中低碳鋼大型齒輪軸熱處理數值模擬與淬硬層預報.pdf

1、齒輪軸是機械中重要的零件之一，機器中作回轉運動的零件主要集中在齒輪軸上。針對大齒輪軸的傳統(tǒng)的熱處理工藝，如表面滲碳淬火等，過程復雜，成本較高。本文利用鋼的淬透性和淬硬層，結合兩種常用的齒輪軸用鋼(40Cr鋼和AISI4350鋼)，基于有限元數值模擬軟件ABAQUS，對大齒輪軸的一次性淬火工藝進行仿真模擬，分析其淬火過程中溫度場分布規(guī)律和齒輪軸的淬硬層特點，提出控制大齒輪軸淬硬層的合理熱處理方案。
　　本文首先從AISI4350鋼的

2、性能開始，研究了淬硬轉變的動力學，得到了馬氏體轉變動力學方程和AISI4350鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變曲線。通過熱模擬實驗獲得了AISI4350鋼的真應力-真應變曲線。在所有曲線中，當應變速率不變時，峰值應力和穩(wěn)態(tài)時的流變應力基本差別不大。建立了AISI4350鋼的變形本構關系，利用變形本構方程計算了AISI4350鋼的σ0.2，和實驗值對比最大相對誤差小于7％，二者非常吻合。通過人工神經網絡(ANN)對AISI4350鋼的熱變形真應

3、力-真應變曲線進行預測，避免了復雜的數學公式處理，得到和試驗所測的吻合很高的曲線。
　　基于ABAQUS有限元軟件，建立了試樣淬火過程的有限元模型，分別模擬計算了40Cr鋼和AISI4350鋼的端淬過程的溫度場和組織場分布，計算了端淬后試樣的硬度分布。通過對40Cr鋼和AISI4350鋼分別進行Jominy試驗，測得兩種鋼的淬透性分布曲線，進而得到40Cr鋼的淬硬層厚度大約12mm，AISI4350鋼的淬透性很高，水淬時基本上都淬

4、透。對比試驗和計算所得的硬度分布曲線，二者吻合很好。并且，在淬硬層內部，40Cr鋼和AISI4350鋼的計算硬度和試驗硬度吻合較好，表明所建立的模型可以用于端淬試驗的仿真。
　　最后，基于前面對鋼的淬火過程的模擬研究，將淬火模型應用到大齒輪軸上，研究不同淬火介質、不同熱處理方式下，大齒輪軸的熱處理過程的溫度場、組織場和淬硬層分布特點。25℃水淬時，40Cr齒輪軸齒端的淬硬層大約為35mm，齒面的淬硬層厚度大約為10mm。AISI4

5、350鋼齒輪軸的齒輪軸齒端的淬硬層大于35mm，齒面的淬硬層厚度大約為20mm。溫度對水的換熱系數影響比較大。80℃水的淬火后齒輪軸齒端的淬硬層的厚度為5mm，遠小于25℃水淬的淬硬層厚度35mm。不同的淬火介質直接影響齒輪軸的淬硬層厚度。用25℃油淬火得到的淬硬層比較小于25℃PVA淬火得到的淬硬層。25℃PVA和25℃水的淬火冷卻特性比較接近，淬硬層的厚度以及硬度也相近。
　　此外，對一次淬火過程中，齒輪軸軸頸處的溫度場、組織