Cr8钢工作辊淬火过程数值模拟与工艺优化

发布时间：2017-08-20 05:25

  本文关键词：Cr8钢工作辊淬火过程数值模拟与工艺优化

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【摘要】：工作辊作为轧机上使轧材发生塑性变形的消耗部件,在很大程度上影响着整个轧机生产线的生产效率和轧件的品质。工作辊的工作条件极为复杂,通常需要承受磨损、动静载荷和温度剧烈波动等,所以对其服役性能的要求极为严格。为了增强工作辊的服役性能,不仅需要严格控制工作辊的锻造质量,还要不断改进其热处理工艺。热处理工艺的优劣对于工作辊的最终服役性能影响巨大。首先,利用实验,分析了Cr8钢在加热阶段和淬火阶段的相变过程。通过研究不同加热速度下其奥氏体化组织转变,得出加热速度对于奥氏体化相变开始点与相变结束点的影响,绘制了Cr8钢的CHT曲线,并利用Sellar数学模型,建立了Cr8钢晶粒长大数学模型,为其加热工艺的制订提供了理论指导;通过测试在不同冷却速度下Cr8钢的组织转变,获得了Cr8钢的连续冷却相变点,并依此绘制了Cr8钢的CCT曲线。接着,以某厂的Cr8钢大型工作辊为原型,构建出其几何模型和数值模拟模型,通过实验方法测量其导热系数、热扩散系数等基础参数,完善数值模拟数学库;利用有限元软件平台DEFORM,对该Cr8钢工作辊的加热过程和淬火过程进行了数值模拟,分析了其温度场、组织场和应力场分布和演化规律。然后,针对原工艺出现的残余应力较大和淬硬层较浅等问题,通过田口方法对其淬火工艺进行了稳健性设计;通过选取影响因子和噪声因子,对淬火时间、淬火方式等关键淬火工艺参数进行了优化;通过对大量模拟数据进行信噪比分析和方差分析,并综合多方因素,制定出了一个相对较优的新淬火工艺方案。最后,对该优化后的新淬火工艺方案进行了数值模拟,并与原工艺进行了性能参数对比,结果表明新淬火工艺下Cr8钢轧辊的残余应力大为减小,而淬硬层深度却得到了增加,从而证明通过使用田口方法得到的新淬火工艺切实有效,为实际Cr8钢工作辊的淬火生产工艺制定与优化提供了重要参考依据。
【关键词】：Cr8钢 工作辊 相变 数值模拟 田口方法
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG333.17;TG156.3
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题的研究背景及意义10-11
• 1.2 工作辊材料的发展进程11
• 1.3 工作辊的热处理11-13
• 1.4 淬火热处理过程的数值模拟13-14
• 1.5 淬火热处理的工艺改进14-15
• 1.6 本文的研究内容15-16
• 第2章 Cr8钢相变特性研究及物性参数确定16-30
• 2.1 Cr8钢奥氏体化动力学研究16-21
• 2.1.1 测试原理16-17
• 2.1.2 测试方法及参数17-18
• 2.1.3 CHT曲线的绘制18-19
• 2.1.4 奥氏体化相变激活能的确定19-21
• 2.2 Cr8钢的连续冷却转变21-24
• 2.2.1 实验方法22
• 2.2.2 相变点的确定22
• 2.2.3 金相组织的分析22-24
• 2.2.4 CCT曲线的绘制24
• 2.3 导热系数的测定24-27
• 2.3.1 热扩散系数的测定25-26
• 2.3.2 比热容26
• 2.3.3 密度的测量26-27
• 2.3.4 导热系数27
• 2.4 Cr8钢热物性参数27-28
• 2.5 Cr8钢力学性能参数28-29
• 2.6 本章小结29-30
• 第3章 淬火热处理过程的有限元数学模型分析30-41
• 3.1 温度场模型的建立30-35
• 3.1.1 固体导热微分方程30-31
• 3.1.2 初始条件31
• 3.1.3 边界条件31-32
• 3.1.4 有限单元方程32-34
• 3.1.5 相变潜热34-35
• 3.2 组织场的计算35-37
• 3.2.1 扩散型相变分析35
• 3.2.2 非扩散型相变分析35-36
• 3.2.3 等温转变曲线36-37
• 3.3 应力场的计算37-40
• 3.3.1 关于应力场的几点假设37-38
• 3.3.2 热弹塑性应力与应变关系38-39
• 3.3.3 热弹塑性问题计算39-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第4章 工作辊淬火热处理过程数值模拟41-57
• 4.1 工作辊淬火过程的数学模型41-43
• 4.1.1 工作辊的几何模型41-42
• 4.1.2 有限元分析模型42
• 4.1.3 边界条件42-43
• 4.2 Cr8钢工作辊的加热工艺与淬火工艺43-47
• 4.3 加热过程的数值模拟47-51
• 4.4 淬火过程的数值模拟51-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第5章 基于田口方法的Cr8钢工作辊淬火工艺优化57-74
• 5.1 田口方法的理论概述57-60
• 5.1.1 田口方法的涵义57-58
• 5.1.2 正交实验设计58
• 5.1.3 损失函数与信噪比58-60
• 5.2 基于田口方法的数据准备60-64
• 5.2.1 因子和水平的选取60-61
• 5.2.2 工作辊的性能需求61
• 5.2.3 正交表的设计61-62
• 5.2.4 数值模拟的田口数据62-64
• 5.3 数值模拟结果分析64-69
• 5.3.1 试验结果信噪比分析64-66
• 5.3.2 试验结果方差分析66-69
• 5.4 优化结果的验证69-73
• 5.4.1 温度场分析69-70
• 5.4.2 组织场分析70-71
• 5.4.3 应力场分析71-73
• 5.5 本章小结73-74
• 结论74-75
• 参考文献75-79
• 致谢79

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本文编号：704851