多道次点式连续移动感应淬火数值模拟

发布时间：2019-07-20 14:00

【摘要】：为了实现复杂形状工件的表面强化,以电磁场和温度场的控制方程为基础,在ANSYS中建立了多道次点式连续移动感应淬火的有限元模型。通过改变各个道次之间感应器移动轨迹的重叠宽度,对多道次连续移动感应淬火过程进行了数值模拟研究,得到了重叠宽度对多道次淬火区域温度场分布和组织转变规律,并通过金相实验验证了模拟结果的可靠性。结果表明当轨迹的重叠宽度大于一定值时,后一道感应加热过程会使得前一道已淬火区域部分发生奥氏体转变,且由于存在热积累效应,后一道轨迹相比前一道轨迹的完全奥氏体化深度和部分奥氏体化深度会有一定程度的增加。
【图文】：

图２多道次点式连续移动感应淬火模型示意图（Ｕｎｉｔ：ｍｍ）Ｆｉｇ．２ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｓｏｆｔｈｅＭＰ－ＳＣＩＨｍｏｄｅｌ

中国表面工程２０１５年图１ＡＩＳＩ１０４５钢物理参数随温度变化曲线Ｆｉｇ．１Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｒｍａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｏ－ｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐ－ｅｒｔｉｅｓｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｆＡＩＳＩ１０４５ｓｔｅｅｌ图２多道次点式连续移动感应淬火模型示意图（Ｕｎｉｔ：ｍｍ）Ｆｉｇ．２ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｓｏｆｔｈｅＭＰ－ＳＣＩＨｍｏｄｅｌＷ×Ｈ）为２０ｍｍ×２０ｍｍ×１５ｍｍ。在数值模拟过程中，网格划分质量会直接影响计算精度以及计算效率。综合考虑计算时间和计算精度，工件采用六面体网格划分，而空气、铜管及导磁体则采用四面体网格划分，如图３所示。由于工件中电流分布具有明显的集肤效应［１，８］，为了使得计算结果更精确，对表层２ｍｍ深度范围内进行网格细分（５等分），其余深度部分（１８ｍｍ）使用等比例划分。网格划分完成后，工件沿深度方向（Ｚ轴）上最小节点距离为０．２ｍｍ，宽度（Ｘ轴）和长度（Ｙ轴）方向最小节点距离分别为１．２ｍｍ和１．６５ｍｍ；整个模型中工件、线圈、导磁体和空气的单元数分别为４０５００、１７９６、７１１和３６６１６。图３模型网格图Ｆｉｇ．３．ＦＥＭｍｅｓｈｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ在ＡＮＳＹＳ（１３．０）中选用ｓｏｌｉｄ１１７单元进行电磁场分析，选用ｓｏｌｉｄ９０单元进行温度场分析。感应器的移动速度和移动路径的控制是通过时间ki长来实现的，即在ＡＮＳＹＳ软件中将感应器的连续运动过程分解为多个子ki。在每个子ki中，先进行电磁场求解，，将涡流生热作为温度场瞬态分

图４工件表面热处理区及选点示意图（Ｕｎｉｔ：ｍｍ）Ｆｉｇ．４Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｓｏｆｔｈｅｈｅａｔ－ｔｒｅａｔｅｄａｒｅａａｎｄｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｐｏｉｎｔｓ

ｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｐａｓｓｓｐｏｔｃｏｎ－ｔｉｎｕａｌｉｎｄｕｃｔｉｏｎｈａｒｄｅｎｉｎｇＧｒｏｕｐＩ／Ａｆ／ｋＨｚｖ／（ｍ·ｓ－１）Ｏｖｅｒｌａｐ／ｍｍＡ１８００３００．０２５．２Ｂ１８００３００．０２２．８Ｃ１８００３００．０２０．４为了研究多道次点式连续移动感应淬火过程中，不同的重叠轨迹对工件温度场的影响，选用了３组不同的重叠宽度进行分析。每一道轨迹的加热时间为５ｓ，在感应器移动２ｓ后在其后方工件被加热区域进行水淬。图４为多道次表面热处理区域示意图，线Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３分别为各个道次的中心线，深色区域为重叠区，其中一道轨迹与二道的重叠区命名为第一重叠区（ＯＺ１），二道轨迹与三道的重叠区命名为第二重叠区（ＯＺ２）。选取工件表面各个轨迹中心线上的点为研究对象，以感应器初始位置正中心对应工件表面为Ｐ０点，沿运动方向每隔２０ｍｍ选取一点，直至各道轨迹的终点。其中Ｐ６点为二道轨迹初始点，Ｐ１２为三道轨迹初始点。为了分析各个道次之间的相互影响，选取位于三道轨迹中段表面上的Ｐ３、Ｐ９和Ｐ１５点作为研究对象，图５为Ｐ３、Ｐ９、Ｐ１５点所在横截面的示意图，提取这３点在Ａ、Ｂ、Ｃ这３组参数条件下的时间温度曲线如图６所示。图４工件表面热处理区及选点示意图（Ｕｎｉｔ：ｍｍ）Ｆｉｇ．４Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｓｏｆｔｈｅｈｅａｔ－ｔｒｅａｔｅｄａｒｅａａｎｄｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｐｏｉｎｔｓ图５点Ｐ３、Ｐ９和Ｐ１５所在横截面位置示意图Ｆｉｇ
【作者单位】：武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室;武汉理工大学材料科学与工程学院;
【基金】：国家自然科学基金(51175392) 湖北省科技支撑计划项目(2014BAA012) 教育部博士点基金新教师项目(20130143120015)
【分类号】：TG156.3

【参考文献】