齒輪感應(yīng)加熱熱處理綜述

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2023年6月27日 16:37

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概述

對(duì)于齒輪的感應(yīng)加熱熱處理過程，本文通過循環(huán)對(duì)稱齒輪模型的感應(yīng)加熱案例簡單介紹Marc的相變熱處理仿真方法和流程。

循環(huán)對(duì)稱模型仿真須滿足模型結(jié)構(gòu)和邊界條件都遵循循環(huán)對(duì)稱條件，從而在很大程度縮減模型規(guī)模、簡化模型，減少求解時(shí)間和內(nèi)存需求，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的網(wǎng)格，更詳細(xì)地研究模型。

在整體齒輪簡化為循環(huán)對(duì)稱的模型后，進(jìn)行感應(yīng)加熱，淬火連續(xù)工藝過程仿真，發(fā)現(xiàn)齒輪淬火導(dǎo)致奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)換，從而在相變區(qū)域獲得更好的材料性能；但也會(huì)在齒輪內(nèi)部引入各種殘余應(yīng)力，從而改變其機(jī)械性能。

模型建模細(xì)節(jié)

齒輪有18個(gè)齒，采用循環(huán)對(duì)稱只建立一個(gè)齒牙，再進(jìn)行厚度方向?qū)ΨQ定義，然后進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。感應(yīng)加熱階段，電磁線圈內(nèi)定義150kHz頻率的1200A感應(yīng)電流進(jìn)行齒輪加熱，加熱時(shí)間2s，然后關(guān)閉感應(yīng)線圈，進(jìn)行淬火冷卻，冷卻時(shí)間7s內(nèi)。

圖1 齒輪含空氣的簡化模型

為正確計(jì)算電磁場(chǎng)，另外需要對(duì)齒輪周圍的空氣進(jìn)行建模，齒輪附近的空氣已采用精細(xì)網(wǎng)格建模（接觸體：InnerAir和BelowGearAir），而遠(yuǎn)離齒輪的空氣則采用粗網(wǎng)格建模（接觸體：OuterAir）。線圈的扇區(qū)是單獨(dú)建模的，這樣它就可以在施加電流的電路中使用。圖1所示。

邊界條件

3.1 電流

當(dāng)施加電流時(shí)，假設(shè)該電流在線圈內(nèi)是恒定的。當(dāng)截面中線圈的長度與整個(gè)線圈的長度不同時(shí)，不需要改變。當(dāng)使用反對(duì)稱或循環(huán)對(duì)稱并且電流垂直于反對(duì)稱或周期對(duì)稱平面時(shí)，通常是這種情況。當(dāng)由于對(duì)稱性，線圈的橫截面積減少時(shí)，電流應(yīng)減少相同的量。

3.2 電壓

與此相反，當(dāng)施加電壓時(shí)，電壓降沿著線圈的長度發(fā)生。因此，當(dāng)對(duì)線圈總長度的1/n進(jìn)行建模時(shí)，也應(yīng)施加電壓降的1/n。當(dāng)由于對(duì)稱性，線圈的橫截面積減小時(shí)，電壓降將不會(huì)改變。

3.3 接觸

各個(gè)零件模型部件之間的接觸關(guān)系在感應(yīng)加熱和冷卻過程有所區(qū)別，如下圖2、3所示：其中齒輪的淬火是通過為齒輪接觸體選擇對(duì)環(huán)境的高傳熱系數(shù)而通過接觸來完成的定義如下圖4所示。

圖2 感應(yīng)加熱接觸表

圖3 冷卻接觸表

圖4 對(duì)流換熱系數(shù)

求解過程

定義了兩種載荷情況。在第一種負(fù)載情況下，使用固定步進(jìn)加熱齒輪2s。第二種負(fù)載情況下，齒輪被迅速冷卻。這是通過使用第二個(gè)接觸表來完成的，在該接觸表中，齒輪不再與主體InnerAir和BelowGearAir接觸，從而可以向環(huán)境散熱。使用自適應(yīng)多標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)程序，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)允許40°C的最大溫度增量。請(qǐng)注意，當(dāng)選擇較小的溫度增量（如20°C）時(shí)，相變的結(jié)果將稍微更準(zhǔn)確。

結(jié)果

圖5顯示了加熱階段結(jié)束時(shí)齒輪中的溫度。圖6顯示了加熱階段齒輪中感應(yīng)電流的電流密度。在模擬開始時(shí)，齒輪完全由鐵素體組成，圖7顯示了分析終止時(shí)馬氏體的分布。圖8顯示了分析結(jié)束時(shí)的Von Mises應(yīng)力。

圖5 溫度場(chǎng)

圖6 感應(yīng)電流分布

圖7 馬氏體轉(zhuǎn)換

圖8 Mises應(yīng)力分布

參照

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齒輪感應(yīng)加熱熱處理綜述的圖10