基于DEFORM軟件對(duì)機(jī)車牽引主動(dòng)錐齒輪的熱處理的模擬分析研究

焦健

摘 要：基于DEFORM軟件V6.1版本，對(duì)機(jī)車牽引主動(dòng)錐齒輪進(jìn)行計(jì)算機(jī)熱處理模擬分析，優(yōu)化熱處理工藝。利用UG軟件對(duì)機(jī)車牽引主動(dòng)錐齒輪建立三維非線性有限元模型，建立熱處理過程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力、相變等相互作用的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合材料學(xué)、傳熱學(xué)、彈塑性力學(xué)和數(shù)學(xué)等多學(xué)科的理論知識(shí)，通過計(jì)算機(jī)模擬獲得對(duì)內(nèi)燃機(jī)機(jī)車牽引主動(dòng)錐齒輪熱處理工藝過程的變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，使其熱處理質(zhì)量的精確控制和工藝優(yōu)化，并有助于開發(fā)創(chuàng)新性工藝和設(shè)備。

關(guān)鍵詞：熱處理 有限元分析 DEFORM軟件

內(nèi)燃機(jī)車主動(dòng)齒輪采用20CrMnTi材料制成，齒廓面進(jìn)行滲碳淬火處理，滲碳層深1.3mm～1.9mm，齒面硬度大于60HRC，為了保證主從動(dòng)齒輪在工作狀態(tài)下有很好的接觸區(qū)域，錐面及齒面進(jìn)行磨削加工，主動(dòng)齒輪采用齒向修正，從動(dòng)齒輪采用齒頂修緣。

20CrMnTi齒輪鋼作為機(jī)車牽引主動(dòng)齒輪的選材，要使其達(dá)到加工、使用所需性能，必須經(jīng)過熱處理。齒輪毛坯采用鍛造毛坯，經(jīng)鍛造以后晶粒變成流線型，即晶粒細(xì)小了。從而提高了鋼的力學(xué)性能例如提高了硬度。但同時(shí)鍛造也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，所以在機(jī)械加工前需預(yù)備熱處理[1]。

20CrMnTi齒輪在傳統(tǒng)熱處理工藝下易產(chǎn)生的缺陷，而通過計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，可以預(yù)測(cè)實(shí)際生產(chǎn)中的金屬變化情況，可以減少昂貴的試驗(yàn)成本核算，提高效率，降低生產(chǎn)和材料成本，縮短新產(chǎn)品的研究開發(fā)周期。

1 單個(gè)輪齒的DEFORM滲碳淬火分析

圓錐齒輪的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合整體研究。所以將單個(gè)齒作為研究對(duì)象。

齒輪的失效多數(shù)與滲碳齒輪在熱處理過程中的許多缺陷有關(guān)，如表層和心部硬度不夠，表層過度滲碳與硬化層偏淺，滲碳層深度不均勻，表層內(nèi)氧化等[2]。

2 熱分析

由圖1-3可知，整個(gè)滲碳淬火過程，齒輪溫度分布是不均勻的。而這種不均勻是造成齒輪熱變形和冷淬裂的主要原因之一。通過觀察齒輪中央部分溫度變化速度可以了解滲碳淬火后得到的組織的差別。

在整個(gè)淬火過程中，心部鐵素體生成時(shí)受到表層高碳奧氏體區(qū)的壓應(yīng)力的影響。會(huì)增加零件的變形。尤其是大型齒輪由于模數(shù)大、滲層深，滲碳時(shí)間較長(zhǎng)，還會(huì)受到自身重量變化的影響使其產(chǎn)生變形。

那么如何來減小這種變形呢？

通過Deform軟件對(duì)20CrMnTi的滲碳淬火過程的模擬可知，齒輪各部位組織轉(zhuǎn)變的不同時(shí)是造成變形的主要原因。所以可以通過提高淬火環(huán)節(jié)中的均勻性來實(shí)現(xiàn)減小變形。

3 20CrMnTi齒輪重點(diǎn)熱處理工藝及試驗(yàn)

熱處理工藝，見表1。

4 熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)

（1）外觀檢測(cè)。

（2）硬度檢測(cè)：選取三點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)試，根據(jù)原理HB=F/S（淬火鋼球），用硬度實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

（3）力學(xué)性能檢測(cè)：利用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的測(cè)試。

（4） 進(jìn)行組織檢驗(yàn)：在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察試樣的金相組織。

通過以上質(zhì)量檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)利用DEFORM軟件對(duì)機(jī)車牽引主動(dòng)錐齒輪的熱處理進(jìn)行模擬分析是可行的，可以縮短實(shí)際調(diào)整熱處理溫度、介質(zhì)、冷卻方式等的時(shí)間，也可為機(jī)車牽引主動(dòng)齒輪材料的選擇上提供依據(jù)。

內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院的院級(jí)課題：基于DEFORM軟件對(duì)機(jī)車牽引主動(dòng)錐齒輪的熱處理的模擬分析研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉宗昌等.熱處理工程師必備理論基礎(chǔ) [M] 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2]閻承沛.典型零件熱處理缺陷分析及對(duì)策480例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.