、過轉(zhuǎn)變量為10%和90%的兩組方程來確定。Avrami方程描述的是等溫下轉(zhuǎn)變過程，對于磨削淬硬這種連續(xù)冷卻過程不能直接使用。需要將時間離散，將每一小段時間看成等溫轉(zhuǎn)變，并疊加計算孕育率和轉(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)變的相變量僅取決于溫度，與時間無關(guān)。國外學(xué)者Koistinen和Mar-bulge［12］研究提出非擴(kuò)散型相變動力學(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，對工件表層1mm進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)劃分以保證計算精度及收斂性。而模型下部采用比例網(wǎng)格劃分技術(shù)劃分較粗網(wǎng)格，以提高計算效率。針對磨削淬硬溫度場仿真，網(wǎng)格劃分采用8節(jié)點隱式線性熱傳導(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。磨削淬硬過程是一種高度的非線性過程，工件的熱導(dǎo)率、比熱既是溫度的函數(shù)，同時又隨著相體積分?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)用場變量實現(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℃。在磨削淬硬過程中，工件外表面與外界始終存在對流換熱，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流換熱作用屬于混合邊界條件。砂輪磨削工件視為移動熱源。切深較小時，矩形移動熱源更符合實際，切深較大時，通常采用三角形熱源。本文采用矩形移動熱源加載。仿真軟件ABAQUS自身不能直接加載移動熱源，一些文獻(xiàn)為解決熱源“連續(xù)"加載問題，將總磨削時間離散設(shè)置多個分析步實現(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，由二次開發(fā)施加磨削移動熱源，定義有限元仿真模擬的載荷邊界條件。按照FORTRAN語言的語法編寫程序代碼，需完成必要的定義:①磨削區(qū)的定義;②熱源運(yùn)動的定義;③磨削弧熱流密度和對流換熱的定義。 3．5基于二次開發(fā)實現(xiàn)組織轉(zhuǎn)變模擬組織體積分?jǐn)?shù)的計算，是計算模擬相變潛熱、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算組織場功能。通常由二次開發(fā)實現(xiàn)。本文通過ABAQUS用戶子程序接口USDFLD，運(yùn)用Fortran語言將相變動力學(xué)理論編入代碼，并在CAE計算中調(diào)用，在線獲取任一節(jié)點任意時刻組織轉(zhuǎn)變狀況。

10、4成形磨削淬硬過程仿真分析 本文基于ABAQUS二次開發(fā)實現(xiàn)磨削淬硬溫度場組織場仿真模擬。整個仿真計算過程分為兩個分析步:磨削分析步和冷卻分析步，磨削時間，即砂輪磨粒在工件表面作用的時間。 4．1不同深度溫度變化磨削淬硬過程中，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，任一時間點，z向的溫度梯度都很大。距磨削區(qū)表面0．262mm以上的工件，在整個磨削淬硬過程中，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，在整個磨削淬硬過程中，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)開始，不會激活奧氏體轉(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，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，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的奧氏體晶粒。奧氏體轉(zhuǎn)變是一種逆共析過程，屬于擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。磨削淬硬過程，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。溫度場仿真結(jié)果顯示，工件溫度從1000下降至100只需2s，冷速非?？欤梢哉J(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，幾乎所有奧氏體被轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，磨削淬硬過程達(dá)到目的。 4．3淬硬層深度計算鋼的表面至內(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)點下方，不同深度層馬氏體體積分?jǐn)?shù)由CAE計算后如下表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)行二次開發(fā)模擬仿真成形磨削淬硬過程的溫度場，組織場。從仿真結(jié)果，可見得出: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工件在整個淬硬過程中的組織轉(zhuǎn)變，計算出馬氏體轉(zhuǎn)變量;③計算淬硬層深度，評定磨削淬硬后工件的淬透性。組織體積分?jǐn)?shù)的計算，是計算模擬相變潛熱、相變膨脹、相變應(yīng)力的基礎(chǔ)。溫度場、組織

14、場、應(yīng)力場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．磨削淬硬溫度場數(shù)值模擬與試驗研究［J］．中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，43(3):960－965． ［3］袁威，劉菊東

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