摘要（yào）：利用有限元軟件模擬計算了（le）拋（pāo）丸機定向套淬火過（guò）程中的溫度場的變（biàn）化；計算（suàn）時考慮了非（fēi）線性的（de）材料比熱 容（róng）、熱導率的影響。結果顯示：在淬火過程中定向套各部位（wèi）溫度分布不同，平板邊緣降溫速率大於半圓筒（tǒng）壁處（chù），在（zài）定向套 不同部（bù）位存在溫（wēn）度差。研究（jiū）結果有助（zhù）於拋丸機定向套淬火＿下（xià）藝製訂及淬火應力的分析。
關鍵詞：有限元；淬（cuì）火；比熱容；導熱率 中圖分（fèn）類（lèi）號：ＴＧｌ５６．３；ＴＰ３９１ 文獻標識碼：Ａ
拋丸機（jī）定向套長期處於（yú）苛刻的環境中運行。主（zhǔ） 要受到（dào）鋼丸噴射衝擊、被加工試件碰撞和磨損等（děng）， 失效形式主（zhǔ）要是磨損、變形和斷裂。是整個機構運行 中（zhōng）較薄弱的環節，嚴重降（jiàng）低了拋丸機的使用壽命和 工作（zuò）效率【ｌ】。其運行環境決定工件必須具有高的硬 度和足夠（gòu）的淬硬深度。以保證良（liáng）好的耐磨性和整體 剛度．因此對其熱處理特別是淬火工藝提出了極高 的要求。
定向（xiàng）套淬火後（hòu）獲得的組織和性（xìng）能取決於其淬火 過程中各部分溫度（dù）梯度分布。所以進行溫度場有限 元分析（xī）．弄清各點的冷（lěng）卻速度十分重（chóng）要。由於目前 技術條件的限製。不能對實物的溫度場做在線測量． 主要依靠實驗測定和經驗判斷。故傳統的方（fāng）法不能 完整（zhěng）、全麵、準確地分析（xī）和（hé）預測淬火過程的溫度場。 隨著數值模擬的快速發展（zhǎn）．熱處理過程的（de）數學模型和計算方法不斷（duàn）得到完（wán）善，熱處理過程的計算機模 擬日益受到人們的（de）重視．用（yòng）以指導實際生產已取得 良好的效益。本文應用（yòng）大型通用有限（xiàn）元軟件（jiàn）對拋（pāo）丸 機定向套的（de）淬火過程溫度場進行了模擬．可以顯示 任意時刻任意截麵上的溫度場。能（néng）觀察到溫度等值 麵、等值線隨時間（jiān）推移的情況，也可以顯（xiǎn）示（shì）任意點上 溫度一時間曲線，大大減少（shǎo）實際生產中的試驗次數， 從（cóng）而縮短周期。
1、淬火（huǒ）冷卻過程數學模型
．１數學模（mó）型 淬火過程溫度（dù）場分析屬於典型的非瞬態熱傳導 問題，其三維溫度（dù）場的控製（zhì）方程為：
式中：T為溫度場分布函數（shù）；Ａ為熱導率；ｐ和ｃ分別為材料的密度和比熱（rè）容，ｑc為相變潛熱。對於淬火 過程來說。比容和熱傳導係數與材料淬火過程的（de）溫（wēn） 度有關（guān）。式（１）為泛定方（fāng）程，為了獲得定解，需要給出 定解條件即微分方程的邊界條件及初值條件。
１．２對流邊界條件
零件進行淬火時（shí）。認為邊界條件為對流換熱（rè）邊 界條件：
式中：ｈ和丁分別表（biǎo）示表（biǎo）麵換（huàn）熱係數和換熱邊界，Ｚ為零件表麵溫度，瓦為淬火介質溫度。
２有限元模擬
圖１為拋丸機定（dìng）向套三維結構（gòu）示意圖．底（dǐ）部薄板 尺寸２９２ｍｉｌｌＸ３６０ｍｍ．半圓（yuán）筒內半徑１２０ ｍｍ，高 ８４ｍｍ，定向套（tào）厚１４ｍｌＴｌ，材料（liào）為高鉻鑄鐵２Ｃ１５Ｃｒ， 密（mì）度７６２０ ｋｇ／ｍ３。將其加熱到９８０保溫（wēn），充分奧氏 體化後空冷。模（mó）擬其淬火過程定向套各部位溫度場 分布。
圖１拋丸機定向套三維（wéi）結構示意圖
２．１模型網格劃分
模（mó）型采用８節點ｓｏｌｉｄ７０單元進行智（zhì）能網格劃 分．精度*別為６，考慮到半（bàn）圓筒部分的（de）結構特點可（kě） 能影響淬火過程此部位溫度場的分布，對其進行重 新更高密度的網格劃分。
２．２材料物理（lǐ）參（cān）數 材料的（de）物理性能參數和力學性（xìng）能參（cān）數是溫（wēn）度場（chǎng） 數值模擬過程中較重要的（de）物理量（liàng），其（qí）選取的正確與 否，對模擬（nǐ）結果的準確起（qǐ）決定性的作用。高鉻鑄鐵 ２Ｃ１５Ｃｒ的密度與（yǔ）溫度變化關係不是很大，按常數（shù）處 理．對（duì）較後結果影響不大。這裏對比熱容、熱導率這（zhè） 些與溫度變化影響較大的熱物性參數（shù）必須看成溫度 的函數．以確保計算結果的準確性。研（yán）究所采用（yòng）的參 數部分引用了文獻【７．８】的數據，如表1所示。
表1 高鑄鉻鐵2c15cr的材料性能參數
２．３初始條件及邊界條件
由於拋丸機定向套體積小（xiǎo）、壁厚薄（平均壁厚 １４ｍｍ）且充（chōng）分保溫，可把初始溫（wēn）度場（chǎng）設為均（jun1）勻溫度 場，本文選取初（chū）始溫（wēn）度為９８０。在有限元模型的 邊界條件中主要考慮了對流散熱（rè）。根據傳熱學（xué）理論 及相關文獻中經驗公（gōng）式。試件與環境的對流換熱係 數取２０～４０ Ｗ／（ｍ２ ）唧。結合（hé）實（shí）測溫度，模擬計算 中對流換熱係（xì）數（shù）取３５Ｗ／（ｍ２ ），淬火終止溫（wēn）度為 ２５。設置熱分析類（lèi）型為（wéi）瞬態（tài）熱分析，淬火時間設 置（zhì）為３０００Ｓ。
３結果及討論（lùn）
在淬火過程中．定向套在不同時刻的溫度場雲 圖如圖２所示。可以看出，在淬火過程中隨著時間 的延長，定向套溫度迅速降低，而定向套各部分溫 度下降速率不同（tóng）．平板（bǎn）處降溫速度大於半（bàn）圓（yuán）筒處。由 圖２）可知，淬火５００ｓ時在底部平板Ｆ點處溫度為 ５６０．在半圓筒壁Ｈ點的溫度為（wéi）７２６。不同部位 的溫度差異是產（chǎn）生淬火（huǒ）應力及結構開（kāi）裂報（bào）廢的（de）主要 原因。
圖2 不同（tóng）淬火時刻定向套溫度場雲（yún）圖
分別（bié）對圖１所示Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ結點進行研（yán）究。 考（kǎo）察其溫度隨時間（jiān）變化情況，結果如圖３所示。Ｂ點 由於（yú）處於底部平板的外邊緣上其降溫過（guò）程中受定向 套其他部分的熱影響小。在淬火過程中溫度下降較 快。因而在剛一淬火時，溫度下降極為迅速。Ｃ點 位於平板與半圓筒壁交匯處，其（qí）散（sàn）熱受周圍構件影 響較大，溫度下（xià）降比較緩慢。同樣的道理。Ａ與Ｄ的 溫度時間關（guān）係也（yě）存在較大的差別。
圖3 Ａ￣Ｅ五點處溫度隨時問變化關係曲線
４結束語
應用大型有限元軟件模擬了定向套在空冷淬火過程中的溫度場分布。為其改進工 藝提供了可（kě）靠參考，模擬結果表（biǎo）明在淬火過程（chéng）中定 向套不同（tóng）部位存在著較（jiào）大的（de）溫度（dù）差。其中在（zài）半圓筒 壁中部區域溫度下降速度較小。該模（mó）型能對２Ｃ１５Ｃｒ 鑄（zhù）鐵定向套空冷淬火過程進行了較準確的模擬（nǐ）．對 其淬火工藝（yì）及後續消除殘餘應力工藝的製定都具有 參（cān）考價值和指導意義。
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2018-04-12
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