基于Marc模擬分析40CrNiMoA鋼主軸消除應(yīng)力過程

翁吉銘

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

40CrNiMoA鋼是一種優(yōu)良的調(diào)質(zhì)鋼[1]，具有很好的淬透性，也有較好的綜合力學(xué)性能，通常用來制造離心壓縮機(jī)的主軸。主軸是離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的重要組成部分，在轉(zhuǎn)子的裝拆過程為了實(shí)現(xiàn)過盈配合需要采用溫差法，如果精加工后的主軸應(yīng)力過大或者分布不均勻容易出現(xiàn)主軸彎曲現(xiàn)象，因此研究主軸消除應(yīng)力的情況對實(shí)際生產(chǎn)具有很重要的意義[2]。

1 試驗(yàn)選材及射線法測定結(jié)果

選用40CrNiMoA鋼鍛件作為試驗(yàn)材料，成分如表1[3]。

綜合壓縮機(jī)現(xiàn)有主軸的結(jié)構(gòu)形式，考慮壓縮機(jī)主軸結(jié)構(gòu)的相似性，選用某臺產(chǎn)品的主軸為試驗(yàn)主軸，將該主軸按圖1中的粗加工尺寸進(jìn)行粗加工，粗加工后將該主軸進(jìn)行正火+調(diào)質(zhì)處理，熱處理后進(jìn)行半精加工，去除熱處理氧化皮。半精加工后用射線法測量試驗(yàn)點(diǎn)的殘余應(yīng)力值，共選取10個(gè)測量點(diǎn)，測量點(diǎn)的選取見圖1。

表1 40CrNiMoA鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 主軸粗加工圖尺寸及測量點(diǎn)位置

測量過程如圖2所示，采用射線測試儀對該主軸的測量點(diǎn)進(jìn)行殘余應(yīng)力值的測量，測量結(jié)果如表2所示。

圖2 射線法測量殘余應(yīng)力

表2 半精加工后射線測試殘余應(yīng)力值

通過表2可以看出，主軸經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，殘余應(yīng)力值高達(dá)700 MPa。40CrNiMoA主軸的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度要求大于785 MPa，可以看出調(diào)質(zhì)處理后主軸的殘余應(yīng)力很大。

40CrNiMoA材料主軸在調(diào)質(zhì)過程中的回火溫度為550～650 ℃，為了不影響主軸的力學(xué)性能，消除應(yīng)力溫度選擇為實(shí)際回火溫度-30 ℃。將殘余應(yīng)力測試后的主軸去應(yīng)力處理，保溫時(shí)間為10 h。將去應(yīng)力處理后的主軸再次用射線法測試殘余應(yīng)力，測試點(diǎn)與半精加工后的測試點(diǎn)相同(如圖1)，測試結(jié)果如表3所示。

表3 去應(yīng)力處理后射線測試殘余應(yīng)力值

主軸經(jīng)過調(diào)質(zhì)后殘余應(yīng)力值集中在700 MPa左右，經(jīng)過去應(yīng)力后的幾種殘余應(yīng)力值在-100 MPa左右，去應(yīng)力效果主要集中在消除70%～80%之間。

2 試驗(yàn)主軸Marc模擬分析應(yīng)力分布情況

目前國內(nèi)有很多軟件可以對熱處理過程進(jìn)行數(shù)值模擬[4]，本文選用Marc軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，首先對主軸進(jìn)行二維建模和網(wǎng)格劃分，因?yàn)樵囼?yàn)件主軸為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此采用二維建模的方式，為了便于計(jì)算準(zhǔn)確，網(wǎng)格劃分較細(xì)，單元數(shù)量36880個(gè)，試驗(yàn)件主軸采用一側(cè)吊裝位移約束，沿X軸對稱約束，所以表面對流換熱方式可以選取單側(cè)換熱[5]。

使用Marc軟件對主軸的調(diào)質(zhì)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，其應(yīng)力模擬數(shù)據(jù)及結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出主軸在調(diào)質(zhì)處理完成后，表面應(yīng)力較大，心部應(yīng)力較小。按照圖1測試點(diǎn)選取相同的位置，模擬計(jì)算應(yīng)力值的結(jié)果如表4所示。

圖3 試驗(yàn)件主軸調(diào)質(zhì)過程殘余應(yīng)力分布圖

表4 試驗(yàn)件主軸半精加工后殘余應(yīng)力模擬數(shù)值

將實(shí)測殘余應(yīng)力值與模擬值進(jìn)行對比，如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)測值與模擬值隨著測量點(diǎn)位置的不同，整體變化趨勢是一致的，并且模擬值與實(shí)測值之間的誤差較小，可以認(rèn)為Marc模擬40CrNiMoA鋼主軸調(diào)質(zhì)后的殘余應(yīng)力分布及數(shù)值可以代表真實(shí)情況下的應(yīng)力分布情況及殘余應(yīng)力值。

為了與實(shí)際主軸加工過程更加接近，使用Marc軟件模擬分析主軸進(jìn)行去應(yīng)力，其去應(yīng)力過程的應(yīng)力分布如圖5所示。對比圖3，可以發(fā)現(xiàn)模擬去應(yīng)力過程的應(yīng)力在變小，與調(diào)質(zhì)后的應(yīng)力分布發(fā)生了巨大的改變。

殘余應(yīng)力模擬數(shù)據(jù)如表5所示，對比表3，發(fā)現(xiàn)模擬出來的去應(yīng)力后的數(shù)值與實(shí)測值是一致的為壓應(yīng)力，心部為應(yīng)力，整個(gè)主軸的應(yīng)力的分布情況發(fā)生了很大的改變。表面變?yōu)閴簯?yīng)力對于后續(xù)主軸的精加工過程以及裝配過程都是有利的，可以抵消部分精加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，此種壓應(yīng)力的存在可以阻礙主軸的變形。

圖4 實(shí)測殘余應(yīng)力值與模擬值對比圖

表5 試驗(yàn)件主軸消應(yīng)力后殘余應(yīng)力模擬值

主軸表面與心部去應(yīng)力過程的軸向應(yīng)力變化情況如圖6所示?？v坐標(biāo)是應(yīng)力變化情況，橫坐標(biāo)為時(shí)間，可以看出主軸初始狀態(tài)表面為拉應(yīng)力，心部為壓應(yīng)力；隨著爐溫升高至去應(yīng)力溫度時(shí)，其屈服強(qiáng)度隨溫度升高而降低，在這段時(shí)間里，主軸殘余應(yīng)力快速調(diào)整降低；而隨著保溫時(shí)間的延長，主軸殘余應(yīng)力隨著應(yīng)力松弛與蠕變逐漸降低趨近于0，停止加熱后隨爐冷卻至300 ℃左右后空冷，由于表面和心部冷卻速度不一致，內(nèi)外熱脹冷縮不一致導(dǎo)致應(yīng)力反轉(zhuǎn)，表面由拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力，心部由壓應(yīng)力變成拉應(yīng)力。

通過對試驗(yàn)件主軸建模、網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬，得出試驗(yàn)件主軸經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后殘余應(yīng)力的峰值主要集中在500～750 MPa，試驗(yàn)件主軸去應(yīng)力后的殘余應(yīng)力峰值主要集中在-75～-120 MPa，去應(yīng)力效果主要集中在消除70%～80%，數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致。

圖5 試驗(yàn)件主軸去應(yīng)力過程殘余應(yīng)力分布圖

圖6 試驗(yàn)件主軸去應(yīng)力過程各點(diǎn)軸向殘余應(yīng)力變化情況

3 結(jié)論

1)實(shí)際檢測去應(yīng)力效果證明，壓縮機(jī)主軸去應(yīng)力工藝消除應(yīng)力效果集中在70%～80%之間，而且應(yīng)力分布均勻；

2)通過對壓縮機(jī)試驗(yàn)件主軸進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出模擬的結(jié)果同樣集中在70%～80%之間，與實(shí)測結(jié)果一致；

3)主軸去應(yīng)力過程，當(dāng)保溫達(dá)到一定時(shí)間后，延長保溫時(shí)間不能進(jìn)一步降低應(yīng)力值，所以去應(yīng)力過程應(yīng)選取適宜的保溫時(shí)間，不是保溫時(shí)間越長越好。

4)40CrNiMoA鋼壓縮機(jī)主軸，對其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出可以用Marc對主軸去應(yīng)力過程進(jìn)行模擬，并分析效果，此種方法可以推廣至其他關(guān)鍵部件的去應(yīng)力過程，節(jié)約試驗(yàn)檢測費(fèi)用及生產(chǎn)周期。