锥齿轮淬火变形控制的数值模拟研究

摘要

锥齿轮是机械行业中重要的零部件，广泛用于大型设备及精密仪器中，加工质量的好坏直接影响使用性能。因其结构复杂，精度要求较高，淬火过程中常出现严重变形（平面翘曲、内孔畸变、齿形变化）问题，因此对于控制锥齿轮变形的研究则具有十分重要意义。
　　随着计算机技术的快速发展，研究人员广泛采用有限元模拟技术研究淬火变形问题。本文基于ABAQUS建立合理的物理模型，对9310钢锥齿轮淬火过程进行模拟，探究冷却过程的温度场、应力场变化规律。通过优化淬火工艺参数，模拟压力淬火，提出合理的控制锥齿轮淬火变形方案。
　　基于传热学基本原理和热弹塑性理论内容，确定了淬火模拟过程所需的性能参数。利用ABAQUS模拟锥齿轮淬火过程，分析锥齿轮淬火过程中特征部位的冷速变化及淬火后整体应力分布情况。由温度场、应力场相互作用规律可知，内外温差过大、各部位冷速不均匀造成了局部应力集中，并且冷速不均导致组织转变的不同步，两方面原因使锥齿轮变形过大。
　　改变淬火工艺参数（淬火介质，淬火温度和淬火介质温度）、模具压力加载方式及载荷大小，可以有效控制锥齿轮平面翘曲、内孔畸变和齿形变化。模拟结果表明，以20号机油为淬火介质，淬火温度为840℃，油温为60℃，是控制9310钢锥齿轮淬火变形的最佳工艺。淬火过程使用压床进行内外圈同时加载，内圈压力控制为15MPa、外圈压力控制为50MPa，整体变形得到有效控制。平面翘曲量有效控制在0.12mm，内孔收缩量减小至1.65mm-2.0mm之间，内孔畸变程度降至最低。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．1．1锥齿轮热处理工艺

1．1．2锥齿轮热处理存在问题

1．1．3模压淬火控制变形

1．1．4控制锥齿轮变形问题的研究

1．2计算机在热处理数值模拟中的应用

1．2．1计算机在热处理数值模拟中应用的优点

1．2．2计算机在热处理数值模拟中应用的难点

1．3国内外对热处理数值模拟的研究

1．4本论文研究方法及主要内容

第2章淬火基本原理及数值模拟相关理论

2．1引言

2．2淬火过程的温度场

2．2．1热传导基本微分方程的建立

2．2．2温度场初始条件及边界条件

2．2．3相变潜热的处理

2．3淬火应力场理论及方法

2．3．1热应力及组织应力的产生及相互影响

2．3．2热弹塑性问题

2．4淬火组织转变计算

2．4．1淬火冷却曲线

2．4．2组织转变量计算

2．5本章小结

第3章有限元模型的建立与验证

3．1实验材料

3．2淬火有限元模型建立

3．2．1三维有限元模型建立

3．2．2网格划分

3．2．3边界条件的设定

3．3温度场模拟

3．3．1温度场模拟中的各项性能参数

3．3．2锥齿轮淬火过程整体温度分布

3．3．3内外温差分析

3．3．4特征部位冷速分析

3．5应力场模拟结果

3．5．1应力场模拟中的各项性能参数

3．5．2不同方向整体残余应力分析

3．5．3特征部位应力变化及残余应力分析

3．5．4模拟应力与实验所测残余应力对比

3．6组织转变分析

3．7本章小结

第4章优化锥齿轮淬火参数控制变形

4．1淬火介质对锥齿轮淬火变形影响

4．1．1淬火冷却过程分析

4．1．2淬火应力场分析

4．1．3平面翘曲变形分析

4．1．4齿形变化分析

4．1．5内孔变形结果分析

4．2淬火温度对锥齿轮淬火变形影响

4．2．1淬火温度对零件组织性能影响机理

4．2．2不同淬火温度下齿轮淬火冷却分析

4．2．3平面翘曲变形分析

4．2．4内孔畸变程度分析

4．2．5齿形变形程度分析

4．3淬火介质温度对锥齿轮淬火变形影响

4．3．1淬火油温的确定及对组织性能的影响

4．3．2不同油温下冷却过程分析

4．3．3不同淬火油温下平面翘曲变形分析

4．3．4不同淬火油温下内孔畸变程度分析

4．3．5不同淬火油温下齿形变化程度分析

4．4模具压力下的齿轮淬火

4．4．1单一加载方式下齿轮平面翘曲变形分析

4．4．2内外圈加载方式下平面翘曲变形分析

4．4．3内孔畸变程度分析

4．4．4齿形变形情况分析

4．5本章小结

结论

参考文献

攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢