煤矿机械零件淬火的瞬态温度场模拟分析

2013-02-20 13:46:48

装备制造技术 2013年10期

（北京京北职业技术学院，北京 101400）

煤矿机械由于其相对恶劣的工作条件，故而对其结构性能往往会提出较高的要求。例如随着井下机械设备使用功率的不断提高，机械系统的各个部件（传动装置、齿轮、壳体、机械化支架的顶梁和底座、牵引链、刮板运输件的零件）的负荷增大，强度要求更高，寿命需求增加。结构强度能够真实地反映出部件的使用寿命，故而对一些关键的机械零件进行淬火处理，使其强度增加，是工业上一种通用的方法[1]。

在淬火冷却阶段，由于零件表层和心部的温度分布不均匀、相变不均匀而产生的热应力和相变应力将会很大程度地影响到零件的材料性能和结构强度[2]。如果热处理不当，会造成零件的相变程度未达到预定要求，甚至可能产生过变形、表面开裂等处理缺陷。大量工程案例表明，冷却阶段是最容易产生淬火缺陷的环节，也是整个热处理工艺中最难掌握控制的阶段。淬火的目的是为了得到符合工艺要求的残余压应力及金相组织的转变，而其评估的标准就是零件体内的温度随时间变化的规律。所以，淬火过程中的温度场模拟便显得尤为重要[3]。

本文使用大型有限元仿真软件Abaqus进行零件的温度场模拟，其强大的网格划分以及非线性运算功能可以为用户提供一个十分便捷的分析平台。通过可视化的模块界面，可以很容易地获得零件淬火的过程动态图、温升温降历程以及残余压应力场的分布情况，十分适合复杂形态的零件淬火过程的模拟运算。

1 瞬态温度场的数学建模

零件的淬火过程模拟是一个瞬态温度场仿真的过程，故根据热力学原理，由能量守恒定律和Fourier传热定律，零件的瞬态温度场应满足传热分析的过程控制方程，即

设定淬火过程的边界条件为第三类边界条件，即对流换热边界条件。将努曼方程给定热流密度，则该边界条件可用下式表示：

在式（1）（2）中，

kx、ky、kz为 X、Y、Z三个方向的热传导系数；

ρ 为材料的密度，kg/m3；

Q为零件内部热源强度值；

CT为比热容；

T为零件表面的温度值；

nx、ny、nz为 X、Y、Z三个方向边界外法线方向余弦；

hc为零件与外界介质的对流换热系数；

T∞为淬火的环境温度。

2 瞬态温度场仿真的参数设定

在传统的瞬态温度场模拟时，通常为了减小计算规模，往往假定零件材料的物理参数为恒定不变值。但是，得到的仿真结果往往与实际测试得到的结果存在着一定的误差。本文为了严格控制计算精度，将物性参数设定为非线性量，即将热传导系数、比热容等值设为随温度值变化而变化的函数量。本次试验所选用的试件为45号钢，淬火液为水，试件的物性参数变化情况如表1、表2和表3所示。

表1 45钢的比热容随温升的变化情况

表2 45钢的热传导系数随温升的变化情况

表3 45钢的对流换热系数随温升的变化情况

3 瞬态温度场模拟运算

如图1所示，本次试验的试验零件为一煤矿机械中常用的非标件。其材料为45号钢，整体加热至850℃进行保温，待其奥氏体化充分后，放入20℃的冷却液（水）中进行淬火，模拟其淬火过程的温度场分布。

图1 非标件结构图

3.1 仿真前处理

（1）实体建模。由图1所给出的零件尺寸，在Abaqus软件的Part界面内完成零件的实体建模，如图2所示。为了保证运算正确，单位统一为mm。

图2 实体模型图

（2）赋予材料属性。根据实验[1]表明，45号钢的密度随温度的变化而改变不大，故将其设为常数。查机械材料手册，得其密度为7 833 kg/m3。由于未涉及残余压应力场的分析，故无需提供45号钢的弹性模量和泊松比。其CT、k、hc的数据分别按照表1、表2和表3输入，以保证仿真结果的可靠性和真实性。此处需要注意的是，本次仿真的单位是mm，故表1至表3的单位需要统一转换。

（3）设置分析步。在Step界面内完成分析步的设定。分析步类型为Heat transfer，且为非线性瞬态分析，时间设定为51 s。在Incrementation内的Type选择固定模式，分析步的最多数量设为10 000，Incrementsize输入1，即表示时间步长固定为1 s。在场变量结果输出栏内将Thermal打勾即为全选。

（4）设置淬火。在Interaction界面内，选择Create interaction，对流换热系数按照表4所示作为Amplitude输入，由于淬火液是水，故将淬火液温度设定为20℃。其余设置见图3所示。淬火区域设定为除了截面以外的所有面。