一种台阶轴感应淬火马氏体分布的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于ANSYS有限元平台的台阶轴感应淬火马氏体分布的预测方法，该方法为：（a）确定感应淬火时的实际工作环境；（b）构建实际感应淬火环境的有限元实体模型；（c）定义二维耦合场实体单元PLANE13属性以及材料属性，划分有限元网格；（d）施加热源载荷和热对流约束以及边界条件至二维耦合场实体单元PLANE13的各节点上，并采用直接法对工件进行电磁热耦合分析，得到电磁热耦合计算结果；（e）沿工件轴向取不同高度的径向温度分布，得到工件轴向马氏体分布的曲线图。本发明专利技术可根据实际工件形状、尺寸和设备参数改变来修改模型、载荷及约束条件，极大地减少了工件的感应淬火试验工作量，对得到满足工艺需求的马氏体分布带来便利。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于ANSYS有限元平台的台阶轴感应淬火马氏体分布的预测方法，尤其涉及各工艺参数改变后台阶轴马氏体分布的判断方法。
技术介绍
传统的材料热处理工艺通过大量试验研究，从中筛选一种比较好的处理工艺，但费时和高成本。感应淬火热处理具有高质量，再现性及适应性强等特征，是热处理行业中应用最广和发展最快的表面处理工艺之一。对其进行有限元分析，确定合理的工艺参数，来满足要求的表面硬度及淬硬层深度、尺寸、组织等要求，有利于实际生产过程的进行。目前，台阶轴的感应淬火应用广泛，主要通过感应淬火实现工件表面的硬化处理，使淬火后工件表面呈2-3mm深度、一定宽度连续的完全马氏体层，否则，在使用过程中由于应力不均而出现大面积裂纹而失效。因此，预测台阶轴工件表面完全马氏体、半马氏体和无马氏体的分布，是台阶轴硬化处理的前进方向。本专利技术基于上述问题，解决了工件马氏体分布层的预测、各工艺参数对分布影响以及各异形件的马氏体分布形态，从而实现工艺需求，提高工件的工艺性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于ANSYS有限元平台的台阶轴感应淬火马氏体分布的预测方法，它可根据实际工件尺寸、形态和设备参数改变模型、载荷和约束条件，极大地减小了感应加热试验的工作量。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种台阶轴感应淬火马氏体分布的预测方法，该方法是基于ANSYS有限元分析软件平台的的步骤如下：（a）根据工件的技术要求，确定感应加热时的实际工作环境；（b）根据实际工作环境在ANSYS有限元平台上构建实际感应加热环境的有限元实体模型；（c）首先定义二维耦合场实体单元PLANE13属性，再定义材料属性，然后根据不同参数下集肤深度的大小来划分有限元网格，在工件集肤深度内划分3~4层，同时在保证计算精度的情况下为了节约计算时间，工件内部网格划分较粗；（d）施加热源载荷和热对流约束以及边界条件至二维耦合场实体单元PLANE13的各节点上，并采用直接法对工件进行电磁热耦合分析，得到电磁热耦合计算结果；（e）定义二维4节点热实体单元PLANE55属性，将经过（d）得到的电磁热耦合计算结果施加到二维4节点热实体单元PLANE55的各节点上，对工件进行温度场分析，得到温度场求解结果；（f）根据得到的温度场求解结果，取不同高度下工件内部至表面的温度分布路径，测出每条路径上工件完全马氏体、半马氏体和无马氏体层的深度，从而得到台阶轴轴向马氏体深度和宽度的分布。进一步，所述的步骤（f）中，根据工件材料选择适当的完全奥氏体化温度和开始奥氏体化温度，结合感应加热升温快的特点在原温度上加上一定的偏移值，再通过温度分布曲线来判断马氏体层的情况。进一步，所述的步骤（b）中的实际工作环境包括工件材质、工件和感应器的尺寸、工件的散热条件、工件与感应器之间的距离、空气场。进一步，所述的步骤（c）中的材料属性包括感应器及工件的相对磁导率、工件的材料密度、工件的比热容和工件的电阻率。进一步，所述的步骤（d）中的热源载荷和热对流约束以及边界条件包括环境温度、感应加热电流密度、工件的热传导系数及边界换热系数。采用了上述技术方案后，由于本专利技术基于ANSYS有限元平台的台阶轴感应淬火马氏体分布的预测方法，通过模拟计算与对比不同感应加热工艺参数，可确定台阶轴感应淬火时工件马氏体分布的形态以及通过调节工艺参数来得到满足工艺需求的马氏体深度和宽度，提高台阶轴工件的力学性能，因此本专利技术的基于ANSYS有限元平台的台阶轴感应淬火马氏体分布的预测方法使用成本低。附图说明图1是建立的台阶轴零件感应加热几何模型；图2是工件的有限元分析网格模型；图3是时间t=3.8s时工件温度分布云图；图4是4个高度下工件径向温度分布曲线；图5是工件轴向马氏体层深分布曲线。具体实施方式为了使本专利技术的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明。如图1~4所示，利用ANSYS有限元分析软件对45#钢台阶轴进行感应淬火中的感应加热进行温度场分析，包括以下步骤：（a）根据工件的技术要求，确定感应淬火时的实际工作环境：其中，需要确定感应加热条件：感应加热频率f=195kHz、加热时间t=3.8s、电流密度Js=403×106A/m2；工件是直径Φ15.2mm，台阶宽度是1.6mm，长度为100mm，圆角为0.5mm的台阶轴；感应线圈内径为Φ18.2mm，高度为15mm；（b）对轴对称工件的1/2进行一维建模，感应器以集肤深度进行建模，同时考虑工件和感应圈之间的间隙，以及周围的空气场。工件表面划分较密，心部较粗，纵向划分精度为0.125mm；感应圈划分为20×32个单元格；空气场采用自由划分的方式。模型如图1所示，其中A1区代表工件，A2区为感应圈，A3为空气场；（c）定义二维耦合场实体单元PLANE13属性及材料属性，材料属性包括材料的密度，在不同温度下的磁导率μ、比热容c、电阻率ρ；（d）进入电磁热耦合求解过程：定义热源载荷和热对流约束以及边界条件，其包括环境温度、感应加热电流密度、工件的热传导系数及边界换热系数，施加热源载荷和热对流约束以及边界条件至二维耦合场实体单元PLANE13的各节点上，并采用直接法对工件进行电磁热耦合分析，得到电磁热耦合计算结果；（e）再将耦合计算单元PLANE13转化为温度计算单元PLANE55，读取电磁热耦合计算结果作为载荷施加到各节点上，进行温度场的求解；温度场为不同时刻和不同区域温度，时间t=3.8s的温度场云图如图3所示，（f）读取温度场求解结果，导出不同高度沿工件径向温度分布曲线，根据该温度分布曲线判断马氏体分布情况，时间t=3.8s时工件台阶两端的径向温度分布曲线如图4所示，具体判断过程如下：材料S45C钢的AC3、AC1、值分别为778℃、721℃，由于感应加热时间短，需要比普通淬火过热30~50℃以满足完全、开始奥氏体化，所以45#钢感应淬火取完全奥氏体化温度820℃，超出此温度淬火冷却为100%马氏体组织（M），对应完全淬硬层；开始奥氏体化温度760℃，低于此温度全部为材料处理前的组织，对应淬硬层；完全奥氏体化和开始奥氏体化中间温度为790℃，此处淬火产生50%M组织，对应有效淬硬层，因此可以通过温度分布曲线来判断淬硬层深度如图5所示，完全马氏体的最大深度为2.75mm，半马氏体最大深度为3.25mm，无马氏体最大深度为4mm，均位于y=-0.2mm处，且工件表面完全马氏体宽度为5.9mm，位于y=-5.4mm至y=0.5mm处。以上所述的具体实施例，对本专利技术解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本专利技术的具体实施例而已，并不用于限制本专利技术，凡在本专利技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种台阶轴感应淬火马氏体分布的预测方法，其特征在于，该方法是基于ANSYS有限元分析软件平台，其步骤包括如下：（a）根据工件的技术要求，确定感应加热时的实际工作环境；（b）根据实际工作环境在ANSYS有限元分析软件平台上构建实际感应加热环境的有限元实体模型；（c）首先定义二维耦合场实体单元PLANE13属性，再定义材料属性，然后根据集肤深度的大小来划分有限元网格；（d）施加热源载荷和热对流约束以及边界条件至二维耦合场实体单元PLANE13的各节点上，并采用直接法对工件进行电磁热耦合分析，得到电磁热耦合计算结果；（e）定义二维4节点热实体单元PLANE55属性，将经过（d）得到的电磁热耦合计算结果施加到二维4节点热实体单元PLANE55的各节点上，对工件进行温度场分析，得到温度场求解结果；（f）根据得到的温度场求解结果，取不同高度下工件内部至表面的温度分布路径，测出每条路径上工件完全马氏体、半马氏体和无马氏体层的深度，从而得到台阶轴轴向马氏体深度和宽度的分布。

【技术特征摘要】
1.一种台阶轴感应淬火马氏体分布的预测方法，其特征在于，该方法是基于ANSYS有限元分析软件平台，其步骤包括如下：
（a）根据工件的技术要求，确定感应加热时的实际工作环境；
（b）根据实际工作环境在ANSYS有限元分析软件平台上构建实际感应加热环境的有限元实体模型；
（c）首先定义二维耦合场实体单元PLANE13属性，再定义材料属性，然后根据集肤深度的大小来划分有限元网格；
（d）施加热源载荷和热对流约束以及边界条件至二维耦合场实体单元PLANE13的各节点上，并采用直接法对工件进行电磁热耦合分析，得到电磁热耦合计算结果；
（e）定义二维4节点热实体单元PLANE55属性，将经过（d）得到的电磁热耦合计算结果施加到二维4节点热实体单元PLANE55的各节点上，对工件进行温度场分析，得到温度场求解结果；
（f）根据得到的温度场求解结果，取不同高度下工件内部至表面的温度分布路径，测出每条路径上工件完全马氏体、半马氏体和无马氏体层的深度，从而得到台阶轴轴向马氏体深度和宽度的分布。
2.根据权利要求1所述的基于ANSYS有限元平台的台阶轴感应淬火马氏体分布的预测方法，其特征在于：所示的步骤（f）中，根据工件材料选择适当的完全奥氏体化温度和开始奥氏体化温度，结合感应加热升温快的特点在原温度上加上一定的偏移值，再通过温度分布曲线来...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵正阳，张根元，陈珺，陆佳燕，陆其清，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32