论文部分内容阅读
齿轮轴是机械中重要的零件之一，机器中作回转运动的零件主要集中在齿轮轴上。针对大齿轮轴的传统的热处理工艺，如表面渗碳淬火等，过程复杂，成本较高。本文利用钢的淬透性和淬硬层，结合两种常用的齿轮轴用钢(40Cr钢和AISI4350钢)，基于有限元数值模拟软件ABAQUS，对大齿轮轴的一次性淬火工艺进行仿真模拟，分析其淬火过程中温度场分布规律和齿轮轴的淬硬层特点，提出控制大齿轮轴淬硬层的合理热处理方案。本文首先从AISI4350钢的性能开始，研究了淬硬转变的动力学，得到了马氏体转变动力学方程和AISI4350钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线。通过热模拟实验获得了AISI4350钢的真应力-真应变曲线。在所有曲线中，当应变速率不变时，峰值应力和稳态时的流变应力基本差别不大。建立了AISI4350钢的变形本构关系，利用变形本构方程计算了AISI4350钢的0.2，和实验值对比最大相对误差小于7%，二者非常吻合。通过人工神经网络(ANN)对AISI4350钢的热变形真应力-真应变曲线进行预测，避免了复杂的数学公式处理，得到和试验所测的吻合很高的曲线。基于ABAQUS有限元软件，建立了试样淬火过程的有限元模型，分别模拟计算了40Cr钢和AISI4350钢的端淬过程的温度场和组织场分布，计算了端淬后试样的硬度分布。通过对40Cr钢和AISI4350钢分别进行Jominy试验，测得两种钢的淬透性分布曲线，进而得到40Cr钢的淬硬层厚度大约12mm，AISI4350钢的淬透性很高，水淬时基本上都淬透。对比试验和计算所得的硬度分布曲线，二者吻合很好。并且，在淬硬层内部，40Cr钢和AISI4350钢的计算硬度和试验硬度吻合较好，表明所建立的模型可以用于端淬试验的仿真。最后，基于前面对钢的淬火过程的模拟研究，将淬火模型应用到大齿轮轴上，研究不同淬火介质、不同热处理方式下，大齿轮轴的热处理过程的温度场、组织场和淬硬层分布特点。25℃水淬时，40Cr齿轮轴齿端的淬硬层大约为35mm，齿面的淬硬层厚度大约为10mm。AISI4350钢齿轮轴的齿轮轴齿端的淬硬层大于35mm，齿面的淬硬层厚度大约为20mm。温度对水的换热系数影响比较大。80℃水的淬火后齿轮轴齿端的淬硬层的厚度为5mm，远小于25℃水淬的淬硬层厚度35mm。不同的淬火介质直接影响齿轮轴的淬硬层厚度。用25℃油淬火得到的淬硬层比较小于25℃PVA淬火得到的淬硬层。25℃PVA和25℃水的淬火冷却特性比较接近，淬硬层的厚度以及硬度也相近。此外，对一次淬火过程中，齿轮轴轴颈处的温度场、组织场和硬度分布进行了研究。距离轴颈端部20mm处的淬硬层厚度是20mm，而50mm处的淬硬层厚度大约是10mm。