渗碳圆柱齿轮淬火过程的数值模拟

　　热处理是齿轮热加工的最后一道工序，而渗碳淬火是热处理的重要环节。渗碳淬火后使齿轮轮齿表面和内部形成残余应力，残余应力对齿轮的抗疲劳强度、加工精度和抗腐蚀能力有显著的影响。但在实际工作中，传统的方法对于测量残余应力的分布有很多限制和不足，而且也很难精确地跟踪试件表面和内部的应力场变化。采用有限元模拟的方法，来研究渗碳齿轮在淬火过程中的应力场变化和最终残余应力的分布是有现实意义的。

　　众所周知，齿轮是机械设备中的关键零件，既要具有很好的耐磨性、又要具备较高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，齿轮质量的优劣直接关系到整个设备的使用寿命。而齿轮质量的好坏在很大程度上取决于齿轮材料及其热处理工艺[1]。因此，国内外都极为重视齿轮材料及其热处理技术的研究开发。雷声、柳晓鹏从齿轮热处理变形的几个主要因素入手，分析了渗碳淬火齿轮变形的原因[2-3]，文献[4-6]采取改进的渗碳淬火工艺，有效地控制了齿轮在渗碳淬火过程中的变形问题;金荣植、GlinerR E和Grepp David从生产实际角度研究了齿轮在渗碳淬火过程中的变形[7-9];Lee Geun-An则用数值模拟的方法研究了齿轮在渗碳淬火过程中的变形[10]。

　　此外，文献[11]用实验的方法研究了齿轮在渗碳淬火过程中的变形;文献[12]从设计标准的角度研究了表面硬化对齿轮抗接触疲劳寿命的影响;文献[13]研究了渗碳淬火件残余应力场的有限元模拟问题。

　　淬火是热处理工艺中最重要、用途最广泛的工序，在淬火冷却过程中，因工件内外温差导致冷缩不一致而产生淬火应力。此应力若不能适当控制，将造成工件的过量变形或开裂而报废。生产实践表明，淬火冷却过程是热处理工艺中返修率和废品率最高的工序，是热处理质量控制中最难掌握的环节。要评估淬火件的组织转变情况及淬火残余应力，必须确定淬火冷却过程零件材料内部的温度随时间的分布规律。因而淬火过程温度场的确定是优化热处理工艺，提高零件内在质量的主要依据。计算机模拟可将热处理过程的物理现象和零件的几何造型有机地结合起来，实现动态的，逼真的模拟，因此用这一技术分析和研究淬火过程已受到高度重视。有限元法是最好的选择，可以准确地描述零件的几何形状和定解条件，特别是它还能成功地处理一些非线性初边值问题，通过友好的用户接口，可很容易获得钢件淬火过程动态图，温降历程，温度分布。因而特别适合复杂零件淬火过程温度场的动态模拟。

　　本文采用ANSYS软件及其APDL语言进行建模和数值分析。通过数值模拟来研究齿轮的渗碳淬火过程，建立可靠通用的模型，得到渗碳齿轮的淬火温度场和淬火应力场的变化过程和规律，以及渗碳层对淬火残余应力场的影响。以此来指导实际生产中控制淬火过程的变形和开裂问题，提高齿轮的生产精度和使用寿命，为解决生产中的实际问题提供依据。