李國鑌

摘要：大型齒圈熱處理變形影響零件表面質(zhì)量以及后續(xù)加工工藝，而齒圈結(jié)構(gòu)是對熱處理變形影響最大的因素之一。本文采用ANSYS軟件對17CrNiMo6齒圈進(jìn)行了淬火仿真分析，得到了齒圈淬火過程的溫度場分布及齒圈熱處理變形結(jié)果。研究了輪緣厚度、腹板間距等齒圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對齒圈熱處理變形的影響規(guī)律，對齒圈設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：齒圈；淬火；有限元分析；仿真

引言

齒輪滲碳淬火的變形直接關(guān)系到齒輪強(qiáng)度、精度等質(zhì)量指標(biāo)。滲碳淬火變形使齒輪精度大大下降，在齒輪行業(yè)一般認(rèn)為精度下降2～3級不足為怪。對不磨削齒輪，變形過大引起偏載；對磨削齒輪，由于變形引起偏磨會造成齒面燒傷、產(chǎn)生磨削臺階而發(fā)生早期點(diǎn)蝕和疲勞斷齒[1]。對于滲碳淬火的齒輪，特別是大型齒輪，其變形量很大，且難以控制。較大的變形不僅會使磨齒加工的磨量增加，成本提高，而且影響齒輪制造精度，降低承載能力，最終壽命也會大大下降。

對齒輪熱處理變形一直是科研工作者和工程技術(shù)人員關(guān)注的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]從工藝和工裝方面，對17CrNiMo6鋼大型重載內(nèi)齒圈滲碳淬火畸變控制進(jìn)行了研究。劉長江、孫福民[3]等人通過實(shí)驗(yàn)方式研究了大型減速器齒輪的熱處理變形與齒輪爐裝方式、齒輪結(jié)構(gòu)的關(guān)系。劉志新、劉憲冬[4]等人用COSMAP對齒輪滲碳淬火過程進(jìn)行了模擬，分析了熱處理過程中應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，總結(jié)了控制變形的方式。

本文所要研究的是某大型重載內(nèi)齒圈，其材料為17CrNiMo6、模數(shù)為15mm、齒數(shù)為213。由于其體積較大，且屬于薄壁結(jié)構(gòu)，其淬火的熱變形不容易控制。為此，本文通過仿真的方法模擬17CrNiMo6齒圈淬火過程，預(yù)測熱處理變形情況，并研究齒圈主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對熱處理變形的影響規(guī)律。

1.淬火過程模型分析

齒圈淬火過程中溫度場的計(jì)算過程屬于非線性問題，非線性來源主要分為三個方面：

（1）淬火介質(zhì)的換熱系數(shù)不是固定值，是隨溫度變化的一個非常態(tài)變化的量：

（2）淬火過程中存在相變，而相變過程中工件釋放的相變潛熱是一個與即時溫度相關(guān)的量：

（3）齒圈的熱物性參數(shù)，例如比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)等是隨時間變化的量。

文中采用增量法與迭代法混合方法，將熱處理溫度場計(jì)算過程離散為較小的子步，每段時間內(nèi)材料的熱特性以及換熱系數(shù)與該子步的初始溫度關(guān)聯(lián)。把子步計(jì)算得到的溫度場分布作為下一子步的初始溫度，如此迭代運(yùn)算。

2.大型齒圈淬火有限元模型的建立

齒圈建模在Pro/E中進(jìn)行，齒圈模數(shù)為15mm，齒數(shù)為213，厚度為480mm，傾斜角為8.179°，齒頂高系數(shù)為1.25，頂隙系數(shù)為0.25，三維模型如圖2所示。網(wǎng)格劃分是有限元分析的核心問題，不同的網(wǎng)格劃分方法計(jì)算出的仿真結(jié)果可能相差很大。本文中網(wǎng)格劃分使用Hypermesh軟件來實(shí)現(xiàn)，先對單齒進(jìn)行網(wǎng)格劃分和調(diào)整，然后通過旋轉(zhuǎn)的方式將網(wǎng)格復(fù)制到整個模型。得出的齒圈有限元網(wǎng)格為全六面體網(wǎng)格，保證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。劃分后的有限元模型共有416169個節(jié)點(diǎn)，296496個單元。如圖3所示。

將有限元模型導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行前處理，設(shè)置材料屬性以及邊界條件等。設(shè)置的密度、彈性模量、泊松比、線性膨脹系數(shù)等如表1所示。

在模擬熱處理淬火過程中，換熱系數(shù)將影響整體溫度場變化情況，是影響仿真結(jié)果正確性的關(guān)鍵參數(shù)。換熱系數(shù)有兩層含義，包括熱對流和輻射換熱，受到工件及介質(zhì)材料、工件形狀、大小和表面狀態(tài)等因素影響。工程上常用換熱系數(shù)與工件表面溫度的關(guān)系曲線來評定淬火介質(zhì)的冷卻能力，而通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的換熱系數(shù)往往誤差較大，因此常采用實(shí)驗(yàn)測得的特定工件材料與冷卻介質(zhì)的換熱系數(shù)。本文中熱處理過程分為淬火加熱和淬火冷卻兩個過程，加熱過程可簡化為空氣介質(zhì)中的工件換熱（對流換熱系數(shù)為40W/m2K），冷卻過程為17CrNiMo6材料與K128冷卻油的對流換熱，換熱系數(shù)為與溫度有關(guān)的非線性參數(shù)。實(shí)驗(yàn)測得的17CrNiMo6材料與K128冷卻油綜合換熱系數(shù)如圖4所示。

3.淬火溫度場和熱變形仿真分析

3.1 溫度場和熱變形求解

完成有限元模型建立和溫度邊界條件設(shè)置后可對齒圈淬火模型進(jìn)行求解。大型齒圈淬火工藝曲線如圖5，淬火爐中溫度變化分為兩級保溫（分別為600°C和850°C，各保溫2小時和4小時）和一段升溫過程（升溫速度100°C/h）。將保溫時間分為兩段，是為了使減少齒圈加熱階段內(nèi)外溫差，使得溫度均勻上升，減少淬火熱應(yīng)力。通過兩級保溫使得齒圈溫度達(dá)到淬火溫度點(diǎn)850°C，而后放入80°C淬火油中進(jìn)行冷卻。淬火過程齒圈最高溫度與最低溫度變化曲線如圖6所示。

從圖中可以看出，在加熱階段，0.5h時齒圈外部溫度最高達(dá)到350°C左右而內(nèi)部溫度平均為270°C左右（最大溫差為80°C）；3h時齒圈外部最高溫度達(dá)到580°左右而內(nèi)部平均574°左右（溫差在10°C以內(nèi)）；7.7h齒圈外部最高溫度達(dá)到834°C，而芯部溫度為826°C左右（最大溫差為12°C）?？梢钥闯龇謨呻A段進(jìn)行加熱，能夠有效控制齒圈內(nèi)外溫差，使得加熱階段的溫度場分布較為均勻。加熱階段溫度場分布如圖7所示。

在冷卻階段，剛開始時齒圈內(nèi)外溫差極大，從溫度場分布圖來看，冷卻40s后齒圈表面溫度為80°C左右，而芯部溫度依然為840°左右（接近齒圈淬火溫度）。此時產(chǎn)生的內(nèi)外溫差接近750°C，產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大，導(dǎo)致齒圈塑性變形；冷卻300s后芯部最高溫度為410°C左右，與剛開始冷卻相比齒圈內(nèi)部溫度場較均勻；冷卻700s時齒圈芯部最高溫度122°C，已經(jīng)接近冷卻油溫度（80°），之后冷卻速度較慢，溫度曲線趨于平緩。冷卻階段溫度場分布如圖8所示。

將溫度場作為溫度邊界條件導(dǎo)入瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析中，設(shè)置重力、約束等邊界條件，求解齒圈最終變形如圖9所示。

從齒圈熱處理變形圖可見，齒圈整體有向外膨脹的趨勢，且上圈在熱應(yīng)力的作用下發(fā)生翹曲趨勢。對齒面變形來說，越靠近齒頂處變形越大上圈齒頂處變形最大（1.1436mm）。

3.2 影響熱處理變形的齒圈結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

本文的大型齒圈為雙腹板結(jié)構(gòu)。影響熱處理變形的齒圈結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有輪緣厚度（h）、腹板間距（l）等，如圖10所示。輪緣厚度影響齒圈截面面積，對齒圈剛度和淬透性都有影響，厚度太大則齒圈難以淬透，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致變形加劇。輪緣厚度過小將導(dǎo)致齒圈零件剛度變小更易受力變形。腹板間距對齒圈溫度場分布及抗扭剛度有所影響。

對不同輪緣厚度、腹板間距的齒圈進(jìn)行熱處理仿真分析可以得到受結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的熱處理變形規(guī)律。選取輪緣厚度分別為30mm、55mm、75mm、95mm的情況，分別對齒圈進(jìn)行熱處理仿真，可得出最大變形量與輪緣厚度的關(guān)系曲線，如圖11所示。選取腹板間距分別為180mm、220mm、260mm的情況，分別對齒圈進(jìn)行熱處理仿真，可以得出最大變形量與腹板間距的關(guān)系曲線，如圖12所示。

從圖10、圖11中可以看出，齒圈結(jié)構(gòu)參數(shù)影響熱處理變形。輪緣厚度會影響齒圈整體的淬透性，進(jìn)而導(dǎo)致淬火應(yīng)力增大、變形加劇，當(dāng)h大于75mm時齒圈熱處理變形將增大。腹板間距l(xiāng)則影響齒圈的抗扭剛度，l為220mm時齒圈零件抵抗熱應(yīng)力效果最好，熱處理變形明顯減小。

4. 結(jié)論

本文對大型齒圈的淬火過程進(jìn)行了有限元仿真，得到了以下結(jié)論：

（1）材料為17CrNiMo6的大型齒圈熱處理采用分階段加熱能減少齒圈內(nèi)外溫差，使升溫過程中齒圈內(nèi)部溫度場分布更加均勻，能有效地改善齒圈變形、減少表面開裂；

（2）大型齒圈的淬火變形具有不均勻性，齒圈整體向外膨脹但上圈向外位移較大，淬火后的齒圈零件上圈有向外翻轉(zhuǎn)的趨勢；

（3）大型齒圈輪緣厚度、腹板間距對熱處理變形有較大影響。輪緣厚度大于75mm時齒圈熱處理變形將增大；腹板間距為220mm時齒圈零件抵抗熱應(yīng)力效果最好，熱處理變形明顯減小。

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（作者單位：海軍駐哈爾濱地區(qū)第三軍事代表室）