基于多场耦合仿真的弧齿锥齿轮渗碳淬火热处理优化

摘要

弧齿锥齿轮齿面几何形状与啮合理论非常复杂。在生产中，一方面对其齿面质量要求很高，另一方面需要在拥有优良耐磨性的同时具备较高抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能。现今汽车工业通常采用渗碳淬火表面强化技术提高零件机械性能，工件淬火后可以获得外硬内韧的组织分布。但是淬火过程冷却介质流动不均、组织转变、热应力作用将使零件不可避免地产生扭曲和变形，降低几何精度。
　　过去弧齿锥齿轮相关热处理研究集中于热应变及组织应变对工件几何精度的影响，忽略淬火过程冷却介质流动对热边界条件变化的影响。这种简化方式适于淬火槽内流场分布均匀、工件几何形状简单的情况，但对于预测结构复杂零件的冷却历史有一定局限性。相关研究结果显示，淬火冷却阶段换热系数的取值对仿真计算结果影响很大。
　　为减小弧齿锥齿轮热处理畸变，了解热处理过程组织演变、应力应变分布规律，对考虑冷却介质流动影响的弧齿锥齿轮渗碳淬火热处理进行了如下研究：
　　（1）使用三维软件UG建立弧齿锥齿轮及现有淬火槽模型，使用流体动力学软件CFX对现有淬火槽内冷却介质流场分布进行了研究，得到槽内流场分布及相关因素影响规律。
　　（2）在上述研究基础上提出均化流场分布的方案，得到单向、均匀、可控的淬火槽流场分布；将考虑介质流动的换热系数作为淬火槽内冷却背景下多场耦合计算动态热边界条件，使考虑介质流动的多场耦合渗碳淬火仿真计算成为可能，并提高了仿真预测准确度。
　　（3）使用材料预报软件Jmatpro预测了20CrMoH低碳合金钢的材料性能，使用热处理仿真软件Deform-HT对考虑冷却介质流动的渗碳淬火热处理进行了仿真研究，分析了弧齿锥齿轮在渗碳淬火热处理中温度变化、组织演变规律，得到了碳元素分布、微观组织分布、硬度分布、残余应力及热畸变等信息，为热处理工艺参数的调整提供参考。仿真计算结果显示，淬火后齿顶产生鼓形凸起，可能使齿轮副出现顶缘接触。
　　（4）为了在保证齿面硬度的同时缩短鼓形长度，使用正交试验对考虑介质流动影响的渗碳淬火热处理工艺进行了优化，以介质温度、入口速度、保温温度及扩散碳势为试验因素，鼓形长度及齿面硬度为试验指标，对热处理工艺参数进行优化，得到了最优工艺参数组合，从流场分布和热处理工艺优化两个方面提高现有热处理水平。
　　本文从流场分布和热处理工艺参数两个方面对淬火槽冷却背景下的渗碳淬火热处理进行了优化设计，效果良好，能够为实际生产提供参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题来源及研究意义

1.2 齿轮热处理工艺研究现状

1.3流场优化及动态淬火热边界条件研究现状

1.4多场耦合热处理仿真研究现状

1.5研究目的、意义、方法及路线

第二章 CFD建模与淬火槽流场分布规律

2.1概述

2.2 CFD模型

2.3弧齿锥齿轮及淬火槽模型的建立

2.4流场分布数值模拟

2.5结果分析

2.6本章小结

第三章 均流改进设计及冷却特性研究

3.1概述

3.2均流改进设计

3.3冷却特性研究

3.4 本章小结

第四章 弧齿锥齿轮动态热边界渗碳淬火热处理仿真研究

4.1概述

4.2 热处理工艺设计

4.3 热处理数值模型

4.4 模拟结果分析

4.5实验验证

4.6本章小结

第五章 动态热边界渗碳淬火热处理工艺优化设计

5.1概述

5.2 正交试验设计

5.3 正交试验的结果分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的研究成果