CN105930605A - 感应淬火处理轴零件的淬硬层深度测量方法 - Google Patents

感应淬火处理轴零件的淬硬层深度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种感应淬火处理轴零件的淬硬层深度测量方法，该方法基于ANSYS有限元平台，通过模拟计算轴零件感应淬火时工件淬硬层深，可以通过调节感应工艺参数计算不同工件的淬硬层深，因此本发明通过改变感应淬火工艺参数预测淬硬层深度简捷可靠。

Description

感应淬火处理轴零件的淬硬层深度测量方法
技术领域
本发明涉及一种感应淬火处理轴零件的淬硬层深度预测方法。
背景技术
传统材料热处理工艺通过大量试验研究筛选一种较好处理工艺，成本既高又费时。具有高质量、重复性及适应性强等特征的感应淬火热处理是热处理行业中应用最广和发展最快的表面处理工艺之一，通过有限元分析预测工件感应淬火的淬硬层深度，确定其最佳工艺参数并指导生产，避免测定工件的淬硬层深度时损坏试验工件。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种基于ANSYS有限元平台来模拟感应淬火加热和冷却两个阶段分别预测感应淬火淬硬层深度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种感应淬火处理轴零件的淬硬层深度测量方法，利用ANSYS有限元分析平台测量感应淬火工件的淬硬层深度，具体包括以下步骤：
步骤一，建立模型；根据感应淬火实际工作环境构建工件的感应淬火有限元实体模型；将有限元实体模块划分为若干个二维耦合场实体单元，确定二维耦合场实体单元的属性及工件的材料属性，即工艺参数；
步骤二，模拟加热过程；施加热源载荷、热对流约束条件及边界条件至二维耦合场实体单元的各节点上，模拟感应淬火加热过程温度场变化，并采用直接法对工件进行电磁热耦合分析计算，得到工件模拟加热温度随径向分布曲线图；计算工件在失磁后的升温速率，并根据工件连续加热奥氏体化相变温度-升温速率曲线图，计算工件奥氏体化的开始温度Ac1和结束温度Ac3；利用工件奥氏体化的开始温度Ac1和结束温度Ac3在工件模拟加热温度随径向分布曲线图上确定工件奥氏体在径向上的分布范围；
步骤三，模拟冷却过程；模拟加热处理完毕后，加载对流换热系数，模拟感应淬火冷却过程温度场变化；由工件径向上不同深度处的冷却曲线图得到工件在径向不同深度处的700℃冷却速度分布图；采用Maynier组织预测模型与HV硬度计算出工件径向不同深度处的硬度值，得到工件HV硬度径向分布曲线图；根据完全马氏体、半马氏体和无马氏体层的硬度结合工件HV硬度径向分布曲线图确定完全马氏体、半马氏体和无马氏体层的深度；
步骤四，将步骤二和步骤三相互校验。
其中，所述步骤一中，建模过程考虑工件和感应圈之间的间隙和空气场；其中，工件表面划分为密集区，中心部划分为粗糙区，纵向划分精度为0.125mm，感应圈划分为20个单元格；空气场采用自由划分方式。
进一步，工件的材料属性包括感应器及工件相对磁导率、工件的材料密度、工件比热容和工件电阻率。
进一步，边界条件包括环境温度、感应加热电流密度、工件热传导系数及边界换热系数。
进一步，利用工件奥氏体化的开始温度Ac1和结束温度Ac3在工件模拟加热温度随径向分布曲线图上确定工件奥氏体在径向上的分布范围，具体过程为：结束温度Ac3对应径向深度δ100％A为完全奥氏体组织；开始温度Ac1对应径向深度δ0％A为开始奥氏体组织；完全奥氏体组织和开始奥氏体组织的中间温度791℃处径向深度δ50％A为50％奥氏体组织。
进一步，HV硬度计算公式为：
HVM＝569.95+21lgV
HVB＝-41.8+82.95lgV
HVF+P＝175.63+7.6lgV
其中，HVM为马氏体M的维氏硬度；HVB为贝氏体B的维氏硬度；HVF+P为铁素体与珠光体混合F+P的维氏硬度；V为轴径向节点在700℃瞬间冷却速度。
本发明所达到的有益技术效果：本发明提供一种感应淬火处理轴零件的淬硬层深度测量方法，该方法基于ANSYS有限元平台，通过模拟计算轴零件感应淬火时工件淬硬层深，可以通过调节感应工艺参数计算不同工件的淬硬层深，因此本发明通过改变感应淬火工艺参数预测淬硬层深度简捷可靠。
附图说明
图1本发明之实施例工件感应淬火几何模型；
图2本发明之实施例工件有限元实体模型；
图3本发明之实施例工件模拟加热温度随径向分布曲线图；
图4本发明之实施例工件连续加热奥氏体化相变温度-升温速率曲线图；
图5本发明之实施例工件径向-温度分布及奥氏体含量分布图；
图6本发明之实施例工件径向不同深度的冷却曲线图；
图7本发明之实施例工件径向不同深度处的700℃冷却速度分布图；
图8本发明之实施例Maynier组织预测模型；
图9本发明之实施例工件径向硬度分布和实测硬度分布对比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种感应淬火处理轴零件的淬硬层深度测量方法，利用ANSYS有限元分析平台测量感应淬火工件的淬硬层深度，具体包括以下步骤：
步骤一，建立模型；根据感应淬火实际工作环境构建工件的感应淬火有限元实体模型；将有限元实体模块划分为若干个二维耦合场实体单元，确定二维耦合场实体单元的属性及工件的材料属性，即工艺参数；
建模过程考虑工件和感应圈之间的间隙和空气场；其中，工件表面划分为密集区，中心部划分为粗糙区，纵向划分精度为0.125mm，感应圈划分为20个单元格；空气场采用自由划分方式。工件的材料属性包括感应器及工件相对磁导率、工件的材料密度、工件比热容和工件电阻率。
步骤二，模拟加热过程；施加热源载荷、热对流约束条件及边界条件至二维耦合场实体单元的各节点上，边界条件包括环境温度、感应加热电流密度、工件热传导系数及边界换热系数；模拟感应淬火加热过程温度场变化，并采用直接法对工件进行电磁热耦合分析计算，得到工件模拟加热温度随径向分布曲线图；计算工件在失磁后的升温速率，并根据工件连续加热奥氏体化相变温度-升温速率曲线图，计算工件奥氏体化的开始温度Ac1和结束温度Ac3；利用工件奥氏体化的开始温度Ac1和结束温度Ac3在工件模拟加热温度随径向分布曲线图上确定工件奥氏体在径向上的分布范围，具体过程为：结束温度Ac3对应径向深度δ100％A为完全奥氏体组织；开始温度Ac1对应径向深度δ0％A为开始奥氏体组织；完全奥氏体组织和开始奥氏体组织的中间温度791℃处径向深度δ50％A为50％奥氏体组织。
步骤三，模拟冷却过程；模拟加热处理完毕后，加载对流换热系数，模拟感应淬火冷却过程温度场变化；由工件径向上不同深度处的冷却曲线图得到工件在径向不同深度处的700℃冷却速度分布图；采用Maynier组织预测模型与HV硬度公式计算出工件径向不同深度处的硬度值，得到工件HV硬度径向分布曲线图；根据完全马氏体、半马氏体和无马氏体层的硬度结合工件HV硬度径向分布曲线图确定完全马氏体、半马氏体和无马氏体层的深度；
HV硬度计算公式为：
HVM＝569.95+21lgV
HVB＝-41.8+82.95lgV
HVF+P＝175.63+7.6lgV
其中，HVM为马氏体M的维氏硬度；HVB为贝氏体B的维氏硬度；HVF+P为铁素体与珠光体混合F+P的维氏硬度；V为轴径向节点在700℃瞬间冷却速度。
步骤四，将步骤二和步骤三相互校验。
实施例
为了更好的说明本发明的具体过程，现利用ANSYS有限元分析平台对45#钢轴零件进行感应淬火进行数值模拟分析，包括以下步骤：
(1)依据45#钢轴零件的技术要求确定感应淬火时实际加热工艺条件：感应加热频率f＝195kHz、加热时间t＝3.8s、电流密度Js＝700×106A/m2；工件的直径Φ16mm，长5mm；感应圈内径为Φ20mm，高为5mm；
(2)对轴对称工件的1/2进行建模：感应器以集肤深度进行建模，同时考虑工件和感应圈之间的间隙及空气场；工件表面划分密集区，中心部划分为粗糙区，纵向划分精度为0.125mm；感应圈划分为20个单元格；空气场采用自由划分的方式，如图1所示，其中A1区代表轴零件，A2区为感应圈，A3为空气场；
(3)确定二维耦合场实体单元PLANE13属性及工件材料属性，材料属性包括材料的密度，在不同温度下的磁导率μ、比热容c、电阻率ρ；
(4)进入电磁热耦合求解过程：确定热源载荷、热对流约束及边界条件，边界条件包括环境温度、感应加热电流密度、工件热传导系数及边界换热系数；施加热源载荷、热对流约束及边界条件至二维耦合场实体单元PLANE13的各节点上，并采用直接法对边界条件进行电磁热耦合分析计算；将二维耦合场实体单元PLANE13转化为温度计算单元PLANE55施加到各节点上，计算得到不同时刻和不同区域的温度场；
(5)由工件模拟加热温度随径向分布曲线图如图3所示，计算工件在失磁后升温速率，根据工件材料连续加热奥氏体化相变温度-升温速率曲线如图4，得到工件的奥氏体化开始温度Ac1和结束温度Ac3，分别为761℃，821℃；
(6)根据温度场计算得到的模拟加热时间t＝3.8s时工件径向-温度分布及奥氏体含量分布图如图5所示，奥氏体含量分布具体判断过程如下：结束温度Ac3对应径向深度δ100％A为完全奥氏体组织；开始温度Ac1对应径向深度δ0％A为开始奥氏体组织；完全奥氏体组织和开始奥氏体组织的中间温度791℃处径向深度δ50％A为50％奥氏体组织；
(7)加热结束后对工件表面施加对流换热系数载荷，冷却20s，模拟冷却过程温度场变化；由工件径向上不同深度处冷却曲线，如图6所示，计算工件径向上不同深度处的700℃时冷却速度，得到工件径向不同深度处的700℃冷却速度分布图，如图7所示。
(8)采用Maynier组织预测模型，如图8所示，与HV硬度，即维氏硬度计算公式HVM＝569.95+21lgV，HVB＝-41.8+82.95lgV，HVF+P＝175.63+7.6lgV计算出工件径向上不同深度处的硬度值，得到工件径向硬度分布曲线图，与实际测量硬度曲线相比，采用本方法测得的硬度与实际测量得到的硬度值一致，如图9所示，根据完全马氏体、半马氏体和无马氏体层的硬度结合工件HV硬度径向分布曲线图确定完全马氏体、半马氏体和无马氏体层的深度。
(9)将步骤(6)感应加热过程中预测淬硬层深度和步骤(8)感应淬火冷却过程预测淬硬层深度进行相互校验。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.感应淬火处理轴零件的淬硬层深度测量方法，其特征在于：利用ANSYS有限元分析平台测量感应淬火工件的淬硬层深度，具体包括以下步骤：
步骤一，建立模型；根据感应淬火实际工作环境构建工件的感应淬火有限元实体模型；将有限元实体模块划分为若干个二维耦合场实体单元，确定二维耦合场实体单元的属性及工件的材料属性，即工艺参数；
步骤二，模拟加热过程；施加热源载荷、热对流约束条件及边界条件至二维耦合场实体单元的各节点上，模拟感应淬火加热过程温度场变化，并采用直接法对工件进行电磁热耦合分析计算，得到工件模拟加热温度随径向分布曲线图；计算工件在失磁后的升温速率，并根据工件连续加热奥氏体化相变温度-升温速率曲线图，计算工件奥氏体化的开始温度Ac1和结束温度Ac3；利用工件奥氏体化的开始温度Ac1和结束温度Ac3在工件模拟加热温度随径向分布曲线图上确定工件奥氏体在径向上的分布范围；
步骤三，模拟冷却过程；模拟加热处理完毕后，加载对流换热系数，模拟感应淬火冷却过程温度场变化；由工件径向上不同深度处的冷却曲线图得到工件在径向不同深度处的700℃冷却速度分布图；采用Maynier组织预测模型与HV硬度计算出工件径向不同深度处的硬度值，得到工件HV硬度径向分布曲线图；根据完全马氏体、半马氏体和无马氏体层的硬度结合工件HV硬度径向分布曲线图确定完全马氏体、半马氏体和无马氏体层的深度；
步骤四，将步骤二和步骤三相互校验。
2.根据权利要求1所述的感应淬火处理轴零件的淬硬层深度测量方法，其特征在于：所述步骤一中，建模过程考虑工件和感应圈之间的间隙和空气场；其中，工件表面划分为密集区，中心部划分为粗糙区，纵向划分精度为0.125mm，感应圈划分为20个单元格；空气场采用自由划分方式。
3.根据权利要求1所述的感应淬火处理轴零件的淬硬层深度测量方法，其特征在于：工件的材料属性包括感应器及工件相对磁导率、工件的材料密度、工件比热容和工件电阻率。
4.根据权利要求1所述的感应淬火处理轴零件的淬硬层深度测量方法，其特征在于：边界条件包括环境温度、感应加热电流密度、工件热传导系数及边界换热系数。
5.根据权利要求1所述的感应淬火处理轴零件的淬硬层深度测量方法，其特征在于：利用工件奥氏体化的开始温度Ac1和结束温度Ac3在工件模拟加热温度随径向分布曲线图上确定工件奥氏体在径向上的分布范围，具体过程为：结束温度Ac3对应径向深度δ100％A为完全奥氏体组织；开始温度Ac1对应径向深度δ0％A为开始奥氏体组织；完全奥氏体组织和开始奥氏体组织的中间温度791℃处径向深度δ50％A为50％奥氏体组织。
6.根据权利要求1所述的感应淬火处理轴零件的淬硬层深度测量方法，其特征在于：HV硬度计算公式为：
HVM＝569.95+21lgV
HVB＝-41.8+82.95lgV
HVF+P＝175.63+7.6lgV
其中，HVM为马氏体M的维氏硬度；HVB为贝氏体B的维氏硬度；HVF+P为铁素体与珠光体混合F+P的维氏硬度；V为轴径向节点在700℃瞬间冷却速度。
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