锥齿轮淬火变形控制的数值模拟研究
发布时间：2020-12-08 06:11
锥齿轮是机械行业中重要的零部件,广泛用于大型设备及精密仪器中,加工质量的好坏直接影响使用性能。因其结构复杂,精度要求较高,淬火过程中常出现严重变形（平面翘曲、内孔畸变、齿形变化）问题,因此对于控制锥齿轮变形的研究则具有十分重要意义。随着计算机技术的快速发展,研究人员广泛采用有限元模拟技术研究淬火变形问题。本文基于ABAQUS建立合理的物理模型,对9310钢锥齿轮淬火过程进行模拟,探究冷却过程的温度场、应力场变化规律。通过优化淬火工艺参数,模拟压力淬火,提出合理的控制锥齿轮淬火变形方案。基于传热学基本原理和热弹塑性理论内容,确定了淬火模拟过程所需的性能参数。利用ABAQUS模拟锥齿轮淬火过程,分析锥齿轮淬火过程中特征部位的冷速变化及淬火后整体应力分布情况。由温度场、应力场相互作用规律可知,内外温差过大、各部位冷速不均匀造成了局部应力集中,并且冷速不均导致组织转变的不同步,两方面原因使锥齿轮变形过大。改变淬火工艺参数（淬火介质,淬火温度和淬火介质温度）、模具压力加载方式及载荷大小,可以有效控制锥齿轮平面翘曲、内孔畸变和齿形变化。模拟结果表明,以20号机油为淬火介质,淬火温度为840℃,油温...
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
平面翘曲变形示意图
图 1.2 热处理后齿形变化示意图产生机制进行淬火热处理，目的是将过冷奥氏体转变为有高强度和硬度。锥齿轮渗碳淬火后，其表面的残余奥氏体，其结果是表面获得高强度、高的塑性和韧性，从而达到整体强韧结合良好，艺作为齿轮热处理过程的关键一步，其中包含相变的过程，所以引起变形的因素多而复杂，因[18-20]：变引起的变形的组织状态一般为珠光体型，即铁素体和渗碳。这些组织的密度或比容不同，将引起淬火前只按比例使工件胀缩，而不改变工件形状。通
对热处理变形问题提供了有力的数据支撑，也为齿轮零件变形开辟了新的途径，图1.3 是冷却过程不同温度下圆柱形试样的变形图片。图 1.3 不同温度下试样变形图片V．A．Murzin[30]对气体渗碳齿轮在淬火过程中的变形情况进行研究，总结了热处理工艺参数对齿轮变形的影响规律，得出齿轮在渗碳淬火过程中合适的降温速率，认为选取合理的淬火介质、保温时间都能大大减少齿轮淬火变形程度。于海涛等人[31]为解决装甲车上 18Cr2Ni4WA 钢螺旋伞齿轮经碳氮共渗油冷后的畸变问题，对比油冷和风冷后的组织及力学性能，发现经碳氮共渗风冷后效果更佳，能够减小变形程度。因此提出了碳氮共渗风冷淬火新工艺，有效减小 18Cr2Ni4WA 钢螺旋伞齿轮热处理畸变问题。姜世杭等人[32]研究了螺旋锥齿轮碳氮共渗淬火变形的影响因素，经原始工艺热处理以后，对齿轮进行接触区和平面度的检验，对齿形变化进行了检测。得出齿形变化是在拉应力作用下产生的，确定淬冷阶段是锥齿轮最易发生变形的阶段。通过对原热处理工艺进行改进，将透烧阶段的温度由 500℃提升至 840℃，淬火温度由 810℃降低到 780℃，油温由 80℃提高到 100℃。改进工艺后，锥齿轮淬火应力减小的同时，齿形变化和平面度误差都大大降低。谢飞等人[33]对汽车齿轮进行等温正火处理，研究等温正火对变形的影响。结果发现，齿轮毛坯经普通正火处理后内部产生非平衡组织，在影响机械加工性能的同时，也加剧了渗碳淬火后的变形情况，而毛坯经过等温正火处理后获得的组织均匀，硬度波动范围小于 25HB
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属材料热处理变形的影响因素与控制策略[J]. 高静,申志敏. 应用能源技术. 2017(06)
[2]齿轮钢淬透性对螺旋锥齿轮模压淬火过程中相变与变形的影响[J]. 杨林,崔磊,张映桃,王罡. 汽车工艺与材料. 2017(05)
[3]基于DEFORM有限元仿真的弧齿锥齿轮热处理过程残余应力与变形分析[J]. 王延忠,陈云龙,张祖智,陈燕燕,刘旸. 机械传动. 2016(01)
[4]45~#钢圆柱齿轮淬火过程温度场的模拟及工艺优化[J]. 杨雄,吴林峰,吴丙丰. 长江大学学报(自科版). 2015(28)
[5]大型螺旋锥齿轮热处理变形的数值模拟与测量[J]. 王火生,王乾廷,黎文峰. 福建工程学院学报. 2015(04)
[6]淬火过程数值模拟技术的研究进展[J]. 曹瑞,孙会. 材料导报. 2015(05)
[7]QPQ处理氮碳共渗温度对45钢组织与性能的影响[J]. 王啸,吴从跃,孙梦龙,谢春生. 金属热处理. 2014(08)
[8]热处理中影响齿轮变形的因素研究[J]. 杨文明. 装备制造技术. 2014(04)
[9]奥氏体晶粒度对汽车齿轮钢热处理畸变的影响[J]. 安金敏,覃明,丁毅. 热处理. 2013(03)
[10]20CrMnMo齿轮渗碳淬火组织场及硬度场的数值模拟[J]. 刘志新,刘宪冬,曹风角,刘维亮,陈春焕,任瑞铭. 热加工工艺. 2013(06)
博士论文
[1]淬火冷却过程三维有限元模拟及工艺参数优化的研究[D]. 牛山廷.山东大学 2007
硕士论文
[1]高速重载齿轮热处理工艺优化研究[D]. 朱小旭.大连理工大学 2015
[2]基于ANSYS的螺旋锥齿轮淬火过程热变形分析及工艺优化设计[D]. 李小明.长江大学 2015
[3]锥齿轮模压淬火变形分析及淬火工艺研究[D]. 陆海龙.宁夏大学 2014
[4]氮化铬渗氮复合工艺研究[D]. 徐克刚.苏州大学 2013
[5]超厚板箱体结构焊接温度场及应力场的三维数值模拟[D]. 王兴建.武汉理工大学 2013
[6]直齿锥齿轮旋分加工技术基础研究[D]. 孟文.天津大学 2013
[7]强约束条件下伞齿轮淬火工艺仿真及其变形控制[D]. 丁立勇.哈尔滨工业大学 2012
[8]履带板在连续热处理生产线中的变形控制研究[D]. 谷磊.机械科学研究总院 2012
[9]钢淬火换热系数计算及温度与微观组织模拟[D]. 郑泽花.大连理工大学 2010
[10]高铬铸铁/中碳钢复合材料界面研究与温度场数值模拟[D]. 刘清梅.郑州大学 2003
本文编号：2904599
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
平面翘曲变形示意图
图 1.2 热处理后齿形变化示意图产生机制进行淬火热处理，目的是将过冷奥氏体转变为有高强度和硬度。锥齿轮渗碳淬火后，其表面的残余奥氏体，其结果是表面获得高强度、高的塑性和韧性，从而达到整体强韧结合良好，艺作为齿轮热处理过程的关键一步，其中包含相变的过程，所以引起变形的因素多而复杂，因[18-20]：变引起的变形的组织状态一般为珠光体型，即铁素体和渗碳。这些组织的密度或比容不同，将引起淬火前只按比例使工件胀缩，而不改变工件形状。通
对热处理变形问题提供了有力的数据支撑，也为齿轮零件变形开辟了新的途径，图1.3 是冷却过程不同温度下圆柱形试样的变形图片。图 1.3 不同温度下试样变形图片V．A．Murzin[30]对气体渗碳齿轮在淬火过程中的变形情况进行研究，总结了热处理工艺参数对齿轮变形的影响规律，得出齿轮在渗碳淬火过程中合适的降温速率，认为选取合理的淬火介质、保温时间都能大大减少齿轮淬火变形程度。于海涛等人[31]为解决装甲车上 18Cr2Ni4WA 钢螺旋伞齿轮经碳氮共渗油冷后的畸变问题，对比油冷和风冷后的组织及力学性能，发现经碳氮共渗风冷后效果更佳，能够减小变形程度。因此提出了碳氮共渗风冷淬火新工艺，有效减小 18Cr2Ni4WA 钢螺旋伞齿轮热处理畸变问题。姜世杭等人[32]研究了螺旋锥齿轮碳氮共渗淬火变形的影响因素，经原始工艺热处理以后，对齿轮进行接触区和平面度的检验，对齿形变化进行了检测。得出齿形变化是在拉应力作用下产生的，确定淬冷阶段是锥齿轮最易发生变形的阶段。通过对原热处理工艺进行改进，将透烧阶段的温度由 500℃提升至 840℃，淬火温度由 810℃降低到 780℃，油温由 80℃提高到 100℃。改进工艺后，锥齿轮淬火应力减小的同时，齿形变化和平面度误差都大大降低。谢飞等人[33]对汽车齿轮进行等温正火处理，研究等温正火对变形的影响。结果发现，齿轮毛坯经普通正火处理后内部产生非平衡组织，在影响机械加工性能的同时，也加剧了渗碳淬火后的变形情况，而毛坯经过等温正火处理后获得的组织均匀，硬度波动范围小于 25HB
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属材料热处理变形的影响因素与控制策略[J]. 高静,申志敏. 应用能源技术. 2017(06)
[2]齿轮钢淬透性对螺旋锥齿轮模压淬火过程中相变与变形的影响[J]. 杨林,崔磊,张映桃,王罡. 汽车工艺与材料. 2017(05)
[3]基于DEFORM有限元仿真的弧齿锥齿轮热处理过程残余应力与变形分析[J]. 王延忠,陈云龙,张祖智,陈燕燕,刘旸. 机械传动. 2016(01)
[4]45~#钢圆柱齿轮淬火过程温度场的模拟及工艺优化[J]. 杨雄,吴林峰,吴丙丰. 长江大学学报(自科版). 2015(28)
[5]大型螺旋锥齿轮热处理变形的数值模拟与测量[J]. 王火生,王乾廷,黎文峰. 福建工程学院学报. 2015(04)
[6]淬火过程数值模拟技术的研究进展[J]. 曹瑞,孙会. 材料导报. 2015(05)
[7]QPQ处理氮碳共渗温度对45钢组织与性能的影响[J]. 王啸,吴从跃,孙梦龙,谢春生. 金属热处理. 2014(08)
[8]热处理中影响齿轮变形的因素研究[J]. 杨文明. 装备制造技术. 2014(04)
[9]奥氏体晶粒度对汽车齿轮钢热处理畸变的影响[J]. 安金敏,覃明,丁毅. 热处理. 2013(03)
[10]20CrMnMo齿轮渗碳淬火组织场及硬度场的数值模拟[J]. 刘志新,刘宪冬,曹风角,刘维亮,陈春焕,任瑞铭. 热加工工艺. 2013(06)
博士论文
[1]淬火冷却过程三维有限元模拟及工艺参数优化的研究[D]. 牛山廷.山东大学 2007
硕士论文
[1]高速重载齿轮热处理工艺优化研究[D]. 朱小旭.大连理工大学 2015
[2]基于ANSYS的螺旋锥齿轮淬火过程热变形分析及工艺优化设计[D]. 李小明.长江大学 2015
[3]锥齿轮模压淬火变形分析及淬火工艺研究[D]. 陆海龙.宁夏大学 2014
[4]氮化铬渗氮复合工艺研究[D]. 徐克刚.苏州大学 2013
[5]超厚板箱体结构焊接温度场及应力场的三维数值模拟[D]. 王兴建.武汉理工大学 2013
[6]直齿锥齿轮旋分加工技术基础研究[D]. 孟文.天津大学 2013
[7]强约束条件下伞齿轮淬火工艺仿真及其变形控制[D]. 丁立勇.哈尔滨工业大学 2012
[8]履带板在连续热处理生产线中的变形控制研究[D]. 谷磊.机械科学研究总院 2012
[9]钢淬火换热系数计算及温度与微观组织模拟[D]. 郑泽花.大连理工大学 2010
[10]高铬铸铁/中碳钢复合材料界面研究与温度场数值模拟[D]. 刘清梅.郑州大学 2003
本文编号：2904599
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