三维曲面局部连续移动感应淬火强化机理与规律研究

发布时间：2020-11-21 01:27

　　 曲面结构广泛的应用于汽车、航天、船舶等各个领域,如车身覆盖件的成形模具、大型齿轮和飞机的涡轮叶片等。这些零件庞大的体积和复杂的曲面结构不仅增加了加工成形难度,而且使得后期的表面强化非常困难。为了实现这些曲面工件易磨损区域的表面强化,本文采用了一种局部连续移动感应淬火强化方法。在强化过程中,电磁场、温度场、应力场以及金属相变之间存在着复杂的耦合关系,材料物性参数也随温度呈非线性变化。当该工艺应用到曲面工件时,工件的曲面结构、感应器与工件之间相对空间位置及运动的复杂性使得理论分析和验证更加困难。为了揭示三维曲面局部连续移动感应淬火强化机理,建立该强化过程的工艺设计理论和方法,本文以曲面工件为研究对象,对其强化过程开展理论分析,数值模拟和实验研究,具体的研究内容包括以下几个方面:首先从电磁场基本理论出发,结合导磁体的槽口效应,运用解析法得到了导磁体作用下的电磁场控制方程和相关边界条件。通过有限元法求解了电磁场控制方程的数值解析式。通过基本规律的探寻发现,最大涡流密度比磁感应强度能更快到达峰值以及平衡状态,且在凸面横向移动或凹面纵向移动的条件下,涡流密度分布能更快的进入平衡状态。其次,通过动坐标法并结合建立的电磁场数学模型,推导得到了曲面边界局部连续移动涡流生热及传热控制方程。通过有限元法求解了强化过程温度场的数值解析式。研究了不同移动路径下的温度场分布的规律以及工艺参数对温度场分布的影响规律,发现最高温度会出现一定的延迟现象,不同工艺参数下线圈有效投影区域内的平均延迟距离都在3mm左右,约为投影区域长度的1/3。不同移动路径和工件形状下温度均匀性范围为81%~84%,而不同工艺参数下为74%~82%。为使感应器的加热效率最佳,通过尺寸优化,得出导磁体宽度应为10mm,长度为20mm,高度大于饱和磁通密度高度。为了进一步揭示强化过程的相变机理,结合交变磁场对相平衡的贡献理论,推导了交变磁场作用下的曲面局部快速奥氏体化模型。通过该模型研究了交变磁场和加热速率等参数对奥氏体化过程的影响规律,发现当加热温度达到居里点后,相对较弱的交变磁场(约为0.3T)也能对奥氏体转变过程造成一定的影响。当加热速率最低时交变磁场对奥氏体转变量影响程度最大时,最大的转变量影响值约为3%。同时也发现凹面结构始终会减弱交变磁场的影响区域范围,且当感应器纵向移动时凹面结构的弱化作用最大。结合梅尼尔预测模型,实现了三维曲面局部连续移动感应淬火淬硬层分布的理论预测,发现当感应器为横向移动时,不同工件形状下表面过渡区的组织硬度分布梯度相比于纵向移动更加均匀一致;当感应器为纵向移动时,不同工件形状的深度过渡区的组织硬度分布梯度相比于横向移动更加均匀一致。基于响应面法设计实验方案,建立了强化后淬硬层分布的实验预测模型,实验验证与淬硬层理论预测结果规律一致。最后,通过淬硬层摩擦磨损性能的研究,发现强化后平面、凸面和凹面的最小磨损量减少率分别为69.2%、77.6%和42.1%,确立了强化工艺的有效性。本文研究揭示了三维曲面局部连续移动感应淬火强化过程的电磁场作用机理,建立了该过程的工艺设计理论和方法。研究结果对于提高曲面工件的局部表面强化技术具有重要的学术价值和实际意义。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG156.3
【部分图文】：

相变之间存在着复杂的耦合关系，材料物性参数也随温度呈非线性变化。当该工艺应用在曲面工件时，工件的曲面结构、感应器与工件之间相对空间位置及运动的复杂性使得理论分析和验证更加困难。学者们对于局部连续移动感应淬火工艺做了大量的探索，但应用对象仍为平面工件，而且针对局部连续移动感应加热的电磁场作用机理，如移动涡流分布、交变磁场对快速奥氏体化过程的影响等还未开展相关的研究，没有形成系统的三维曲面局部连续移动感应淬火工艺设计理论和方法，这使得局部连续移动感应淬火工艺还难以应用在曲面工件。

合模型中预测的挤出力和膨胀力大小很好符合了实验结果。夏永发等过引入复矢量磁位对电渣炉夹具感应加热过程进行了有限元数值模拟夹具的温度分布以及温度随时间的变化规律。张雪彪等学者[8]对钢板中的高频感应加热过程建立了数值模型并进行了相应的实验分析，通验证结果得出了板料电磁加热时的电磁场分布规律和和温度随时间的。张根元等学者[9]研究了不同工艺参数下轴类工件的感应加热工艺。的技术性能要求，通过数值仿真和实验验证制定了感应加热工艺参数法。Ivo Dole el 等学者[10]对薄金属板的固定感应加热问题进行了研究了电场矢量 T 和热流量的条件下对金属板上的涡流分布和热源情况进建模，通过模型计算可得到感应加热过程中的涡流分布。张化福等学新型电磁感应加热蒸汽发生器的电磁场分布进行了数值模拟，获得了构对电磁场分布的影响。研究结果表明装有碳钢芯换热元件的电磁场均匀。Patrick Guerrier 等学者[12]建立了轴对称非线性有限元模型来描具的感应加热过程，模型中考虑了饱和磁通并得到了磁力线的分布。

（a）纵向磁通 （b）横向磁通图 1-3 纵向磁通和横向磁通感应加热示意图还有部分学者对电磁感应工艺参数和系统进行了优化。M.H. Tavakoli 等学者[22-24]对 RF 型线圈的感应加热过程进行了数值研究。在一系列的研究工作中分别考虑了线圈和坩埚的截面尺寸、位置以及被加热工件的高度对磁场分布和涡流分布的影响。结果表明线圈和坩埚的截面尺寸和位置对涡流分布有着重要的影响，而当工件高度小于等于线圈高度时，工件表面会存在涡流聚集过热而导致温度分布存在较大的不均匀性。Y. Favennec 等学者[25]将优化控制程序嵌入到感应加热有限元模型中，通过移项把优化问题中的弱耦合关系转化为矩阵计算，建立了该过程工艺优化的数学模型。惠晶等学者[26]推导出了感应加热过程与工艺参数（电流与时间）的温度控制模型，并通过信号的实时运算调控工艺参数，达到对工件温度的间接控制。庄淑君等学者[27]通过人机界面（HMI）触摸屏填表式参数设定技术、组态软件实时曲线和历史数据再现技术，结合可编程序控制器（PLC）控制技术实现了感应加热工艺的在线控制优化，以达到大
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本文编号：2892305