基于ANSYS的潜孔冲击器活塞淬火过程分析及工艺优化设计

发布时间：2020-03-24 06:34

【摘要】：随着社会发展和科技进步,潜孔冲击器被广泛用于石油、矿山、建筑等行业中。国家对基础建设的投资非常大,这带动了潜孔冲击器活塞的研究前景,活塞是易损件,且是研究意义非常大的一个零件。目前很多厂家都是凭借经验来设计和生产活塞,在实际工作中,经常发生断裂,但断裂的原因有60%~80%是由于淬火产生的残余应力造成的,这给工程应用造成巨大损失。因此,对潜孔冲击器活塞淬火的工艺参数有十分重要的现实意义。本文运用有限元软件ANSYS,对于潜孔冲击器活塞(材料为20Cr2Ni4A钢)淬火过程进行了有限元模拟,分析了潜孔冲击器活塞淬火过程中的温度场、应力场的分布特点及变化规律,对淬火过程中的工艺参数进行了一系列的优化,通过得到的结果分析如下:(1)淬火初始温度为800℃、840℃、880℃,淬火介质为油,介质温度为20℃,随着温度增加,残余应力也增加。由于奥氏体转变温度是850℃,如果选择800℃时,不能完全奥氏体化,而实际热处理时,一般会选择840℃来进行热处理。(2)当初始温度为840℃时残余应力是最小的,介质温度不变,为20℃时,改变介质。介质分别是水、12%FEROQUENCH水溶液、15%氯化钠溶液、20机油。最大残余应力是介质是水,最小的是油。通过分析,得出结论随时间变化,应力变化由小到大20机油中淬火产生的残余应力12%FEROQUENCH水溶液中淬火产生的残余应力15%氯化钠溶液中淬火产生的残余应力水中淬火产生的残余应力。因此介质选择油比较合适。(3)初始温度为840℃,介质为淬火油,改变淬火油温度来进行介质温度优化,淬火油温度分别为20℃、35℃、50℃、65℃。随着淬火油温度的增加,残余应力越来越小。对比淬火油温度为35℃和淬火油温度为65℃,两者残余应力相差10MPa左右,但是让油温在淬火油温度为60℃需要花费的成本远比淬火油温度为35℃高很多,操作过程中的安全隐患也会增加,所以选择淬火油温度为35℃。(4)在实际生产中,活塞从840℃冷却到500℃的过程中,冷却速度需要比较快且淬透性好,淬火油冷却,虽然得到的应力最小,但是长时间高温加热,会让材料中奥氏体含碳量变多,晶粒粗大,冷却后会让大量的残余奥氏体留在活塞中,使活塞硬度下降,内应力增加。下面采取水-油、盐水-油,初始温度为840℃,介质温度为35℃,冷却至500℃时用油冷却。随着时间变化,水-油淬火液、盐水-油淬火液、油淬火液中,油淬时残余应力最小,水-油淬火液时残余应力最大。产生残余应力从大到小规律是油中淬火产生的残余应力盐水-油中淬火产生的残余应力水-油中淬火产生的残余应力。马氏体转化之前,需要快速冷却,而油淬冷却产生的残余应力虽然最小,但是可能淬透性不够,如果需要良好的淬透性,就选择双液淬火,所以选择盐水-油。(5)盐水浓度对残余应力也有影响,对初始温度为840℃,介质温度为35℃,盐水浓度为10%、15%、20%,冷却至500℃时,用油冷却。随着时间变化,盐水的浓度越高,产生的残余应力越小。通过上面的比较,盐水浓度越高,最后的残余应力越小,相差并不是很大,但是盐水浓度越高,零件产生的腐蚀越大,且更容易被氧化,选择用10%盐水油也可以节约成本。(6)次级淬火时的温度对残余应力也会产生影响,在400℃到500℃会发马氏体转变,下面做了在400℃、450℃、500℃换成油淬火的应力分析。随着时间变化,产生的残余应力越小的是在次级淬火温度是450℃到500℃之间时。
【图文】：

活塞,淬火过程,组织改变

图 1-2 活塞断裂处Figure 1-2 Fracture of piston料》关于淬火的知识，淬火过程主要有升温冷却至常温，这个过程会伴随组织改变，各生一定的变形，也会产生比较大的残余应力中，算是比较大的零件，如果淬火过程中某能断裂或者达不到使用的要求，这会让公司展进步，热处理的技术在模拟和实验分析中工艺是热处理过程中一个非常重要的步骤，一瞬间转变完成的。当今科技发展，无法非数的变化，这使对淬火冷却研究非常具有局限1.6 本文研究方法软件 ANSYS，对潜孔冲击器活塞（材料为 2

流程图,流程图,建模,另存为

图 2-1 ANSYS 分析的流程图Figure2-1 ANSYS analysis process.的建立及导入模型主要有两种方式：（1）比较简单比较复杂且形状不规则的模型，比较件建模，然后导入到 Ansys 软件中。，选择的是第二种建模方式。图，如图 2-2，本文选用专业的建模软维图，，如图 2-3 所示。并将其另存为
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG156.3

【参考文献】