大型齒圈淬火變形的仿真與結構參數影響研究

李國鑌

摘要：大型齒圈熱處理變形影響零件表面質量以及后續(xù)加工工藝，而齒圈結構是對熱處理變形影響最大的因素之一。本文采用ANSYS軟件對17CrNiMo6齒圈進行了淬火仿真分析，得到了齒圈淬火過程的溫度場分布及齒圈熱處理變形結果。研究了輪緣厚度、腹板間距等齒圈結構參數對齒圈熱處理變形的影響規(guī)律，對齒圈設計有一定的指導意義。

關鍵詞：齒圈；淬火；有限元分析；仿真

引言

齒輪滲碳淬火的變形直接關系到齒輪強度、精度等質量指標。滲碳淬火變形使齒輪精度大大下降，在齒輪行業(yè)一般認為精度下降2～3級不足為怪。對不磨削齒輪，變形過大引起偏載；對磨削齒輪，由于變形引起偏磨會造成齒面燒傷、產生磨削臺階而發(fā)生早期點蝕和疲勞斷齒[1]。對于滲碳淬火的齒輪，特別是大型齒輪，其變形量很大，且難以控制。較大的變形不僅會使磨齒加工的磨量增加，成本提高，而且影響齒輪制造精度，降低承載能力，最終壽命也會大大下降。

對齒輪熱處理變形一直是科研工作者和工程技術人員關注的研究熱點。文獻[2]從工藝和工裝方面，對17CrNiMo6鋼大型重載內齒圈滲碳淬火畸變控制進行了研究。劉長江、孫福民[3]等人通過實驗方式研究了大型減速器齒輪的熱處理變形與齒輪爐裝方式、齒輪結構的關系。劉志新、劉憲冬[4]等人用COSMAP對齒輪滲碳淬火過程進行了模擬，分析了熱處理過程中應力應變規(guī)律，總結了控制變形的方式。

本文所要研究的是某大型重載內齒圈，其材料為17CrNiMo6、模數為15mm、齒數為213。由于其體積較大，且屬于薄壁結構，其淬火的熱變形不容易控制。為此，本文通過仿真的方法模擬17CrNiMo6齒圈淬火過程，預測熱處理變形情況，并研究齒圈主要結構參數對熱處理變形的影響規(guī)律。

1.淬火過程模型分析

齒圈淬火過程中溫度場的計算過程屬于非線性問題，非線性來源主要分為三個方面：

（1）淬火介質的換熱系數不是固定值，是隨溫度變化的一個非常態(tài)變化的量：

（2）淬火過程中存在相變，而相變過程中工件釋放的相變潛熱是一個與即時溫度相關的量：

（3）齒圈的熱物性參數，例如比熱容、熱傳導系數等是隨時間變化的量。

文中采用增量法與迭代法混合方法，將熱處理溫度場計算過程離散為較小的子步，每段時間內材料的熱特性以及換熱系數與該子步的初始溫度關聯(lián)。把子步計算得到的溫度場分布作為下一子步的初始溫度，如此迭代運算。

2.大型齒圈淬火有限元模型的建立

齒圈建模在Pro/E中進行，齒圈模數為15mm，齒數為213，厚度為480mm，傾斜角為8.179°，齒頂高系數為1.25，頂隙系數為0.25，三維模型如圖2所示。網格劃分是有限元分析的核心問題，不同的網格劃分方法計算出的仿真結果可能相差很大。本文中網格劃分使用Hypermesh軟件來實現，先對單齒進行網格劃分和調整，然后通過旋轉的方式將網格復制到整個模型。得出的齒圈有限元網格為全六面體網格，保證了仿真結果的準確性。劃分后的有限元模型共有416169個節(jié)點，296496個單元。如圖3所示。

將有限元模型導入Workbench中進行前處理，設置材料屬性以及邊界條件等。設置的密度、彈性模量、泊松比、線性膨脹系數等如表1所示。

在模擬熱處理淬火過程中，換熱系數將影響整體溫度場變化情況，是影響仿真結果正確性的關鍵參數。換熱系數有兩層含義，包括熱對流和輻射換熱，受到工件及介質材料、工件形狀、大小和表面狀態(tài)等因素影響。工程上常用換熱系數與工件表面溫度的關系曲線來評定淬火介質的冷卻能力，而通過經驗公式計算的換熱系數往往誤差較大，因此常采用實驗測得的特定工件材料與冷卻介質的換熱系數。本文中熱處理過程分為淬火加熱和淬火冷卻兩個過程，加熱過程可簡化為空氣介質中的工件換熱（對流換熱系數為40W/m2K），冷卻過程為17CrNiMo6材料與K128冷卻油的對流換熱，換熱系數為與溫度有關的非線性參數。實驗測得的17CrNiMo6材料與K128冷卻油綜合換熱系數如圖4所示。

3.淬火溫度場和熱變形仿真分析

3.1 溫度場和熱變形求解

完成有限元模型建立和溫度邊界條件設置后可對齒圈淬火模型進行求解。大型齒圈淬火工藝曲線如圖5，淬火爐中溫度變化分為兩級保溫（分別為600°C和850°C，各保溫2小時和4小時）和一段升溫過程（升溫速度100°C/h）。將保溫時間分為兩段，是為了使減少齒圈加熱階段內外溫差，使得溫度均勻上升，減少淬火熱應力。通過兩級保溫使得齒圈溫度達到淬火溫度點850°C，而后放入80°C淬火油中進行冷卻。淬火過程齒圈最高溫度與最低溫度變化曲線如圖6所示。

從圖中可以看出，在加熱階段，0.5h時齒圈外部溫度最高達到350°C左右而內部溫度平均為270°C左右（最大溫差為80°C）；3h時齒圈外部最高溫度達到580°左右而內部平均574°左右（溫差在10°C以內）；7.7h齒圈外部最高溫度達到834°C，而芯部溫度為826°C左右（最大溫差為12°C）。可以看出分兩階段進行加熱，能夠有效控制齒圈內外溫差，使得加熱階段的溫度場分布較為均勻。加熱階段溫度場分布如圖7所示。

在冷卻階段，剛開始時齒圈內外溫差極大，從溫度場分布圖來看，冷卻40s后齒圈表面溫度為80°C左右，而芯部溫度依然為840°左右（接近齒圈淬火溫度）。此時產生的內外溫差接近750°C，產生的熱應力較大，導致齒圈塑性變形；冷卻300s后芯部最高溫度為410°C左右，與剛開始冷卻相比齒圈內部溫度場較均勻；冷卻700s時齒圈芯部最高溫度122°C，已經接近冷卻油溫度（80°），之后冷卻速度較慢，溫度曲線趨于平緩。冷卻階段溫度場分布如圖8所示。

將溫度場作為溫度邊界條件導入瞬態(tài)結構分析中，設置重力、約束等邊界條件，求解齒圈最終變形如圖9所示。

從齒圈熱處理變形圖可見，齒圈整體有向外膨脹的趨勢，且上圈在熱應力的作用下發(fā)生翹曲趨勢。對齒面變形來說，越靠近齒頂處變形越大上圈齒頂處變形最大（1.1436mm）。

3.2 影響熱處理變形的齒圈結構參數分析

本文的大型齒圈為雙腹板結構。影響熱處理變形的齒圈結構參數主要有輪緣厚度（h）、腹板間距（l）等，如圖10所示。輪緣厚度影響齒圈截面面積，對齒圈剛度和淬透性都有影響，厚度太大則齒圈難以淬透，產生內應力導致變形加劇。輪緣厚度過小將導致齒圈零件剛度變小更易受力變形。腹板間距對齒圈溫度場分布及抗扭剛度有所影響。

對不同輪緣厚度、腹板間距的齒圈進行熱處理仿真分析可以得到受結構參數影響的熱處理變形規(guī)律。選取輪緣厚度分別為30mm、55mm、75mm、95mm的情況，分別對齒圈進行熱處理仿真，可得出最大變形量與輪緣厚度的關系曲線，如圖11所示。選取腹板間距分別為180mm、220mm、260mm的情況，分別對齒圈進行熱處理仿真，可以得出最大變形量與腹板間距的關系曲線，如圖12所示。

從圖10、圖11中可以看出，齒圈結構參數影響熱處理變形。輪緣厚度會影響齒圈整體的淬透性，進而導致淬火應力增大、變形加劇，當h大于75mm時齒圈熱處理變形將增大。腹板間距l(xiāng)則影響齒圈的抗扭剛度，l為220mm時齒圈零件抵抗熱應力效果最好，熱處理變形明顯減小。

4. 結論

本文對大型齒圈的淬火過程進行了有限元仿真，得到了以下結論：

（1）材料為17CrNiMo6的大型齒圈熱處理采用分階段加熱能減少齒圈內外溫差，使升溫過程中齒圈內部溫度場分布更加均勻，能有效地改善齒圈變形、減少表面開裂；

（2）大型齒圈的淬火變形具有不均勻性，齒圈整體向外膨脹但上圈向外位移較大，淬火后的齒圈零件上圈有向外翻轉的趨勢；

（3）大型齒圈輪緣厚度、腹板間距對熱處理變形有較大影響。輪緣厚度大于75mm時齒圈熱處理變形將增大；腹板間距為220mm時齒圈零件抵抗熱應力效果最好，熱處理變形明顯減小。

參考文獻

[1]陳國民. 對齒輪熱處理畸變控制技術的評述[J]. 金屬熱處理，2012，（02）：1-13.

[2]姚亞俊，羅長增，石巨巖，梁偉. 17CrNiMo6鋼大型重載內齒圈滲碳淬火畸變控制[J]. 金屬熱處理，2014，（01）：137-140.

[3]劉長江，孫福民，周玉梅，趙閣玲，張皓，王育才，趙麗，張國利.大型減速器齒輪熱處理變形[J]. 大型鑄鍛件，2002，（04）：39-40+42.

[4]劉志新，劉憲冬，曹風角，劉維亮，陳春煥，任瑞銘. 20CrMnMo齒輪滲碳淬火組織場及硬度場的數值模擬[J]. 熱加工工藝，2013，（06）：204-207.

[5]胡建軍，孫飛. 大型齒圈熱處理變形的影響因素及控制方法[J]. 化學工程與裝備，2014，（08）：143-146.

[6]宋科，楊邦成，尹春松. 基于ANSYS的直齒輪表面淬火的仿真與分析[J]. 熱加工工藝，2015，（24）：197-200+203.

[7]裴林清. 凸輪淬火過程數值模擬及工藝參數優(yōu)化的研究[D]. 重慶：重慶大學，2009.

（作者單位：海軍駐哈爾濱地區(qū)第三軍事代表室）