“变形”是指由于应力、温度、时间、环境介质以及人为操作等因素造成的结构件的实际尺寸与理想尺寸之间的偏差,当其超过了设计指标允许的范畴,便会凸显为结构件的“变形问题”——部分甚至全部丧失原有的功能。结构件的“加工变形”问题是由残余应力、切削力、切削热、装夹等多种因素的耦合造成的,由于上述因素的隐蔽性与偶然性,难以凭借经验根据现场记录对上述变形原因进行逐一排查;结构件加工过程的复杂程度——成型、热处理及切削加工等多重工序作用结果的累积效应,进一步增加了加工变形原因分析的难度。 输出长齿轮轴工艺诊断案例 大型输出长齿轮轴是应用于水电、风电、船舶动力等领域传动系统中的关键部件,通常的加工工艺为:锻造-退火-正火-粗加工-滚齿-渗碳-淬火-回火-精加工。由于处在传动系的末级,工作环境为高周次、低载荷(增速箱),或者低周次、高载荷(减速箱),因此,必须通过合金化与热处理强化力学性能,并通过提高加工与装配精度保证其动平衡性。然而,为了保证材料的可加工型与成品力学性能而引入的复杂热处理工艺,在零件的成型与加工过程产生机械-温度的强耦合,严重的影响尺寸精度,同时,其工艺复杂性及其与诸多因素的二次耦合,为变形原因的排查及解决方式的探究增加了新的难度。 一、热处理的二维轴对称模型分析 为减少计算量,忽略轮齿的影响,忽略倒角,建立轴对称模型,建立CupledTemperature-Displacement完全热力耦合分析步,分十一个载荷步分析渗碳和淬火的全过程。采用完全热力耦合单元CAX4T单元划分网格。施加轴对称约束,切换到柱坐标,约束对称轴线径向自由度和中间一点的环向自由度。最后,轴与周围的环境介质进行对流换热,不同的换热介质不同的环境温度分别赋予不同的换热系数并求解。 二、热处理过程的三维仿真:
由上图可知,建立“轴—液—池”淬火过程温度—应力变化模型,在整个淬火降温过程中,温度梯度不再单纯沿齿轮轴径向分布,而是根据多根轴的相对位置关系,呈现靠近几何中心位置的温度较高,四周温度较低的分布规律。而该温度梯度分布规律将显著影响齿轮轴的淬火应力,及其淬火后的变形特征,尤其是翘曲变形。 下表进行了两种条件下的齿轮轴淬火仿真结果与实际情况的相似度对比,复杂仿真条件下对齿轮轴翘曲变形的仿真准确性有显著提高。可见,根据上述变形机理与原因分析,已经建立了相对准确的工件热处理变形模型,并可依次模型及对应的变形原因,在仿真环境下快捷、高效的以较低成本指导并设计相应的热处理工艺优化方案。 在广义的“失效分析”领域,按材料的损伤机理分类,变形问题与材料的断裂、磨损、腐蚀问题为材料失效的四种主要形式。同时,变形问题可分为加工阶段的即时变形与服役阶段的延迟变形,由于后者主要是由于前者引入的残余应力与工况载荷、时间、温度等因素耦合造成的,因此,有必要建立加工过程仿真及变形预测模型,完善工艺诊断与加工变形分析体系,为加工变形问题解决方案的探寻提供快捷、高效、直接的路径。 |
|