周利成，劉孝麗，李天鵬，張 桐，鐘 浩

(榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

機(jī)械零件的設(shè)計(jì)是圍繞產(chǎn)品的使用要求、應(yīng)用環(huán)境以及使用壽命等需求來展開的，要想獲得產(chǎn)品相適應(yīng)的機(jī)械性能，需針對(duì)零件做不同的熱處理加工，尤其隨著新材料、新工藝、新技術(shù)及新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，對(duì)熱處理生產(chǎn)提出了更加苛刻的挑戰(zhàn)，熱處理生產(chǎn)是特殊過程，對(duì)工藝要求極為嚴(yán)格。新產(chǎn)品的熱處理設(shè)計(jì)工藝，傳統(tǒng)做法是對(duì)整個(gè)工序進(jìn)行工藝驗(yàn)證，滿足要求后方可組織生產(chǎn)，其弊端是實(shí)驗(yàn)成本高，周期長，難以滿足當(dāng)今的制造需求。鑒于此，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)應(yīng)用而生，并得到廣泛的發(fā)展。徐廣晨[1]利用 Deform-HT 數(shù)值模擬軟件，對(duì)斜齒輪熱處理工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得其熱處理過程中的溫度變化規(guī)律，并分析了組織和應(yīng)力分布情況；李東[2]對(duì)齒輪熱處理中的滲碳與淬火過程進(jìn)行了模擬分析，演示了滲碳淬火過程可能存在的缺陷以及產(chǎn)生原因，這對(duì)工藝控制的改良提供了巨大便利，驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)模擬仿真工藝過程的可行性。

本文以常見的齒輪為例，利用計(jì)算機(jī)仿真軟件Deform對(duì)零件生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行模擬仿真，在虛擬環(huán)境中對(duì)熱處理工藝的加熱、冷卻、內(nèi)應(yīng)力以及組織相變進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬分析，驗(yàn)證工藝的可行性。模擬仿真的目的是揭示工件內(nèi)部溫度場、組織場和應(yīng)力場等的變化，獲取各場量的瞬時(shí)信息，從而指導(dǎo)生產(chǎn)，縮短工藝驗(yàn)證周期，降低實(shí)際生產(chǎn)成本，更為有效的控制工藝過程，為制定最優(yōu)工藝方案提供理論依據(jù)。

1 對(duì)40Cr齒輪工藝設(shè)計(jì)

Deform是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，用于分析金屬成形及其相關(guān)工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。其中Deform-HT(熱處理)是附加在Deform-2D和Deform-3D之上的熱處理仿真工藝模塊，其功能可以模擬正火、Cr齒輪工退火、淬火、回火、滲碳等工藝過程[3-5]，對(duì)熱處理過程進(jìn)行分析，包括：硬度、金相組織、扭曲、殘余應(yīng)力及含碳量等。

1.1 齒輪的設(shè)計(jì)

表1 40 Cr材質(zhì)化學(xué)成分表(%)

仿真選用的齒輪為生產(chǎn)加工中常見的定軸齒輪，齒輪零件及基本參數(shù)見圖1和圖2。因其使用環(huán)境為中速、中等載荷且承受輕度沖擊，從選材經(jīng)濟(jì)性及加工性方面考慮，選用材料牌號(hào)為40 Cr的鋼材，其在機(jī)械制造業(yè)使用廣泛，調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性[6-9]，滿足使用要求，其化學(xué)成分與質(zhì)量百分比含量[10]見表1。

圖1 齒輪零件圖

圖2 齒輪的基本參數(shù)

1.2 齒輪熱處理工藝設(shè)計(jì)

齒輪的熱處理技術(shù)要求為調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)產(chǎn)品要求設(shè)計(jì)工藝為：

(1)淬火加熱溫度860℃；

(2)由熱處理加熱時(shí)間經(jīng)驗(yàn)公式t=AKD (其中A-加熱系數(shù)，D-工件有效厚度，K-裝爐條件修正系數(shù))，計(jì)算得出加熱保溫時(shí)間為1800s；

(3)淬火介質(zhì)選用專用淬火油；

(4)回火溫度選為550℃，回火保溫時(shí)間為3600s，熱處理工藝過程如圖3。

圖3 熱處理工藝簡圖

2 齒輪建模仿真分析

2.1 建立三維模型

利用三維建模軟件SolidWorks建立齒輪三維模型，設(shè)置基本參數(shù)，存儲(chǔ)為Deform可識(shí)別加載的STL格式?？紤]到對(duì)模擬過程的精細(xì)化表達(dá)，在對(duì)齒輪熱處理工藝仿真模擬時(shí)，選取微觀組織相變較為分明的淬火階段。

2.2 Deform仿真模擬

2.2.1 仿真模擬前處理

(1)在Deform界面選擇Heat Treatment過程，新建仿真工程，選定單位“SI”,勾選“Deformation、Diffusion、Phase transformation”。

(2)導(dǎo)入齒輪模型，生成網(wǎng)格，設(shè)置網(wǎng)格切片數(shù)據(jù)為8000，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格層數(shù)設(shè)為1，在厚度模式中將層厚設(shè)置為0.005。

(3)加載選用材料，調(diào)出系統(tǒng)自帶材料庫，選取跟40Cr相對(duì)應(yīng)的材料AISI-5140，考慮到材料庫中AISI-5140部分參數(shù)不完整，重新定義材料數(shù)據(jù)，在材料下拉菜單中對(duì)“phases、Plastic、Diffusion、Hardness”等參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充定義，輸出保存并加載。

(4)工件初始化，設(shè)置溫度20℃，碳元素0.40，相體積選取平均分布。設(shè)置加熱溫度、時(shí)間和冷卻介質(zhì)，定義相關(guān)參數(shù)。

(5)定義仿真節(jié)點(diǎn)邊界條件為自動(dòng)設(shè)置，仿真步數(shù)為5等其他參數(shù)，生成零件40CrDB仿真模型，如圖1所示。

2.2.2 仿真模擬運(yùn)算

在DEFORM-3D界面下，打開前處理過程生成的40CrDB仿真模型，點(diǎn)擊Simulation選項(xiàng)下的“start”執(zhí)行命令，開始對(duì)模型進(jìn)行仿真，打開”Simulation Graphics”仿真過程顯示界面，在界面右側(cè)可選擇溫度、應(yīng)力等參數(shù)，畫面顯示模擬過程中數(shù)據(jù)的變化，可對(duì)相應(yīng)的仿真過程實(shí)時(shí)觀測。

2.2.3仿真模擬后處理

圖4 齒輪模擬過程溫度顯示圖

打開模擬后處理界面DEFORM-3D Post，加載已模擬完成的DB模型，啟動(dòng)“State Variables”下拉菜單，在菜單中選擇溫度、應(yīng)力及顯微組織等相應(yīng)的選項(xiàng)，后處理界面可對(duì)相應(yīng)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，清晰的表達(dá)各個(gè)參數(shù)的轉(zhuǎn)變過程。為便于觀察齒輪內(nèi)部與外部模擬的不同變化，使用“Tools”菜單下的“Slicing”剖切工具將齒輪對(duì)稱剖切，同時(shí)用“Point Tracking”點(diǎn)追蹤命令，分別在齒輪內(nèi)圓點(diǎn)、剖切面中心點(diǎn)、齒輪頂端三個(gè)部位設(shè)置三個(gè)數(shù)據(jù)追蹤點(diǎn)，依次為P1、P2、P3，如圖4所示，利于分析不同狀態(tài)下、不同部位數(shù)據(jù)的變化。

3 齒輪的仿真數(shù)據(jù)分析

3.1 微觀組織轉(zhuǎn)變分析

金屬材料在一定的介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過溫度的變化影響著微觀金相組織的轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D5所示。

圖5 淬火階段溫度變化圖

材料在室溫下初始組織為珠光體(Pearlite)，隨著溫度的升高，達(dá)到奧氏體(Austenite)轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ac1。由圖可知，當(dāng)溫度上升到726℃時(shí)約為奧氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)，隨著溫度的不斷升高，金相組織逐漸由珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度達(dá)到840℃時(shí)，金相組織完全奧氏體化，此時(shí)珠光體完全消失，如圖6。

圖6 珠光體組織轉(zhuǎn)變圖

奧氏體組織屈服強(qiáng)度和硬度較低，不滿足齒輪的使用要求，經(jīng)過奧氏體均勻化，通過冷卻介質(zhì)使零件的溫度急劇降低，達(dá)到馬氏體溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ms點(diǎn)(355℃)以下，金相組織從奧氏體向馬氏體(Martensite)轉(zhuǎn)變，奧氏體量急劇減少，馬氏體量逐漸增多，如圖7所示；

經(jīng)過一定的冷卻時(shí)間，絕大部分奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，如圖8，轉(zhuǎn)變結(jié)束后，材料的金相組織為馬氏體及少量殘余奧氏體的混合物。馬氏體組織具有高的強(qiáng)度和硬度，滿足齒輪所需要的機(jī)械性能。

圖7 奧氏體組織轉(zhuǎn)變圖

圖8 馬氏體組織轉(zhuǎn)變圖

3.2 組織等效應(yīng)力分析

對(duì)剖切面上定義的追蹤點(diǎn)P1、P2、P3進(jìn)行等效應(yīng)力分析，在加熱保溫過程中，三點(diǎn)處的等效應(yīng)力同步變化，無明顯差異。淬火冷卻階段，不同部位的組織應(yīng)力出現(xiàn)明顯差異化，位于齒輪頂部的P3點(diǎn)等效應(yīng)力最大，位于齒輪心部的P2點(diǎn)應(yīng)力最小，如圖9。由圖可以看出，齒輪在淬火冷卻過程中，齒輪頂端位置為最大應(yīng)力集中點(diǎn)，開裂傾向最大，因此，在零件設(shè)計(jì)和熱處理過程中，采用相應(yīng)措施，防止零件開裂。

圖9 組織等效應(yīng)力轉(zhuǎn)變圖

3.3 硬度分析

零件內(nèi)部組織場的轉(zhuǎn)變影響著硬度的變化，其組織轉(zhuǎn)變硬度值變化曲線如圖10所示。由圖可知，珠光體和奧氏體在組織轉(zhuǎn)變過程中，硬度顯示為20HRC，未出現(xiàn)波動(dòng)變化，這是珠光體和奧氏體組織低硬度的特性造成的，而馬氏體組織有很高的硬度，因此在奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過程中，硬度急劇變化，硬度值可達(dá)到HRC55以上。仿真選取的齒輪尺寸較小，內(nèi)外部加熱速率接近，加熱區(qū)溫度階梯分布細(xì)微，因此，選取的三個(gè)部位模擬數(shù)據(jù)基本重合。

圖10 組織轉(zhuǎn)變硬度值的變化曲線

在實(shí)際熱處理生產(chǎn)過程中，按照上圖3所示的熱處理工藝進(jìn)行淬火處理，冷卻至室溫，經(jīng)檢測，顯微組織從珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和殘余奧氏體，淬火硬度均為HRC55以上。將仿真模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果相比較可以看出，仿真過程與實(shí)際生產(chǎn)基本相吻合。

4 結(jié)論

(1)本文采用Deform有限元仿真軟件，對(duì)定軸齒輪進(jìn)行了工藝數(shù)值仿真模擬，獲得其在熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律、等效應(yīng)力和淬火后硬度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(2)顯微金相組織隨著溫度的變化在珠光體、奧氏體和馬氏體三種狀態(tài)之間有規(guī)律的轉(zhuǎn)變；等效應(yīng)力則根據(jù)工件的形狀、溫度和相變組織的不同，呈現(xiàn)出差異化的應(yīng)力分布；溫度和金相組織影響著材料硬度值的變化，相比較珠光體和奧氏體組織，馬氏體組織硬度最高。

(3)通過這一仿真過程，驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真的可行性，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可對(duì)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)修正，簡化工藝驗(yàn)證過程，從而縮短生產(chǎn)周期，降低成本，同時(shí)更好的控制生產(chǎn)工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量。