基于Deform-HT软件的齿轮热处理工艺数值模拟

来源:营口理工学院作者:徐广晨

热处理工艺能改善工件的金相组织和性能,数值模拟能较好地指导热处理工艺。讨论了热处理计算过程中考虑了相变的热传导方程、相体积分数方程,采用有限元分析方法,利用Deform-HT软件对斜齿轮进行了热处理工艺的数值模拟。获得了斜齿轮热处理的温度场、组织相变场和应力场的分布规律,对优化热处理工艺有着指导性作用。

金属材料的热处理通常指材料由加热到相变发生,并且保温一段时间,然后冷却至再相变的过程。通过这个相变-再相变的过程使材料的内部金相组织发生了变化,性能也发生变化。随着机械工程现代化和热处理工艺管理现代化的发展,使得热处理工艺在机械制造中占有越来越重要的地位,同时也对热处理工艺提出了更高的要求。热处理工艺过程由于受到加热和冷却温度、加热和冷却方式、加热和冷却时间等工艺参数的影响,金属内部的组织也会发生不同的变化,是个很复杂的过程。同时因工艺参数的差异,也会造成热处理时工件出现硬度不均匀等现象。马跃林采用有限元ANSYS 对齿轮进行了热处理工艺仿真,分析了热处理后的残余应力变化。高鸿翔以17Cr2Ni2Mo 齿轮钢为原型,研究了热处理过程中齿轮钢显微组织与力学性能的变化规律。张娟通过分析齿轮在生产过程中存在的问题,改进热处理工艺,提高了齿轮的合格率。杨明通过金相观察和硬度测试研究了热处理工艺对齿轮钢组织与性能的影响。

Deform-HT 软件提供一种热处理数值模拟模块,可以仿真正火退火淬火回火渗碳等热处理工艺过程,预测晶粒组织成分、硬度、扭曲和主要元素含量,并且有专业的材料模型用于硬度、蠕变、相变和扩散分析。此外还可以分析材料金相、应力/应变场,以及各种金相的弹性、塑性和硬度属性等。陈学文利用Deform 软件以热处理时间、温度、马氏体体积分数等因素对支承辊的淬火过程进行数值模拟分析、工艺优化。

本文利用Deform-HT软件,选择具有代表性的斜齿轮进行热处理数值模拟,通过软件仿真为实际的齿轮热处理工艺提供一定的指导作用。

1、热处理数值模拟的研究内容

热处理过程如回火和淬火等都包含相变。比如,加热时内部金相组织由铁素体或珠光体转化成奥氏体; 冷却时由奥氏体转化成马氏体或珠光体。同时,工件内部的温度场和应力场也随温度的变化而变化。因此,将组织、温度和应力场三者相互作用称作“金属-热-力学耦合”,如图1 所示。

基于Deform-HT软件的齿轮热处理工艺数值模拟

图1 金属-热-力学耦合

通过数值模拟得出每一瞬时的金属-热-力学耦合的信息,观察三者在热处理过程中的变化,可以预测工艺参数是否满足组织和性能要求,进行安全评估等。因此使用计算机进行数值模拟可以使热处理工艺的设计建立在更可靠的科学基础之上。

3、结语

本文使用Deform-HT 软件,对斜齿轮热处理工艺进行了数值模拟,获得其热处理过程中的温度变化规律,并分析了组织和应力分布情况。仿真的结果表明,在热处理淬火过程中完成了奥氏体到马氏体-铁素体的共析转变,马氏体-铁素体的体积分数达到最大值,约为0. 46; 同时应力也达到最大值。Deform-HT 软件可以较方便地进行材料的热处理工艺模拟,模拟精度较高。通过数值模拟可以指导实际生产工艺分析及模具设计,提高热处理效率。