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抛丸机定向套淬火过程的数值模拟

抛丸机定向套长期处于苛刻的环境中运行。主 要受到钢丸喷射冲击、被加工试件碰撞和磨损等, 失效形式主要是磨损、变形和断裂。是整个机构运行 中较薄弱的环节,严重降低了抛丸机的使用寿命和 工作效率【l】。其运行环境决定工件必须具有高的硬 度和足够的淬硬深度。以保证良好的耐磨性和整体 刚度.因此对其热处理特别是淬火工艺提出了极高 的要求。

定向套淬火后获得的组织和性能取决于其淬火 过程中各部分温度梯度分布。所以进行温度场有限 元分析.弄清各点的冷却速度十分重要。由于目前 技术条件的限制。不能对实物的温度场做在线测量. 主要依靠实验测定和经验判断。故传统的方法不能 完整、全面、准确地分析和预测淬火过程的温度场。 随着数值模拟的快速发展.热处理过程的数学模型和计算方法不断得到完善,热处理过程的计算机模 拟日益受到人们的重视.用以指导实际生产已取得 良好的效益。本文应用大型通用有限元软件对抛丸 机定向套的淬火过程温度场进行了模拟.可以显示 任意时刻任意截面上的温度场。能观察到温度等值 面、等值线随时间推移的情况,也可以显示任意点上 温度一时间曲线,大大减少实际生产中的试验次数, 从而缩短周期。

1、淬火冷却过程数学模型
.1数学模型 淬火过程温度场分析属于典型的非瞬态热传导 问题,其三维温度场的控制方程为:

式中:T为温度场分布函数;A为热导率;p和c分别为材料的密度和比热容,qc为相变潜热。对于淬火 过程来说。比容和热传导系数与材料淬火过程的温 度有关。式(1)为泛定方程,为了获得定解,需要给出 定解条件即微分方程的边界条件及初值条件。
1.2对流边界条件
零件进行淬火时。认为边界条件为对流换热边 界条件:

式中:h和丁分别表示表面换热系数和换热边界,Z为零件表面温度,瓦为淬火介质温度。
2有限元模拟

图1为抛丸机定向套三维结构示意图.底部薄板 尺寸292millX360mm.半圆筒内半径120 mm,高 84mm,定向套厚14mlTl,材料为高铬铸铁2C15Cr, 密度7620 kg/m3。将其加热到980保温,充分奥氏 体化后空冷。模拟其淬火过程定向套各部位温度场 分布。
图1抛丸机定向套三维结构示意图
2.1模型网格划分
模型采用8节点solid70单元进行智能网格划 分.精度*别为6,考虑到半圆筒部分的结构特点可 能影响淬火过程此部位温度场的分布,对其进行重 新更高密度的网格划分。
2.2材料物理参数 材料的物理性能参数和力学性能参数是温度场 数值模拟过程中较重要的物理量,其选取的正确与 否,对模拟结果的准确起决定性的作用。高铬铸铁 2C15Cr的密度与温度变化关系不是很大,按常数处 理.对较后结果影响不大。这里对比热容、热导率这 些与温度变化影响较大的热物性参数必须看成温度 的函数.以确保计算结果的准确性。研究所采用的参 数部分引用了文献【7.8】的数据,如表1所示。
表1 高铸铬铁2c15cr的材料性能参数
2.3初始条件及边界条件

由于抛丸机定向套体积小、壁厚薄(平均壁厚 14mm)且充分保温,可把初始温度场设为均匀温度 场,本文选取初始温度为980。在有限元模型的 边界条件中主要考虑了对流散热。根据传热学理论 及相关文献中经验公式。试件与环境的对流换热系 数取20~40 W/(m2 )唧。结合实测温度,模拟计算 中对流换热系数取35W/(m2 ),淬火终止温度为 25。设置热分析类型为瞬态热分析,淬火时间设 置为3000S。

3结果及讨论

在淬火过程中.定向套在不同时刻的温度场云 图如图2所示。可以看出,在淬火过程中随着时间 的延长,定向套温度迅速降低,而定向套各部分温 度下降速率不同.平板处降温速度大于半圆筒处。由 图2)可知,淬火500s时在底部平板F点处温度为 560.在半圆筒壁H点的温度为726。不同部位 的温度差异是产生淬火应力及结构开裂报废的主要 原因。
图2 不同淬火时刻定向套温度场云图
分别对图1所示A、B、C、D、E结点进行研究。 考察其温度随时间变化情况,结果如图3所示。B点 由于处于底部平板的外边缘上其降温过程中受定向 套其他部分的热影响小。在淬火过程中温度下降较 快。因而在刚一淬火时,温度下降极为迅速。C点 位于平板与半圆筒壁交汇处,其散热受周围构件影 响较大,温度下降比较缓慢。同样的道理。A与D的 温度时间关系也存在较大的差别。
图3 A ̄E五点处温度随时问变化关系曲线

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