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        拋丸機定向套淬火過程的數值模擬


        拋丸機定向套長期處于苛刻的環境中運行。主 要受到鋼丸噴射沖擊、被加工試件碰撞和磨損等, 失效形式主要是磨損、變形和斷裂。是整個機構運行 中較薄弱的環節,嚴重降低了拋丸機的使用壽命和 工作效率【l】。其運行環境決定工件必須具有高的硬 度和足夠的淬硬深度。以保證良好的耐磨性和整體 剛度.因此對其熱處理特別是淬火工藝提出了極高 的要求。

        定向套淬火后獲得的組織和性能取決于其淬火 過程中各部分溫度梯度分布。所以進行溫度場有限 元分析.弄清各點的冷卻速度十分重要。由于目前 技術條件的限制。不能對實物的溫度場做在線測量. 主要依靠實驗測定和經驗判斷。故傳統的方法不能 完整、全面、準確地分析和預測淬火過程的溫度場。 隨著數值模擬的快速發展.熱處理過程的數學模型和計算方法不斷得到完善,熱處理過程的計算機模 擬日益受到人們的重視.用以指導實際生產已取得 良好的效益。本文應用大型通用有限元軟件對拋丸 機定向套的淬火過程溫度場進行了模擬.可以顯示 任意時刻任意截面上的溫度場。能觀察到溫度等值 面、等值線隨時間推移的情況,也可以顯示任意點上 溫度一時間曲線,大大減少實際生產中的試驗次數, 從而縮短周期。

        1、淬火冷卻過程數學模型
        .1數學模型 淬火過程溫度場分析屬于典型的非瞬態熱傳導 問題,其三維溫度場的控制方程為:

        式中:T為溫度場分布函數;A為熱導率;p和c分別為材料的密度和比熱容,qc為相變潛熱。對于淬火 過程來說。比容和熱傳導系數與材料淬火過程的溫 度有關。式(1)為泛定方程,為了獲得定解,需要給出 定解條件即微分方程的邊界條件及初值條件。
        1.2對流邊界條件
        零件進行淬火時。認為邊界條件為對流換熱邊 界條件:

        式中:h和丁分別表示表面換熱系數和換熱邊界,Z為零件表面溫度,瓦為淬火介質溫度。
        2有限元模擬

        圖1為拋丸機定向套三維結構示意圖.底部薄板 尺寸292millX360mm.半圓筒內半徑120 mm,高 84mm,定向套厚14mlTl,材料為高鉻鑄鐵2C15Cr, 密度7620 kg/m3。將其加熱到980保溫,充分奧氏 體化后空冷。模擬其淬火過程定向套各部位溫度場 分布。
        圖1拋丸機定向套三維結構示意圖
        2.1模型網格劃分
        模型采用8節點solid70單元進行智能網格劃 分.精度*別為6,考慮到半圓筒部分的結構特點可 能影響淬火過程此部位溫度場的分布,對其進行重 新更高密度的網格劃分。
        2.2材料物理參數 材料的物理性能參數和力學性能參數是溫度場 數值模擬過程中較重要的物理量,其選取的正確與 否,對模擬結果的準確起決定性的作用。高鉻鑄鐵 2C15Cr的密度與溫度變化關系不是很大,按常數處 理.對較后結果影響不大。這里對比熱容、熱導率這 些與溫度變化影響較大的熱物性參數必須看成溫度 的函數.以確保計算結果的準確性。研究所采用的參 數部分引用了文獻【7.8】的數據,如表1所示。
        表1 高鑄鉻鐵2c15cr的材料性能參數
        2.3初始條件及邊界條件

        由于拋丸機定向套體積小、壁厚?。ㄆ骄诤?14mm)且充分保溫,可把初始溫度場設為均勻溫度 場,本文選取初始溫度為980。在有限元模型的 邊界條件中主要考慮了對流散熱。根據傳熱學理論 及相關文獻中經驗公式。試件與環境的對流換熱系 數?。玻啊矗?W/(m2 )唧。結合實測溫度,模擬計算 中對流換熱系數?。常担祝ǎ恚?),淬火終止溫度為 25。設置熱分析類型為瞬態熱分析,淬火時間設 置為3000S。

        3結果及討論

        在淬火過程中.定向套在不同時刻的溫度場云 圖如圖2所示??梢钥闯?,在淬火過程中隨著時間 的延長,定向套溫度迅速降低,而定向套各部分溫 度下降速率不同.平板處降溫速度大于半圓筒處。由 圖2)可知,淬火500s時在底部平板F點處溫度為 560.在半圓筒壁H點的溫度為726。不同部位 的溫度差異是產生淬火應力及結構開裂報廢的主要 原因。
        圖2 不同淬火時刻定向套溫度場云圖
        分別對圖1所示A、B、C、D、E結點進行研究。 考察其溫度隨時間變化情況,結果如圖3所示。B點 由于處于底部平板的外邊緣上其降溫過程中受定向 套其他部分的熱影響小。在淬火過程中溫度下降較 快。因而在剛一淬火時,溫度下降極為迅速。C點 位于平板與半圓筒壁交匯處,其散熱受周圍構件影 響較大,溫度下降比較緩慢。同樣的道理。A與D的 溫度時間關系也存在較大的差別。
        圖3 A ̄E五點處溫度隨時問變化關系曲線

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