轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法技术

本发明专利技术涉及一种轴承滚道激光‑感应复合淬火工艺参数优化方法，优化方法包括以下步骤：获取轴承参数；构建感应预热热源模型和激光加热热源模型；基于所述感应预热热源模型进行轴承滚道的感应预热过程有限元分析，得到初优化的工艺参数和对应的感应预热功率；在当前工艺参数和所述感应预热功率下，根据所述感应预热热源模型和激光加热热源模型进行轴承滚道的激光‑感应复合淬火过程有限元分析，获得数值模拟结果，包括该工艺参数下轴承滚道不同位置的温度分布及硬化层深度的分布云图；直至所述数值模拟结果达到工艺要求，得到最终优化后的工艺参数。与现有技术相比，本发明专利技术具有有效满足滚动轴承滚道表面处理要求、优化效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】
轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法
本专利技术涉及一种轴承滚道表面处理工艺，尤其是涉及一种轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法。
技术介绍
滚动轴承在使用过程中，内、外圈滚道易发生磨损和疲劳失效，严重影响轴承的使用寿命。在工程应用中，通常需要对轴承滚道进行表面处理，以提高表面的机械性能。常用的表面处理技术包括渗氮淬火、感应淬火、激光淬火、激光熔覆等。其中激光淬火技术具有变形小、效率高、能够对形状复杂的表面进行处理等优点。与传统的热处理工艺相比，激光淬火后硬化层硬度较常规淬火能够提高15％以上。激光淬火技术又称激光相变硬化技术，其原理是以高能量密度的激光束照射工件表面，使其需要硬化部位瞬间吸收光能并立即转化为热能，从而使激光作用区域的温度急剧上升形成奥氏体，随后由于基体的热传导作用，激光作用区域快速冷却，发生自身淬火，获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层。此外，激光淬火后，表面硬化层的残余应力为压应力，能够松弛材料内部的应力集中，有效抑制裂纹的扩展，提高工件的耐疲劳性能。激光淬火工艺的工艺参数较为复杂，包括激光功率、激光光斑宽度和扫描速度等，工艺参数的选择对激光淬火硬化层的形貌将产生较大影响。由于轴承滚道的材料、几何形状和工作环境存在差异，对硬化层形貌、深度等要求各不相同，因此对于特定轴承，应根据工艺要求对工艺参数进行优化。目前，激光淬火工艺参数主要通过经验或试制来确定，这种工艺研发方法成本较高，造成材料和能源的大量浪费，在试制过程中通过实验的方法测定温度及硬化层深度较为复杂，效率很低，延长了研发周期。此外，激光淬火工艺还有硬化层较浅的局限性。由于激光对轴承滚道的热输入过高会导致表面材料的熔化，影响表面质量，因此激光淬火的硬化层深度通常不超过2mm，在很多情况下无法满足工艺要求。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效满足滚动轴承滚道表面处理要求、优化效率高的轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法，所述激光-感应复合淬火工艺中，采用感应预热方式对轴承滚道进行预热，并采用激光加热方式对轴承滚道进行相变硬化处理，所述工艺参数包括扫描速度、激光功率、激光光斑宽度、感应预热温度和感应预热宽度，所述优化方法包括以下步骤：1)获取轴承参数；2)在当前工艺参数下，构建感应预热热源模型和激光加热热源模型；3)基于所述感应预热热源模型进行轴承滚道的感应预热过程有限元分析，得到初优化的工艺参数和对应的感应预热功率；4)在当前工艺参数和所述感应预热功率下，根据所述感应预热热源模型和激光加热热源模型进行轴承滚道的激光-感应复合淬火过程有限元分析，获得数值模拟结果，包括该工艺参数下轴承滚道不同位置的温度分布及硬化层深度的分布云图；5)重复步骤2)-4)，直至所述数值模拟结果达到工艺要求，得到最终优化后的工艺参数。进一步地，所述激光加热热源模型中的面热流密度分布公式为：其中，α为工件材料的激光吸收率，Q为激光功率，p(x,y)为激光热源的热流密度的分布函数，a为激光光斑长度，b为激光光斑宽度。进一步地，所述感应预热热源模型中的体热流密度分布公式为：其中，P为感应预热功率，A为线圈长度，B为线圈宽度，δ为电流透入深度。进一步地，所述轴承参数包括轴承的材料参数和相变动力学参数，所述材料参数包括热物理性能参数、与冷却介质的换热系数、电阻率和导磁率。进一步地，所述有限元分析中，建立轴承滚道的几何模型，根据工艺要求对所述几何模型进行网格划分，且在划分网格时，硬化层区域内的网格密度大于硬化层区域外的网格密度。进一步地，所述硬化层深度基于激光-感应复合淬火后，轴承滚道表层不同层深处的马氏体体积分数确定。进一步地，所述激光-感应复合淬火过程包括加热过程和冷却过程，在加热过程中，轴承滚道表层的原始组织发生奥氏体转变，在冷却过程中，奥氏体转变为马氏体，基于组织转变过程计算获得所述轴承滚道表层不同层深处的马氏体体积分数。进一步地，所述加热过程中采用的奥氏体转变模型为Avrami方程。进一步地，所述冷却过程中采用的马氏体转变模型为K-M方程。进一步地，所述进行轴承滚道的激光-感应复合淬火过程有限元分析时，设置的边界条件包括激光加热的面热流边界条件、感应预热的体热流边界条件以及轴承滚道与冷却介质换热的面对流换热边界条件。本专利技术还提供一种轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化装置，包括处理器和存储处理器可执行指令的存储器，其中，所述处理器耦合于所述存储器，用于读取所述存储器存储的程序指令，并作为响应，执行如上所述方法中的步骤。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术采用激光-感应复合淬火工艺对轴承滚道进行表面处理，即先通过感应加热对其低温预热，再通过激光淬火引发表层材料相变，形成硬化层。该工艺既克服了激光淬火硬化层较浅的缺点，又保留了激光淬火的优势，有效满足滚动轴承滚道表面处理的要求。本专利技术构建基于温度-组织-应力三场耦合的激光-感应复合淬火数值模拟模型，运用数值模拟技术对激光-感应复合淬火过程中轴承滚道的温度场和组织场变化进行预测，直观地展现硬化层的深度，通过与少量实验验证相结合，高效经济地对工艺参数进行优化，提高优化效率，减少材料能源的浪费，降低研发成本。附图说明图1为本专利技术的流程示意图；图2为实施例中轴承滚道截面的网格划分示意图；图3为实施例中激光-感应复合淬火过程中T＝20s时刻的温度分布云图；图4为实施例中轴承滚道表面某点的温度随时间的变化曲线；图5为实施例中激光-感应复合淬火后的硬化层分布云图；图6为实施例中优化后激光-感应复合淬火过程中T＝20s时刻的温度分布云图；图7为实施例中优化后轴承滚道表面某点的温度随时间的变化曲线；图8为实施例中优化后激光-感应复合淬火后的硬化层分布云图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。本专利技术提供一种轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法，激光-感应复合淬火工艺中，采用感应预热方式对轴承滚道进行预热，以提高激光淬火后的硬化层深度，并采用激光加热方式对轴承滚道进行相变硬化处理，需要优化的工艺参数包括扫描速度、激光功率、激光光斑宽度、感应预热温度和感应预热宽度。如图1所示，该优化方法包括以下步骤：步骤一：获取轴承参数。轴承参数包括轴承的材料参数和相变动力学参数，材料参数包括热物理性能参数、与冷却介质的换热系数、电阻率和导磁率。其中，热物理性能参数以及与冷却介质的换热系数用于计算轴承滚道的传热；电阻率、导磁率用于计算轴承滚道在感应预热的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法，其特征在于，所述激光-感应复合淬火工艺中，采用感应预热方式对轴承滚道进行预热，并采用激光加热方式对轴承滚道进行相变硬化处理，所述工艺参数包括扫描速度、激光功率、激光光斑宽度、感应预热温度和感应预热宽度，/n所述优化方法包括以下步骤：/n1)获取轴承参数；/n2)在当前工艺参数下，构建感应预热热源模型和激光加热热源模型；/n3)基于所述感应预热热源模型进行轴承滚道的感应预热过程有限元分析，得到初优化的工艺参数和对应的感应预热功率；/n4)在当前工艺参数和所述感应预热功率下，根据所述感应预热热源模型和激光加热热源模型进行轴承滚道的激光-感应复合淬火过程有限元分析，获得数值模拟结果，包括该工艺参数下轴承滚道不同位置的温度分布及硬化层深度的分布云图；/n5)重复步骤2)-4)，直至所述数值模拟结果达到工艺要求，得到最终优化后的工艺参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法，其特征在于，所述激光-感应复合淬火工艺中，采用感应预热方式对轴承滚道进行预热，并采用激光加热方式对轴承滚道进行相变硬化处理，所述工艺参数包括扫描速度、激光功率、激光光斑宽度、感应预热温度和感应预热宽度，
所述优化方法包括以下步骤：
1)获取轴承参数；
2)在当前工艺参数下，构建感应预热热源模型和激光加热热源模型；
3)基于所述感应预热热源模型进行轴承滚道的感应预热过程有限元分析，得到初优化的工艺参数和对应的感应预热功率；
4)在当前工艺参数和所述感应预热功率下，根据所述感应预热热源模型和激光加热热源模型进行轴承滚道的激光-感应复合淬火过程有限元分析，获得数值模拟结果，包括该工艺参数下轴承滚道不同位置的温度分布及硬化层深度的分布云图；
5)重复步骤2)-4)，直至所述数值模拟结果达到工艺要求，得到最终优化后的工艺参数。


2.根据权利要求1所述的轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法，其特征在于，所述激光加热热源模型中的面热流密度分布公式为：



其中，α为工件材料的激光吸收率，Q为激光功率，p(x,y)为激光热源的热流密度的分布函数，a为激光光斑长度，b为激光光斑宽度。


3.根据权利要求1所述的轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法，其特征在于，所述感应预热热源模型中的体热流密度分布公式为：



其中，P为感应预热功率，A为线圈长度，B为线圈宽度，δ为电流透入深度。


4.根据权利要求1所述的轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子扬，仝大明，李传维，徐骏，顾剑锋，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31