拋丸機定向套淬火過程的數(shù)值模擬

摘要：利用有限元軟件模擬計算了拋丸機定向套淬火過程中的溫度場的變化；計算時考慮了非線性的材料比熱 容、熱導(dǎo)率的影響。結(jié)果顯示：在淬火過程中定向套各部位溫度分布不同，平板邊緣降溫速率大于半圓筒壁處，在定向套 不同部位存在溫度差。研究結(jié)果有助于拋丸機定向套淬火＿下藝制訂及淬火應(yīng)力的分析。
關(guān)鍵詞：有限元；淬火；比熱容；導(dǎo)熱率 中圖分類號：ＴＧｌ５６．３；ＴＰ３９１ 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ

拋丸機定向套長期處于苛刻的環(huán)境中運行。主 要受到鋼丸噴射沖擊、被加工試件碰撞和磨損等， 失效形式主要是磨損、變形和斷裂。是整個機構(gòu)運行 中較薄弱的環(huán)節(jié)，嚴(yán)重降低了拋丸機的使用壽命和 工作效率【ｌ】。其運行環(huán)境決定工件必須具有高的硬 度和足夠的淬硬深度。以保證良好的耐磨性和整體 剛度．因此對其熱處理特別是淬火工藝提出了極高 的要求。

定向套淬火后獲得的組織和性能取決于其淬火 過程中各部分溫度梯度分布。所以進(jìn)行溫度場有限 元分析．弄清各點的冷卻速度十分重要。由于目前 技術(shù)條件的限制。不能對實物的溫度場做在線測量． 主要依靠實驗測定和經(jīng)驗判斷。故傳統(tǒng)的方法不能 完整、全面、準(zhǔn)確地分析和預(yù)測淬火過程的溫度場。 隨著數(shù)值模擬的快速發(fā)展．熱處理過程的數(shù)學(xué)模型和計算方法不斷得到完善，熱處理過程的計算機模 擬日益受到人們的重視．用以指導(dǎo)實際生產(chǎn)已取得 良好的效益。本文應(yīng)用大型通用有限元軟件對拋丸 機定向套的淬火過程溫度場進(jìn)行了模擬．可以顯示 任意時刻任意截面上的溫度場。能觀察到溫度等值 面、等值線隨時間推移的情況，也可以顯示任意點上 溫度一時間曲線，大大減少實際生產(chǎn)中的試驗次數(shù)， 從而縮短周期。

1、淬火冷卻過程數(shù)學(xué)模型
．１數(shù)學(xué)模型 淬火過程溫度場分析屬于典型的非瞬態(tài)熱傳導(dǎo) 問題，其三維溫度場的控制方程為：

式中：T為溫度場分布函數(shù)；Ａ為熱導(dǎo)率；ｐ和ｃ分別為材料的密度和比熱容，ｑc為相變潛熱。對于淬火 過程來說。比容和熱傳導(dǎo)系數(shù)與材料淬火過程的溫 度有關(guān)。式（１）為泛定方程，為了獲得定解，需要給出 定解條件即微分方程的邊界條件及初值條件。
１．２對流邊界條件
零件進(jìn)行淬火時。認(rèn)為邊界條件為對流換熱邊 界條件：

式中：ｈ和丁分別表示表面換熱系數(shù)和換熱邊界，Ｚ為零件表面溫度，瓦為淬火介質(zhì)溫度。
２有限元模擬

圖１為拋丸機定向套三維結(jié)構(gòu)示意圖．底部薄板 尺寸２９２ｍｉｌｌＸ３６０ｍｍ．半圓筒內(nèi)半徑１２０ ｍｍ，高 ８４ｍｍ，定向套厚１４ｍｌＴｌ，材料為高鉻鑄鐵２Ｃ１５Ｃｒ， 密度７６２０ ｋｇ／ｍ３。將其加熱到９８０保溫，充分奧氏 體化后空冷。模擬其淬火過程定向套各部位溫度場 分布。
圖１拋丸機定向套三維結(jié)構(gòu)示意圖
２．１模型網(wǎng)格劃分
模型采用８節(jié)點ｓｏｌｉｄ７０單元進(jìn)行智能網(wǎng)格劃 分．精度*別為６，考慮到半圓筒部分的結(jié)構(gòu)特點可 能影響淬火過程此部位溫度場的分布，對其進(jìn)行重 新更高密度的網(wǎng)格劃分。
２．２材料物理參數(shù) 材料的物理性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)是溫度場 數(shù)值模擬過程中較重要的物理量，其選取的正確與 否，對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確起決定性的作用。高鉻鑄鐵 ２Ｃ１５Ｃｒ的密度與溫度變化關(guān)系不是很大，按常數(shù)處 理．對較后結(jié)果影響不大。這里對比熱容、熱導(dǎo)率這 些與溫度變化影響較大的熱物性參數(shù)必須看成溫度 的函數(shù)．以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究所采用的參 數(shù)部分引用了文獻(xiàn)【７．８】的數(shù)據(jù)，如表1所示。
表1 高鑄鉻鐵2c15cr的材料性能參數(shù)
２．３初始條件及邊界條件

由于拋丸機定向套體積小、壁厚薄（平均壁厚 １４ｍｍ）且充分保溫，可把初始溫度場設(shè)為均勻溫度 場，本文選取初始溫度為９８０。在有限元模型的 邊界條件中主要考慮了對流散熱。根據(jù)傳熱學(xué)理論 及相關(guān)文獻(xiàn)中經(jīng)驗公式。試件與環(huán)境的對流換熱系 數(shù)取２０～４０ Ｗ／（ｍ２ ）唧。結(jié)合實測溫度，模擬計算 中對流換熱系數(shù)取３５Ｗ／（ｍ２ ），淬火終止溫度為 ２５。設(shè)置熱分析類型為瞬態(tài)熱分析，淬火時間設(shè) 置為３０００Ｓ。

３結(jié)果及討論

在淬火過程中．定向套在不同時刻的溫度場云 圖如圖２所示。可以看出，在淬火過程中隨著時間 的延長，定向套溫度迅速降低，而定向套各部分溫 度下降速率不同．平板處降溫速度大于半圓筒處。由 圖２）可知，淬火５００ｓ時在底部平板Ｆ點處溫度為 ５６０．在半圓筒壁Ｈ點的溫度為７２６。不同部位 的溫度差異是產(chǎn)生淬火應(yīng)力及結(jié)構(gòu)開裂報廢的主要 原因。
圖2 不同淬火時刻定向套溫度場云圖
分別對圖１所示Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ結(jié)點進(jìn)行研究。 考察其溫度隨時間變化情況，結(jié)果如圖３所示。Ｂ點 由于處于底部平板的外邊緣上其降溫過程中受定向 套其他部分的熱影響小。在淬火過程中溫度下降較 快。因而在剛一淬火時，溫度下降極為迅速。Ｃ點 位于平板與半圓筒壁交匯處，其散熱受周圍構(gòu)件影 響較大，溫度下降比較緩慢。同樣的道理。Ａ與Ｄ的 溫度時間關(guān)系也存在較大的差別。
圖3 Ａ￣Ｅ五點處溫度隨時問變化關(guān)系曲線
４結(jié)束語
應(yīng)用大型有限元軟件模擬了定向套在空冷淬火過程中的溫度場分布。為其改進(jìn)工 藝提供了可靠參考，模擬結(jié)果表明在淬火過程中定 向套不同部位存在著較大的溫度差。其中在半圓筒 壁中部區(qū)域溫度下降速度較小。該模型能對２Ｃ１５Ｃｒ 鑄鐵定向套空冷淬火過程進(jìn)行了較準(zhǔn)確的模擬．對 其淬火工藝及后續(xù)消除殘余應(yīng)力工藝的制定都具有 參考價值和指導(dǎo)意義。

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