摘要：利用有限元軟件模擬計算了拋丸機定向套淬火過程中的溫度場的變化；計算時考慮了非線性的材料比熱 容、熱導率的影響。結果顯示：在淬火過程中定向套各部位溫度分布不同，平板邊緣降溫速率大于半圓筒壁處，在定向套 不同部位存在溫度差。研究結果有助于拋丸機定向套淬火＿下藝制訂及淬火應力的分析。
關鍵詞：有限元；淬火；比熱容；導熱率 中圖分類號：ＴＧｌ５６．３；ＴＰ３９１ 文獻標識碼：Ａ

拋丸機定向套長期處于苛刻的環境中運行。主 要受到鋼丸噴射沖擊、被加工試件碰撞和磨損等， 失效形式主要是磨損、變形和斷裂。是整個機構運行 中較薄弱的環節，嚴重降低了拋丸機的使用壽命和 工作效率【ｌ】。其運行環境決定工件必須具有高的硬 度和足夠的淬硬深度。以保證良好的耐磨性和整體 剛度．因此對其熱處理特別是淬火工藝提出了極高 的要求。

定向套淬火后獲得的組織和性能取決于其淬火 過程中各部分溫度梯度分布。所以進行溫度場有限 元分析．弄清各點的冷卻速度十分重要。由于目前 技術條件的限制。不能對實物的溫度場做在線測量． 主要依靠實驗測定和經驗判斷。故傳統的方法不能 完整、全面、準確地分析和預測淬火過程的溫度場。 隨著數值模擬的快速發展．熱處理過程的數學模型和計算方法不斷得到完善，熱處理過程的計算機模 擬日益受到人們的重視．用以指導實際生產已取得 良好的效益。本文應用大型通用有限元軟件對拋丸 機定向套的淬火過程溫度場進行了模擬．可以顯示 任意時刻任意截面上的溫度場。能觀察到溫度等值 面、等值線隨時間推移的情況，也可以顯示任意點上 溫度一時間曲線，大大減少實際生產中的試驗次數， 從而縮短周期。

1、淬火冷卻過程數學模型
．１數學模型 淬火過程溫度場分析屬于典型的非瞬態熱傳導 問題，其三維溫度場的控制方程為：

式中：T為溫度場分布函數；Ａ為熱導率；ｐ和ｃ分別為材料的密度和比熱容，ｑc為相變潛熱。對于淬火 過程來說。比容和熱傳導系數與材料淬火過程的溫 度有關。式（１）為泛定方程，為了獲得定解，需要給出 定解條件即微分方程的邊界條件及初值條件。
１．２對流邊界條件
零件進行淬火時。認為邊界條件為對流換熱邊 界條件：

式中：ｈ和丁分別表示表面換熱系數和換熱邊界，Ｚ為零件表面溫度，瓦為淬火介質溫度。
２有限元模擬

圖１為拋丸機定向套三維結構示意圖．底部薄板 尺寸２９２ｍｉｌｌＸ３６０ｍｍ．半圓筒內半徑１２０ ｍｍ，高 ８４ｍｍ，定向套厚１４ｍｌＴｌ，材料為高鉻鑄鐵２Ｃ１５Ｃｒ， 密度７６２０ ｋｇ／ｍ３。將其加熱到９８０保溫，充分奧氏 體化后空冷。模擬其淬火過程定向套各部位溫度場 分布。
圖１拋丸機定向套三維結構示意圖
２．１模型網格劃分
模型采用８節點ｓｏｌｉｄ７０單元進行智能網格劃 分．精度*別為６，考慮到半圓筒部分的結構特點可 能影響淬火過程此部位溫度場的分布，對其進行重 新更高密度的網格劃分。
２．２材料物理參數 材料的物理性能參數和力學性能參數是溫度場 數值模擬過程中較重要的物理量，其選取的正確與 否，對模擬結果的準確起決定性的作用。高鉻鑄鐵 ２Ｃ１５Ｃｒ的密度與溫度變化關系不是很大，按常數處 理．對較后結果影響不大。這里對比熱容、熱導率這 些與溫度變化影響較大的熱物性參數必須看成溫度 的函數．以確保計算結果的準確性。研究所采用的參 數部分引用了文獻【７．８】的數據，如表1所示。
表1 高鑄鉻鐵2c15cr的材料性能參數
２．３初始條件及邊界條件

由于拋丸機定向套體積小、壁厚薄（平均壁厚 １４ｍｍ）且充分保溫，可把初始溫度場設為均勻溫度 場，本文選取初始溫度為９８０。在有限元模型的 邊界條件中主要考慮了對流散熱。根據傳熱學理論 及相關文獻中經驗公式。試件與環境的對流換熱系 數取２０～４０ Ｗ／（ｍ２ ）唧。結合實測溫度，模擬計算 中對流換熱系數取３５Ｗ／（ｍ２ ），淬火終止溫度為 ２５。設置熱分析類型為瞬態熱分析，淬火時間設 置為３０００Ｓ。

３結果及討論

在淬火過程中．定向套在不同時刻的溫度場云 圖如圖２所示。可以看出，在淬火過程中隨著時間 的延長，定向套溫度迅速降低，而定向套各部分溫 度下降速率不同．平板處降溫速度大于半圓筒處。由 圖２）可知，淬火５００ｓ時在底部平板Ｆ點處溫度為 ５６０．在半圓筒壁Ｈ點的溫度為７２６。不同部位 的溫度差異是產生淬火應力及結構開裂報廢的主要 原因。
圖2 不同淬火時刻定向套溫度場云圖
分別對圖１所示Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ結點進行研究。 考察其溫度隨時間變化情況，結果如圖３所示。Ｂ點 由于處于底部平板的外邊緣上其降溫過程中受定向 套其他部分的熱影響小。在淬火過程中溫度下降較 快。因而在剛一淬火時，溫度下降極為迅速。Ｃ點 位于平板與半圓筒壁交匯處，其散熱受周圍構件影 響較大，溫度下降比較緩慢。同樣的道理。Ａ與Ｄ的 溫度時間關系也存在較大的差別。
圖3 Ａ￣Ｅ五點處溫度隨時問變化關系曲線
４結束語
應用大型有限元軟件模擬了定向套在空冷淬火過程中的溫度場分布。為其改進工 藝提供了可靠參考，模擬結果表明在淬火過程中定 向套不同部位存在著較大的溫度差。其中在半圓筒 壁中部區域溫度下降速度較小。該模型能對２Ｃ１５Ｃｒ 鑄鐵定向套空冷淬火過程進行了較準確的模擬．對 其淬火工藝及后續消除殘余應力工藝的制定都具有 參考價值和指導意義。

參考文獻

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