基于CAE技術的弧形推桿熱處理工藝分析及優化

常江， 唐漢薇， 盧桂榮

（中國航天科工集團第四研究院，湖北孝感432100）

0 引言

金屬材料的熱處理工藝是在固態條件下將金屬或合金加熱到一定的溫度，保持一定的時間，然后用不同的冷卻方法冷卻下來，使其發生金屬相的轉變而獲得所需性能的一種熱加工工藝。一般來說，只要選擇的金屬材料合適，熱處理工藝得當，就能使機械零件的使用壽命成倍、甚至幾十倍地提高，收到事半功倍的效果，因此，熱處理是機械零件和工模具制造過程中的關鍵工序，也是機械工業的一項重要基礎技術。

隨著機電產品對零部件的力學性能要求越來越高，各種結構零件基本上都已采用了成品熱處理工藝，當結構零件尺寸較小、形狀機構復雜且精度要求較高時，如在成品熱處理環節產生質量問題則容易產生批次性報廢，最終造成制造成本的上升，不利于產品的研制及生產的順利進行。由于熱處理是一個微觀組織變化的過程，對于過程的分析理論性要求較強，零件經熱處理工藝后，其最終的性能受材料原始狀態、加熱方式、冷卻方式以及零件形狀等多種因素影響，任何一個因素的變化都會對材料的力學性能帶來巨大的變化。正是由于熱處理工藝的這種特殊性，單純依靠技術人員及操作工人的現有經驗，難以精確預測熱處理過程中的各種質量問題，導致熱處理過程質量控制水平較低，而應用CAE技術，對熱處理工藝過程進行分析，可及早發現問題，并通過計算機模擬優化工藝參數，從而大大減少試驗的次數。

1 產品特點及工藝難點

本文研究的弧形推桿是船用液壓馬達中的傳動零件，根據液壓原理可知，液壓傳動過程中的能量損耗與傳動件之間的間隙的立方成正比，因此液壓設備的機械零件精度普遍較高。本產品的技術特點如下：1）零件加工精度高，制造公差基本都在IT6級左右；2）零件材料為QT500，兩端部要求10 mm左右的局部硬度45HRC，同時兩端深孔作為另一零件的配合面，要求較小的變形量；3）零件上、下平面有較高的平行度要求，側面與底面之間有較高的垂直度要求，以保證裝配時較小的配合間隙。

圖1 弧形推桿三維圖

零件三維設計圖如圖1所示。

對于零件的端面硬度要求，如果采用局部熱處理的工藝方式，由于QT500材料熱傳導系數低，在加熱過程中材料自身傳導熱量較慢，則加熱時間要很長才能保證零件內部達到奧氏體轉變溫度，而此時零件表面已經處于較高的溫度，由于QT500本身熔點較低，因此極易導致與熱源相接觸的部位局部熔化；如加熱過程時間較短，則零件內部還不能達到組織轉變溫度，在冷卻過程中難以獲得較大比例的馬氏體，因此難以達到設計要求的硬度。

基于以上分析，在考慮零件的初步工藝方案時，考慮采用使用整體加熱，局部冷卻的工藝方法，通過整體加熱可以保證零件能夠較快地獲得材料內外溫度的一致性，同時通過局部冷卻的方式使零件端面獲得需要的硬度。

零件的工藝路線為：下料→粗車成環狀→切斷→熱處理→磨零件外形。

2 初次試驗結果及工藝過程仿真分析

2.1 初次試驗結果及質量問題

根據初步的工藝方案，生產車間按照圖紙進行生產，零件經過粗加工后進行熱處理工序，然后用平磨磨平上下面，再用工裝夾緊磨平的上下面進行定位后，磨削零件的內外圓，內外圓尺寸精度靠工裝尺寸保證。進行完整套加工工序后，對零件的成品進行檢測，發現弧形推桿兩端面的硬度達到要求，但弧形部位的內外圓尺寸不符合圖紙要求，同時平行度及垂直度均超差。

由于磨削工裝的尺寸通過檢測符合設計尺寸，因此零件超差可排除工裝的原因，同時，因為磨削工序的上一道工序為熱處理工序，因此熱處理過程的質量對磨削有著直接的影響?；谝陨戏治?，采用國際上先進的工藝仿真軟件DEFORM對零件的熱處理過程進行模擬，通過仿真分析研究熱處理過程中弧形推桿的熱力學行為。

2.2 熱處理工藝過程仿真分析

將弧形推桿的CAD模型直接導入DEFORM-3D系統，使用熱力耦合單元進行有限元網格化分，并根據實際的工藝參數設置模擬邊界條件?；⌒瓮茥U熱處理工藝參數為：加熱溫度為850℃，保溫時間為20 min，工件兩端油冷，中間空冷。

仿真分析時，以弧形推桿中部為原點，即模擬淬火時夾具接觸位置，同時以此點為參考分析其他各部位的變形量。建立的有限元模型及熱處理工藝參數如圖2所示。

圖2 弧形推桿有限元模型及熱處理工藝參數

按照此工藝方案進行設置后，零件的硬度分布及金相組織分布分析結果如圖3所示，淬火后工件兩端硬度為52～54.7HRC，中間硬度30HRC，符合實際的試驗結果，同時符合設計要求。工件兩端為100%馬氏體，中間段為100%珠光體，在過渡區是馬氏體和珠光體的混合物，獲得了良好的晶相組織。

圖3 硬度分布及金相組織分布分析結果

零件的熱處理變形分析結果如圖4所示，從分析結果可以看出，以工件中間段為原點，在零件兩端的Z軸方向上，其中一端向上偏移0.11mm，另一端向下偏移0.37mm，產生了較大的扭轉變形。通過研究圖5中零件內部的應力分布可以看出，零件中間夾持部位的應力最高達到230 MPa，淬火分界點應力也比較集中，大約150 MPa。由于零件兩端冷卻時中間部位還處于較高的溫度，材料抵抗應力變形的能力較差，因此淬火應力直接導致了零件的扭曲變形。

圖4 零件扭曲變形

圖5 內部應力分布

2.3 仿真分析結論

正是由于Z向扭曲變形的存在，即使平磨上下面也不能完全消除扭曲變形量，當外形磨削過程中夾緊上下端面時，零件產生了較大的彈性變形，此時根據工裝尺寸磨削零件內外圓時，名義上可以保證加工尺寸，但當零件從工裝上取下后，夾緊時的彈性變形釋放，從而導致零件尺寸超差。

3 工藝優化及試驗結果

根據仿真分析結果，要保證磨削工序的加工質量，則熱處理后零件的Z向變形必須消除。由于淬火過程中的變形難以有效控制，因此為校正零件的扭曲變形，可以在淬火后的回火工序中設計工裝夾具，用外力使其外形基本回復到淬火前狀態，然后低溫回火，消除內應力并穩定保持校形狀態。

優化后的工藝路線為：下料→粗車成環狀→切斷→淬火→校形回火→磨零件外形。

根據優化后的工藝進行了試驗件的熱處理工藝試驗，淬火后對零件的上下表面進行平行度檢測，偏差在0.7 mm左右，與工藝仿真結果相符。淬火后使用工裝夾緊上下平面，然后低溫回火，回火處理后檢測零件的上下表面平行度，偏差在0.01 mm左右，有效地消除了Z向翹曲變形，保證了后續磨削工序的加工質量。

4 結語

本文應用DEFORM-3D軟件，對弧形推桿淬火過程進行了仿真模擬，獲得其熱處理過程中的變形規律，并分析了組織及應力分布情況，找出了零件磨削加工尺寸超差的原因所在，并以此指導實際生產，通過優化后續熱處理工藝，設計出相應的工裝控制此種變形，以保證成品磨削時的加工質量。

通過應用數值仿真技術，對零件的工藝過程進行分析，對于優化工藝，降低制品成本，提高制品質量，具有重要的指導意義。

［參考文獻］

［1］吳重光.仿真技術［M］.北京∶化學工業出版社，2000.

［2］崔忠圻.金屬學與熱處理［M］.北京：機械工業出版社，1992.

［3］DEFORM軟件公司.DEFORM-3D應用手冊［M］.DEFORM軟件公司，2002.