关键词:
淬火
数值模拟
热流固耦合
螺旋锥齿轮
摘要:
螺旋锥齿轮因为承载能力高和传动平稳而广泛应用于机械设备,其中淬火是螺旋锥齿轮制造过程中必不可少的环节,螺旋锥齿轮淬火工艺的设计多采用“试错法”,其周期长、成本高,因此具有周期短、成本低优势的数值模拟技术成为当代淬火工艺设计的重要手段。淬火冷却过程数值模拟研究中,换热系数是重要输入参数,受限于其复杂影响因素,测定结果不具有普适性,将显著增加数值模拟过程的复杂度与误差。本文通过扩展淬火冷却过程数值模拟求解域,引入液体淬火介质和工件耦合换热,代替换热系数在淬火冷却过程数值模拟中的作用,提出了一种新的淬火冷却过程数值模拟方法。将该方法运用于螺旋锥齿轮淬火数值模拟,有效避免了实验获取换热系数的过程,更好的解决螺旋锥齿轮因为形状尺寸原因而导致不同部位换热系数存在差异的情况,论文方法为确定螺旋锥齿轮的淬火工艺参数提供指导。本文的主要研究结果如下:(1)淬火冷却过程热流固耦合数值模拟方法研究。淬火介质流体域和淬火工件固体域之间物理场特性的差异,导致了二者的离散原理和数值分析方法的不同,其中流体域是采用有限体积法,固体域是采用有限元法,针对淬火冷却过程中的流固耦合交互作用,采用壁面函数和高斯积分插值的方法,代替换热系数在模拟中的作用,利用有限元-有限体积耦合求解出淬火冷却过程流场-温度场-组织场-应力场的演变规律,为淬火冷却过程模拟提供新方案。(2)淬火冷却过程热流固耦合数值模拟与实验研究。为减少误差来源,控制流体状态和工件形状的影响,以45钢圆柱体为实验对象进行水淬实验,结果表明,热流固耦合模拟预测结果和实测结果整体吻合较好,其中显微组织成分一致,硬度对比最大相对误差为3.6%,冷却曲线的最大相对误差为9%,残余应力的相对误差为5.1%,验证了淬火冷却过程热流固耦合模拟的准确性。(3)淬火介质流动参数对淬火冷却过程的影响研究。设计淬火槽结构来改变淬火介质流动状态,并利用淬火冷却过程热流固耦合模拟研究淬火介质流动参数的改变对淬火效果的影响,结果表明,通过改变摆放方式可改善工件温度分布情况,2m/s入口流速时,最后冷却位置距离几何中心由2.79mm减小为0.6mm;通过选择合理水温可以减少开裂风险并保证工件硬度,在论文研究工况下,淬火水温的最优值是50℃,可以为淬火工艺参数制定提供参考。(4)螺旋锥齿轮淬火冷却过程热流固耦合数值模拟研究。对比不同模拟方法和实验的淬火冷却曲线,结果表明,热流固耦合模拟和传统模拟冷却曲线与实验测量值之间最大相对误差分别为9.2%和7.4%,且热流固耦合模拟更加准确的描述温度在螺旋锥齿轮上的分布情况,验证了热流固耦合模拟的准确性和便利性;通过选择合理的入口速度可以减小残余应力并保证工件硬度,在论文研究工况下,入口流速最优值是2m/s,为螺旋锥齿轮淬火冷却过程模拟提供新方向和新方法。