表面處理對半封閉空心活塞桿熱力學性能的影響

鄢　強，鄧祥豐，宋慧瑾，向長奎，王馨田

(成都大學 機械工程學院，四川 成都　610106)

0　引　言

活塞桿是一些工程機械中的重要零件之一，其工作環境一般都為高溫、高速、易被腐蝕和磨損場合，故其必須具有足夠的支撐強度、表面硬度、抗腐蝕與抗咬合等性能.為了提高活塞桿使用壽命與工作效率，通常需要對其表面進行處理.目前，液壓工程機械上的長管狀活塞桿常用的表面處理工藝為調質或電鍍硬鉻[1].然而，調質后的產品無法滿足現有的使用要求，電鍍硬鉻工藝因環境污染幾乎全面棄用[2].相對而言，真空鍍硬質耐磨涂層能同時解決環保和使用要求.但活塞桿在進行離子鍍表面處理時，其溫度分布不均勻，各部分的溫度梯度較大，所產生的熱應力容易使活塞桿開裂磨損.因此，需要對活塞桿表面處理時的熱力學問題及從表面到內部的溫度場的變化進行分析和研究，改進其不足和缺陷[3-4].對此，本研究分析了鍍膜過程中在鍍膜室內產生的傳熱學問題，并應用ANSYS中的Fluent軟件[5]，根據不同的極間距對基體表面溫度的變化規律做了模擬分析.

1　方　法

1.1　活塞桿模型的建立

本研究中，活塞桿材料為45號鋼，其表面處理技術采用多弧離子鍍膜技術[6]，加熱源類型采用電弧源，小球直徑為100 mm.

1.1.1模型建立.

已知半封閉活塞桿的物理模型尺寸如圖1所示，可將該模型簡化為空心的薄壁管.

圖1活塞桿物理模型

由量子力學知道，離子從蒸發源到鍍件時，帶給鍍件的能量可由Teer公式[7]估算，

(1)

式中，N0為原子量；e為電子電量；Vc為熱流密度；λ為離子運動的平均自由度；dk為極間距(工件與熱源距離).

從式(1)可知，如果N0、e、Vc、dk都已知不變，鍍件吸收的轟擊量隨極間距的變化而變化.說明離子帶給鍍件的轟擊量受到鍍件位置的影響，也可以用不同的極間距來模擬工件的溫度分布情況.在本研究中，假定工件與熱源的距離分別為50 mm、 100 mm和120 mm.此外，活塞桿鍍膜過程是在低氣壓的真空室內進行的，需要模擬真空室環境，真空室的真空度一般為1×10-2Pa[8]，所以模擬時流體環境設置為理想空氣.

1.1.2網格劃分.

利用Fluent軟件把指定的幾何區域確定后，需對其進行離散化，即對幾何模型進行網格劃分.網格劃分后需對邊界條件類型進行指定(需要的熱源和工件)，且Gambit默認的其他邊界條件類型為wall類型，不需要再特意指定.工件與熱源的不同距離網格劃分如圖2所示.

(a)50 mm；(b)100 mm；(c)120 mm

圖2工件與熱源不同距離的網格劃分圖

1.2　溫度場模擬

在分析軟件中輸入與檢查網格后，再選擇合適的求解器.由于熱源與活塞桿之間屬于輻射換熱[9]，因此本研究選擇耦合求解方法的耦合式求解器同時求解連續方程、能量方程、動量方程以及輸送方程的耦合方程組.由于Fluent輻射模型的DO模型適用于灰體、非灰體、漫反射以及鏡面反射等輻射，而且封閉空間中是灰體輻射，故選擇DO模型，介質選擇“ideal-gas",其相應的數據如圖3所示.同時，設置new-reyuan邊界條件[10]，根據所選擇的熱源種類選擇合適的功率，使得傳熱效果更好，本模型選擇熱源的功率為500 W/m3.

圖3定義材料界面

2　結果與分析

通常，影響工件溫度的因素有很多，在其他條件都已確定的前提下，其主要研究的還是熱源與工件之間的距離對工件沉積溫度的影響.本研究模擬所需數據如表1所示.

表1　模擬使用參數

2.1　不同極間距下腔體內的溫度場

整個封閉腔傳熱分析結果如圖4所示.

(a)極間距為50 mm；(b)極間距為100 mm；(c)極間距為120 mm

圖4不同極間距下腔體內溫度等值線圖

由圖4(a)可知整個溫度等值線的分布情況，整個封閉空間的溫度分布范圍為298～311 K，除了熱源，溫度最高約為305～306 K，主要集中在熱源附近，而最低溫度約299～300 K，比較分散地分布在鍍膜室內各處.可見，鍍膜室內存在一定的溫度梯度.由圖4(b)可知，整個封閉空間的溫度分布范圍為295～306 K，最高溫度約為301～302 K(除了熱源之外)，其他的熱量則主要分布在爐壁周圍，而在鍍膜室內周圍的溫度相對較低，約為298～299 K，這是由于熱輻射的作用，爐壁接收了一部分基體的輻射散熱，所以沒有爐壁的溫度高.從圖4(c)分析得，整個溫度等值線的溫度分布范圍為430～454 K，最低溫度主要集中在相對熱源比較遠的真空以及爐壁周圍，從熱源到附近一定距離的溫度呈一定的梯度分布.

不同極間距下整個封閉腔內的溫度分布折線圖如圖5所示.

圖5溫度變化折線圖

由圖5可知，極間距為50 mm和100 mm時，整個腔內溫度大小相差不大，而極間距為120 mm時，腔內溫度比前兩者高，溫度梯度也相應增大.

2.2　基體在不同極間距下的溫度分布

活塞桿與熱源間的傳熱分析結果如圖6所示.

(a)極間距為50 mm；(b)極間距為100 mm；(c)極間距為120 mm

圖6基體在不同極間距下的溫度分布云圖

從圖6可知，極間距從小到大的溫度范圍分別為298～311 K、295～306 K、430～454 K.當極間距分別為50 mm和100 mm時，工件表面的溫度大小基本一致，相差不大，但是圖6(a)中工件的溫度分布梯度較大，圖6(b)中的工件溫度分布更均勻；當極間距為120 mm時，工件溫度的大小與前兩者相比較明顯升高，且溫度分布均勻.

2.3　結　論

模擬數據表明：極間距越大，工件溫度越高；當極間距較小時，因溫度分布不均可使工件表面出現局部熱量過大現象，從而影響鍍膜質量；當極間距過大時，工件溫度過高，可能產生大量的熱應力從而影響膜基結合力，使活塞桿受到損害.

因此，基體的溫度過高或者過低都會對生成致密的膜層產生阻礙，而極間距的大小則會影響工件的沉積溫度，因此選擇合適的極間距非常重要.

3　結　語

本研究結果表明，極間距為50 mm、100 mm、120 mm時，腔體的溫度范圍分別為298～311 K、295～306 K、430～454 K.當極間距分別為50 mm和100 mm時，工件表面的溫度高低基本一致，當極間距為50 mm時工件的溫度分布梯度較大，當極間距為120 mm時，工件溫度明顯升高，但溫度分布均勻.所以，極間距越大，其工件的溫度越高.當極間距較小時，因溫度分布不均而可能使工件表面出現局部熱量過大的現象，從而影響鍍膜質量.當極間距增大時，工件溫度過高，可能產生大量的內應力影響膜基結合力和鍍膜質量，甚至使活塞桿受到損害.