伞齿轮淬火变形的有限元模拟

　　齿轮类零件在现代工业中扮演着重要的角色。有传动的地方就会用到齿轮。但是齿轮类工件在加工过程中，最大的加工难题便是热处理变形问题。齿轮变形导致巨大的经济损失，仅1996年一年，德国用于处理齿轮变形的加工精磨成本就有8.5亿欧元[1]。2010年，美国齿轮制造协会在会议上再次强调减小传动部件加工变形的重要性[2]。很多工件由于淬火畸变过大，加工精磨难以消除变形，导致齿轮生产中材料的利用率只有30%-50%[3]，使生产成本大大增加，造成了资源的极大浪费。因此减少齿轮类零件热处理变形受到了世界各国工程技术人员的重视，并做出了大量的研究[4-6]。最常用的方式是利用表面热处理技术(如渗碳淬火和感应淬火等)[7]。1990年V.A.Murzin等人[8]就气体渗碳和淬火过程中的工艺参数对齿轮淬火变形的影响规律做了总结。姜世杭等人[9]对20CrMnTiH钢的螺伞齿轮的热处理变形大小以及变形趋势进行了分析。康国华[10]针对伞齿轮工件模压淬火过程中平台中部凸起现象、平面度和内孔的椭圆度超差问题进行了大量试验，分析了齿轮产生畸变的原因。T.Sugimoto等人[11]用有限元模拟了渗碳螺旋伞齿轮的高压气淬过程，分析了气压、气体流速和冷速等对高压气淬的影响规律。宋广胜等[12]利用有限元法模拟了一齿环的淬火过程，预测了该零件的应力分布情况，并进行了实验验证。随着计算机技术的发展，有限元数值模拟技术被越来越多的应用到热处理变形控制中，并取得了很好的成果，针对国家节能减排，实现可持续发展的政策，齿轮类零件热处理变形控制的数值模拟方法值得推广和发展。

　　1 材料与研究方法

　　选用的钢种为18CrNi4，属含镍较高的优质合金结构钢，具有高的强度和韧性，并具有良好的淬透性，在航空工业中应用广泛。适合于制造心部要求高强度、高韧性，而表面又要求高硬度、高耐磨性的重要渗碳零件，18CrNi4钢渗碳后可做较大截面的齿轮、齿圈和曲轴等，其原始组织如图1所示。

　　将棒料线切割成10mm×10mm×8mm和25mm×25mm×10mm的小方块。用10mm×10mm×8mm的方块做化学分析，测C、Cr、Ni、Mn、Si、W元素的成分。用荧光光谱分析的方法在25mm×25mm×10mm的小方块上测定剩余元素的含量，得到材料的成分，如表1所示。

　　在淬火过程中，当发生相转变时会释放出相变潜热。相变潜热是一个不容忽略的因素。在处理相变潜热问题时，主要采用的方法有三种:

　　(1)等效热量法;

　　(2) 等效热熔法;

　　(3) 比热焓法。