煤礦機械零件淬火的瞬態(tài)溫度場模擬分析

（北京京北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 101400）

煤礦機械由于其相對惡劣的工作條件，故而對其結(jié)構(gòu)性能往往會提出較高的要求。例如隨著井下機械設(shè)備使用功率的不斷提高，機械系統(tǒng)的各個部件（傳動裝置、齒輪、殼體、機械化支架的頂梁和底座、牽引鏈、刮板運輸件的零件）的負(fù)荷增大，強度要求更高，壽命需求增加。結(jié)構(gòu)強度能夠真實地反映出部件的使用壽命，故而對一些關(guān)鍵的機械零件進行淬火處理，使其強度增加，是工業(yè)上一種通用的方法[1]。

在淬火冷卻階段，由于零件表層和心部的溫度分布不均勻、相變不均勻而產(chǎn)生的熱應(yīng)力和相變應(yīng)力將會很大程度地影響到零件的材料性能和結(jié)構(gòu)強度[2]。如果熱處理不當(dāng)，會造成零件的相變程度未達到預(yù)定要求，甚至可能產(chǎn)生過變形、表面開裂等處理缺陷。大量工程案例表明，冷卻階段是最容易產(chǎn)生淬火缺陷的環(huán)節(jié)，也是整個熱處理工藝中最難掌握控制的階段。淬火的目的是為了得到符合工藝要求的殘余壓應(yīng)力及金相組織的轉(zhuǎn)變，而其評估的標(biāo)準(zhǔn)就是零件體內(nèi)的溫度隨時間變化的規(guī)律。所以，淬火過程中的溫度場模擬便顯得尤為重要[3]。

本文使用大型有限元仿真軟件Abaqus進行零件的溫度場模擬，其強大的網(wǎng)格劃分以及非線性運算功能可以為用戶提供一個十分便捷的分析平臺。通過可視化的模塊界面，可以很容易地獲得零件淬火的過程動態(tài)圖、溫升溫降歷程以及殘余壓應(yīng)力場的分布情況，十分適合復(fù)雜形態(tài)的零件淬火過程的模擬運算。

1 瞬態(tài)溫度場的數(shù)學(xué)建模

零件的淬火過程模擬是一個瞬態(tài)溫度場仿真的過程，故根據(jù)熱力學(xué)原理，由能量守恒定律和Fourier傳熱定律，零件的瞬態(tài)溫度場應(yīng)滿足傳熱分析的過程控制方程，即

設(shè)定淬火過程的邊界條件為第三類邊界條件，即對流換熱邊界條件。將努曼方程給定熱流密度，則該邊界條件可用下式表示：

在式（1）（2）中，

kx、ky、kz為 X、Y、Z三個方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)；

ρ 為材料的密度，kg/m3；

Q為零件內(nèi)部熱源強度值；

CT為比熱容；

T為零件表面的溫度值；

nx、ny、nz為 X、Y、Z三個方向邊界外法線方向余弦；

hc為零件與外界介質(zhì)的對流換熱系數(shù)；

T∞為淬火的環(huán)境溫度。

2 瞬態(tài)溫度場仿真的參數(shù)設(shè)定

在傳統(tǒng)的瞬態(tài)溫度場模擬時，通常為了減小計算規(guī)模，往往假定零件材料的物理參數(shù)為恒定不變值。但是，得到的仿真結(jié)果往往與實際測試得到的結(jié)果存在著一定的誤差。本文為了嚴(yán)格控制計算精度，將物性參數(shù)設(shè)定為非線性量，即將熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容等值設(shè)為隨溫度值變化而變化的函數(shù)量。本次試驗所選用的試件為45號鋼，淬火液為水，試件的物性參數(shù)變化情況如表1、表2和表3所示。

表1 45鋼的比熱容隨溫升的變化情況

表2 45鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫升的變化情況

表3 45鋼的對流換熱系數(shù)隨溫升的變化情況

3 瞬態(tài)溫度場模擬運算

如圖1所示，本次試驗的試驗零件為一煤礦機械中常用的非標(biāo)件。其材料為45號鋼，整體加熱至850℃進行保溫，待其奧氏體化充分后，放入20℃的冷卻液（水）中進行淬火，模擬其淬火過程的溫度場分布。

圖1 非標(biāo)件結(jié)構(gòu)圖

3.1 仿真前處理

（1）實體建模。由圖1所給出的零件尺寸，在Abaqus軟件的Part界面內(nèi)完成零件的實體建模，如圖2所示。為了保證運算正確，單位統(tǒng)一為mm。

圖2 實體模型圖

（2）賦予材料屬性。根據(jù)實驗[1]表明，45號鋼的密度隨溫度的變化而改變不大，故將其設(shè)為常數(shù)。查機械材料手冊，得其密度為7 833 kg/m3。由于未涉及殘余壓應(yīng)力場的分析，故無需提供45號鋼的彈性模量和泊松比。其CT、k、hc的數(shù)據(jù)分別按照表1、表2和表3輸入，以保證仿真結(jié)果的可靠性和真實性。此處需要注意的是，本次仿真的單位是mm，故表1至表3的單位需要統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。

（3）設(shè)置分析步。在Step界面內(nèi)完成分析步的設(shè)定。分析步類型為Heat transfer，且為非線性瞬態(tài)分析，時間設(shè)定為51 s。在Incrementation內(nèi)的Type選擇固定模式，分析步的最多數(shù)量設(shè)為10 000，Incrementsize輸入1，即表示時間步長固定為1 s。在場變量結(jié)果輸出欄內(nèi)將Thermal打勾即為全選。

（4）設(shè)置淬火。在Interaction界面內(nèi)，選擇Create interaction，對流換熱系數(shù)按照表4所示作為Amplitude輸入，由于淬火液是水，故將淬火液溫度設(shè)定為20℃。其余設(shè)置見圖3所示。淬火區(qū)域設(shè)定為除了截面以外的所有面。

表4對流換熱系數(shù)輸入值

圖3 淬火設(shè)置參考

（5）劃分網(wǎng)格。此項工作在Abaqus軟件的Mesh界面內(nèi)完成。單元類型為DC3D20，對于局部部位的網(wǎng)格進行了細(xì)化。如圖4所示，由于該零件結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，故為了減少不必要的運算量，采用1/4結(jié)構(gòu)的有限元運算模型進行計算，如圖5所示。

圖4 零件的有限元模型

圖5 1/4零件的有限元運算模型

（6）預(yù)定義溫度場。選取與（4）相同的區(qū)域，在Predefined Field Manager里設(shè)定初始溫度為850℃。

3.2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)仿真計算，得到了零件的淬火過程在51 s內(nèi)各部位的溫度場實時分布。圖6至圖8分別顯示了零件在1、10 s和51 s的表面和心部的溫度場。從圖6可以看出，在淬火到1 s時，零件邊緣的溫度明顯降低，而心部的溫度依然很高，這是由于輪緣狀物體的邊緣淬透性很大，仿真結(jié)果與實際相符。

圖6 1 s時表面與心部的溫度場分布

圖7 10 s時表面與心部的溫度場分布

圖8 51 s時表面與心部的溫度場分布

隨著淬火過程的繼續(xù)，零件表面的溫度繼續(xù)明顯降低，但溫降速率逐漸被心部溫降的速率所超過。圖9是所關(guān)心的A至E點在淬火過程中的溫度值曲線。A點處于零件輪緣外交線上，所以在淬火一開始時，溫度下降極為明顯；C點和D點之間之所以差別比較明顯，是因為零件內(nèi)部熱源的補充，使得溫降速度不一致。

圖9 淬火過程中各點的溫度場曲線

4 結(jié)束語

首先，對于任意較復(fù)雜外形的零件，均可使用Abaqus計算其淬火過程溫度場的分布，運算效率較高，并可查看任意時刻的淬火溫度分布。

其次，由于Abaqus具有極強的非線性問題的處理能力，且在淬火過程中，材料的物理性參數(shù)均會發(fā)生非線性變化，故使用該軟件得到的計算結(jié)果能夠較好的符合實際。

最后，利用Abaqus計算得到的溫度場分布，可以為接下來進行的殘余壓應(yīng)力場分布、淬火中的熱應(yīng)力分布以及淬火的工藝改進等工作提供重要依據(jù)。

[1]馬 仙.淬火過程數(shù)值模擬研究進展[J].兵器材料科學(xué)與工程，1999（3）:59-63.

[2]付洪波，喬英杰，李春凱.18Cr2Ni4WA鋼的強烈淬火組織與性能[J].金屬熱處理，2013（1）:88-91.

[3]馮 瀟，張 磊，李兆光，等.2A12厚板鋁合金淬火過程有限元建模研究[J].新技術(shù)新工藝，2012（10）:57-60.