煤礦機械零件淬火的瞬態溫度場模擬分析

（北京京北職業技術學院，北京 101400）

煤礦機械由于其相對惡劣的工作條件，故而對其結構性能往往會提出較高的要求。例如隨著井下機械設備使用功率的不斷提高，機械系統的各個部件（傳動裝置、齒輪、殼體、機械化支架的頂梁和底座、牽引鏈、刮板運輸件的零件）的負荷增大，強度要求更高，壽命需求增加。結構強度能夠真實地反映出部件的使用壽命，故而對一些關鍵的機械零件進行淬火處理，使其強度增加，是工業上一種通用的方法[1]。

在淬火冷卻階段，由于零件表層和心部的溫度分布不均勻、相變不均勻而產生的熱應力和相變應力將會很大程度地影響到零件的材料性能和結構強度[2]。如果熱處理不當，會造成零件的相變程度未達到預定要求，甚至可能產生過變形、表面開裂等處理缺陷。大量工程案例表明，冷卻階段是最容易產生淬火缺陷的環節，也是整個熱處理工藝中最難掌握控制的階段。淬火的目的是為了得到符合工藝要求的殘余壓應力及金相組織的轉變，而其評估的標準就是零件體內的溫度隨時間變化的規律。所以，淬火過程中的溫度場模擬便顯得尤為重要[3]。

本文使用大型有限元仿真軟件Abaqus進行零件的溫度場模擬，其強大的網格劃分以及非線性運算功能可以為用戶提供一個十分便捷的分析平臺。通過可視化的模塊界面，可以很容易地獲得零件淬火的過程動態圖、溫升溫降歷程以及殘余壓應力場的分布情況，十分適合復雜形態的零件淬火過程的模擬運算。

1 瞬態溫度場的數學建模

零件的淬火過程模擬是一個瞬態溫度場仿真的過程，故根據熱力學原理，由能量守恒定律和Fourier傳熱定律，零件的瞬態溫度場應滿足傳熱分析的過程控制方程，即

設定淬火過程的邊界條件為第三類邊界條件，即對流換熱邊界條件。將努曼方程給定熱流密度，則該邊界條件可用下式表示：

在式（1）（2）中，

kx、ky、kz為 X、Y、Z三個方向的熱傳導系數；

ρ 為材料的密度，kg/m3；

Q為零件內部熱源強度值；

CT為比熱容；

T為零件表面的溫度值；

nx、ny、nz為 X、Y、Z三個方向邊界外法線方向余弦；

hc為零件與外界介質的對流換熱系數；

T∞為淬火的環境溫度。

2 瞬態溫度場仿真的參數設定

在傳統的瞬態溫度場模擬時，通常為了減小計算規模，往往假定零件材料的物理參數為恒定不變值。但是，得到的仿真結果往往與實際測試得到的結果存在著一定的誤差。本文為了嚴格控制計算精度，將物性參數設定為非線性量，即將熱傳導系數、比熱容等值設為隨溫度值變化而變化的函數量。本次試驗所選用的試件為45號鋼，淬火液為水，試件的物性參數變化情況如表1、表2和表3所示。

表1 45鋼的比熱容隨溫升的變化情況

表2 45鋼的熱傳導系數隨溫升的變化情況

表3 45鋼的對流換熱系數隨溫升的變化情況

3 瞬態溫度場模擬運算

如圖1所示，本次試驗的試驗零件為一煤礦機械中常用的非標件。其材料為45號鋼，整體加熱至850℃進行保溫，待其奧氏體化充分后，放入20℃的冷卻液（水）中進行淬火，模擬其淬火過程的溫度場分布。

圖1 非標件結構圖

3.1 仿真前處理

（1）實體建模。由圖1所給出的零件尺寸，在Abaqus軟件的Part界面內完成零件的實體建模，如圖2所示。為了保證運算正確，單位統一為mm。

圖2 實體模型圖

（2）賦予材料屬性。根據實驗[1]表明，45號鋼的密度隨溫度的變化而改變不大，故將其設為常數。查機械材料手冊，得其密度為7 833 kg/m3。由于未涉及殘余壓應力場的分析，故無需提供45號鋼的彈性模量和泊松比。其CT、k、hc的數據分別按照表1、表2和表3輸入，以保證仿真結果的可靠性和真實性。此處需要注意的是，本次仿真的單位是mm，故表1至表3的單位需要統一轉換。

（3）設置分析步。在Step界面內完成分析步的設定。分析步類型為Heat transfer，且為非線性瞬態分析，時間設定為51 s。在Incrementation內的Type選擇固定模式，分析步的最多數量設為10 000，Incrementsize輸入1，即表示時間步長固定為1 s。在場變量結果輸出欄內將Thermal打勾即為全選。

（4）設置淬火。在Interaction界面內，選擇Create interaction，對流換熱系數按照表4所示作為Amplitude輸入，由于淬火液是水，故將淬火液溫度設定為20℃。其余設置見圖3所示。淬火區域設定為除了截面以外的所有面。

表4對流換熱系數輸入值

圖3 淬火設置參考

（5）劃分網格。此項工作在Abaqus軟件的Mesh界面內完成。單元類型為DC3D20，對于局部部位的網格進行了細化。如圖4所示，由于該零件結構為對稱結構，故為了減少不必要的運算量，采用1/4結構的有限元運算模型進行計算，如圖5所示。

圖4 零件的有限元模型

圖5 1/4零件的有限元運算模型

（6）預定義溫度場。選取與（4）相同的區域，在Predefined Field Manager里設定初始溫度為850℃。

3.2 仿真結果及分析

根據仿真計算，得到了零件的淬火過程在51 s內各部位的溫度場實時分布。圖6至圖8分別顯示了零件在1、10 s和51 s的表面和心部的溫度場。從圖6可以看出，在淬火到1 s時，零件邊緣的溫度明顯降低，而心部的溫度依然很高，這是由于輪緣狀物體的邊緣淬透性很大，仿真結果與實際相符。

圖6 1 s時表面與心部的溫度場分布

圖7 10 s時表面與心部的溫度場分布

圖8 51 s時表面與心部的溫度場分布

隨著淬火過程的繼續，零件表面的溫度繼續明顯降低，但溫降速率逐漸被心部溫降的速率所超過。圖9是所關心的A至E點在淬火過程中的溫度值曲線。A點處于零件輪緣外交線上，所以在淬火一開始時，溫度下降極為明顯；C點和D點之間之所以差別比較明顯，是因為零件內部熱源的補充，使得溫降速度不一致。

圖9 淬火過程中各點的溫度場曲線

4 結束語

首先，對于任意較復雜外形的零件，均可使用Abaqus計算其淬火過程溫度場的分布，運算效率較高，并可查看任意時刻的淬火溫度分布。

其次，由于Abaqus具有極強的非線性問題的處理能力，且在淬火過程中，材料的物理性參數均會發生非線性變化，故使用該軟件得到的計算結果能夠較好的符合實際。

最后，利用Abaqus計算得到的溫度場分布，可以為接下來進行的殘余壓應力場分布、淬火中的熱應力分布以及淬火的工藝改進等工作提供重要依據。

[1]馬 仙.淬火過程數值模擬研究進展[J].兵器材料科學與工程，1999（3）:59-63.

[2]付洪波，喬英杰，李春凱.18Cr2Ni4WA鋼的強烈淬火組織與性能[J].金屬熱處理，2013（1）:88-91.

[3]馮 瀟，張 磊，李兆光，等.2A12厚板鋁合金淬火過程有限元建模研究[J].新技術新工藝，2012（10）:57-60.