中低碳鋼大型齒輪軸熱處理數(shù)值模擬與淬硬層預(yù)報(bào).pdf

1、齒輪軸是機(jī)械中重要的零件之一，機(jī)器中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件主要集中在齒輪軸上。針對(duì)大齒輪軸的傳統(tǒng)的熱處理工藝，如表面滲碳淬火等，過(guò)程復(fù)雜，成本較高。本文利用鋼的淬透性和淬硬層，結(jié)合兩種常用的齒輪軸用鋼(40Cr鋼和AISI4350鋼)，基于有限元數(shù)值模擬軟件ABAQUS，對(duì)大齒輪軸的一次性淬火工藝進(jìn)行仿真模擬，分析其淬火過(guò)程中溫度場(chǎng)分布規(guī)律和齒輪軸的淬硬層特點(diǎn)，提出控制大齒輪軸淬硬層的合理熱處理方案。
　　本文首先從AISI4350鋼的

2、性能開(kāi)始，研究了淬硬轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)，得到了馬氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)方程和AISI4350鋼的過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)獲得了AISI4350鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。在所有曲線中，當(dāng)應(yīng)變速率不變時(shí)，峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)時(shí)的流變應(yīng)力基本差別不大。建立了AISI4350鋼的變形本構(gòu)關(guān)系，利用變形本構(gòu)方程計(jì)算了AISI4350鋼的σ0.2，和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比最大相對(duì)誤差小于7％，二者非常吻合。通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)對(duì)AISI4350鋼的熱變形真應(yīng)

3、力-真應(yīng)變曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)，避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式處理，得到和試驗(yàn)所測(cè)的吻合很高的曲線。
　　基于ABAQUS有限元軟件，建立了試樣淬火過(guò)程的有限元模型，分別模擬計(jì)算了40Cr鋼和AISI4350鋼的端淬過(guò)程的溫度場(chǎng)和組織場(chǎng)分布，計(jì)算了端淬后試樣的硬度分布。通過(guò)對(duì)40Cr鋼和AISI4350鋼分別進(jìn)行Jominy試驗(yàn)，測(cè)得兩種鋼的淬透性分布曲線，進(jìn)而得到40Cr鋼的淬硬層厚度大約12mm，AISI4350鋼的淬透性很高，水淬時(shí)基本上都淬

4、透。對(duì)比試驗(yàn)和計(jì)算所得的硬度分布曲線，二者吻合很好。并且，在淬硬層內(nèi)部，40Cr鋼和AISI4350鋼的計(jì)算硬度和試驗(yàn)硬度吻合較好，表明所建立的模型可以用于端淬試驗(yàn)的仿真。
　　最后，基于前面對(duì)鋼的淬火過(guò)程的模擬研究，將淬火模型應(yīng)用到大齒輪軸上，研究不同淬火介質(zhì)、不同熱處理方式下，大齒輪軸的熱處理過(guò)程的溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)和淬硬層分布特點(diǎn)。25℃水淬時(shí)，40Cr齒輪軸齒端的淬硬層大約為35mm，齒面的淬硬層厚度大約為10mm。AISI4

5、350鋼齒輪軸的齒輪軸齒端的淬硬層大于35mm，齒面的淬硬層厚度大約為20mm。溫度對(duì)水的換熱系數(shù)影響比較大。80℃水的淬火后齒輪軸齒端的淬硬層的厚度為5mm，遠(yuǎn)小于25℃水淬的淬硬層厚度35mm。不同的淬火介質(zhì)直接影響齒輪軸的淬硬層厚度。用25℃油淬火得到的淬硬層比較小于25℃PVA淬火得到的淬硬層。25℃PVA和25℃水的淬火冷卻特性比較接近，淬硬層的厚度以及硬度也相近。
　　此外，對(duì)一次淬火過(guò)程中，齒輪軸軸頸處的溫度場(chǎng)、組織