CN104331574A - 基于ansys有限元平台的感应淬火淬硬层深度的预测方法 - Google Patents

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陈珺
张根元
陆其清
田松亚
赵正阳
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Abstract

本发明公开了一种基于ANSYS有限元平台的感应淬火淬硬层深度的预测方法，该方法的步骤如下：（a）根据工件的技术要求，确定感应淬火时的实际工作环境；（b）根据实际工作环境在ANSYS有限元平台上构建实际感应淬火环境的有限元实体模型；（c）首先定义二维耦合场实体单元PLANE13属性，再定义材料属性，然后划分适当的有限元网格；（d）施加热源载荷和热对流约束以及边界条件至二维耦合场实体单元PLANE13的各节点上，并采用直接法对工件进行电磁热耦合分析，得到电磁热耦合计算结果；（e）对工件温度场进行计算分析。本发明可根据实际工件尺寸和设备参数改变来修改模型、载荷及约束条件，极大地减少了工件的感应淬火试验工作量，提高了分析效率和技术参数测试精度，降低了试验成本。

Description

基于ANSYS有限元平台的感应淬火淬硬层深度的预测方法
技术领域
本发明涉及一种感应淬火淬硬层深度预测方法，尤其涉及一种基于ANSYS有限元平台的感应淬火淬硬层深度预测方法。
背景技术
目前，感应淬火热处理具有高质量，再现性及适应性强等特征，是热处理行业中应用最广和发展最快的表面处理工艺之一，对其进行有限元分析可以预测感应淬火工件淬硬层深度，确定最佳工艺参数并指导生产。
为了得到满足要求的表面硬度及淬硬层深度、尺寸、组织等要求，需要对感应淬火过程中的加热、冷却及回火过程的各参数进行严格控制。
传统的材料热处理工艺通过大量试验研究，从中筛选一种比较好的处理工艺，但费时和高成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于ANSYS有限元平台的感应淬火淬硬层深度预测方法，它可根据实际工件尺寸和设备参数改变来修改模型、载荷及约束条件，极大地减少了工件的感应淬火试验工作量，提高了分析效率和技术参数测试精度，降低了试验成本。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于ANSYS有限元平台的感应淬火淬硬层深度的预测方法，该方法的步骤如下：
(a)根据工件的技术要求，确定感应淬火时的实际工作环境；
(b)根据实际工作环境在ANSYS有限元平台上构建实际感应淬火环境的有限元实体模型；
(c)首先定义二维耦合场实体单元PLANE13属性，再定义材料属性，然后划分适当的有限元网格；
(d)施加热源载荷和热对流约束以及边界条件至二维耦合场实体单元PLANE13的各节点上，并采用直接法对工件进行电磁热耦合分析，得到电磁热耦合计算结果；
(e)定义二维4节点热实体单元PLANE55属性，将经过(d)得到的电磁热耦合计算结果施加到二维4节点热实体单元PLANE55的各节点上，对工件进行温度场分析，得到温度场求解结果；
(f)根据得到的温度场求解结果导出工件的温度分布曲线，根据该温度分布曲线来判断淬硬层深度情况。
进一步，所述的步骤(f)中，根据工件材料选择适当的完全奥氏体化温度和开始奥氏体化温度，结合感应加热升温快的特点在原温度上加上一定的偏移值，再通过温度分布曲线来判断淬硬层深度情况。
进一步，所述的步骤(b)中的实际工作环境包括工件材质、工件和感应器的尺寸、工件的散热条件、工件与感应器之间的距离、空气场。
进一步，所述的步骤(c)中的材料属性包括感应器及工件的相对磁导率、工件的材料密度、工件的比热容和工件的电阻率。
进一步，所述的步骤(d)中的热源载荷和热对流约束以及边界条件包括环境温度、感应加热电流密度、工件的热传导系数及边界换热系数。
采用了上述技术方案后，由于本发明基于ANSYS有限元平台的感应淬火淬硬层深度预测方法，通过模拟计算与对比不同感应加热工艺参数，可确定感应加热工件温度场分布情况及根据工艺要求确定最佳工艺参数，从而减少试验工作量，提高感应淬火工件质量，因此本发明的基于ANSYS有限元平台的感应淬火淬硬层深度预测方法不仅使用成本较低，同时分析效率及精确度较高。
附图说明
图1是建立的轴类零件感应加热几何模型；
图2是工件的有限元分析网格模型；
图3是时间t＝4.2s的温度场云图；
图4是感应加热过程中各关键点随时间变化曲线；
图5是时间t＝4.2s时工件中部温度的径向温度分布曲线。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
如图1～4所示，利用ANSYS有限元分析软件对S45C钢光轴进行感应淬火中的感应加热进行温度场分析，包括以下步骤：
(a)根据工件的技术要求，确定感应淬火时的实际工作环境：其中，需要确定感应加热条件：感应加热频率f＝186kHz、加热时间t＝4.2s、电流密度Js＝700×106A/m2；工件是直径Φ16mm，长度为30mm的光轴；感应线圈内径为Φ20mm，高度为8mm；
(b)对轴对称工件的1/2进行一维建模，感应器以集肤深度进行建模，同时考虑工件和感应圈之间的间隙，以及周围的空气场。工件表面划分较密，心部较粗，纵向划分精度为0.25mm；感应圈划分为20×32个单元格；空气场采用自由划分的方式。模型如图1所示，其中A1区代表工件，A2区为感应圈，A3为空气场；
(c)定义二维耦合场实体单元PLANE13属性及材料属性，材料属性包括材料的密度，在不同温度下的磁导率μ、比热容c、电阻率ρ；
(d)进入电磁热耦合求解过程：定义热源载荷和热对流约束以及边界条件，其包括环境温度、感应加热电流密度、工件的热传导系数及边界换热系数，施加热源载荷和热对流约束以及边界条件至二维耦合场实体单元PLANE13的各节点上，并采用直接法对工件进行电磁热耦合分析，得到电磁热耦合计算结果；
(e)再将耦合计算单元PLANE13转化为温度计算单元PLANE55，读取电磁热耦合计算结果作为载荷施加到各节点上，进行温度场的求解；温度场为不同时刻和不同区域温度，时间t＝4.2s的温度场云图如图3所示，
(f)读取温度场求解结果，导出沿工件径向温度分布曲线，根据该温度分布曲线判断淬硬层深度情况，其中，感应加热过程中各关键点随时间变化曲线如图4所示，时间t＝4.2s时工件中部温度的径向温度分布曲线如图5所示，具体判断过程如下：材料S45C钢的值分别为778℃、721℃，由于感应加热时间短，需要比普通淬火过热30～50℃以满足完全、开始奥氏体化，所以S45C钢感应淬火取完全奥氏体化温度820℃，超出此温度淬火冷却为100％马氏体组织(M)，对应完全淬硬层；开始奥氏体化温度760℃，低于此温度全部为材料处理前的组织，对应淬硬层；完全奥氏体化和开始奥氏体化中间温度为790℃，此处淬火产生50％M组织，对应有效淬硬层，因此可以通过温度分布曲线来判断淬硬层深度，其中完全淬硬层深度为1.62mm，有效淬硬层深度为2.02mm，淬硬层深度为2.40mm。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于ANSYS有限元平台的感应淬火淬硬层深度的预测方法，其特征在于该方法的步骤如下：
(a)根据工件的技术要求，确定感应淬火时的实际工作环境；
(b)根据实际工作环境在ANSYS有限元平台上构建实际感应淬火环境的有限元实体模型；
(c)首先定义二维耦合场实体单元PLANE13属性，再定义材料属性，然后划分适当的有限元网格；
(d)施加热源载荷和热对流约束以及边界条件至二维耦合场实体单元PLANE13的各节点上，并采用直接法对工件进行电磁热耦合分析，得到电磁热耦合计算结果；
(e)定义二维4节点热实体单元PLANE55属性，将经过(d)得到的电磁热耦合计算结果施加到二维4节点热实体单元PLANE55的各节点上，对工件进行温度场分析，得到温度场求解结果；
(f)根据得到的温度场求解结果导出工件的温度分布曲线，根据该温度分布曲线来判断淬硬层深度情况。
2.根据权利要求1所述的基于ANSYS有限元平台的感应淬火淬硬层深度的预测方法，其特征在于：所述的步骤(f)中，根据工件材料选择适当的完全奥氏体化温度和开始奥氏体化温度，结合感应加热升温快的特点在原温度上加上一定的偏移值，再通过温度分布曲线来判断淬硬层深度情况。
3.根据权利要求1所述的基于ANSYS有限元平台的感应淬火淬硬层深度的预测方法，其特征在于：所述的步骤(b)中的实际工作环境包括工件材质、工件和感应器的尺寸、工件的散热条件、工件与感应器之间的距离、空气场。
4.根据权利要求1所述的基于ANSYS有限元平台的感应淬火淬硬层深度的预测方法，其特征在于：所述的步骤(c)中的材料属性包括感应器及工件的相对磁导率、工件的材料密度、工件的比热容和工件的电阻率。
5.根据权利要求1所述的基于ANSYS有限元平台的感应淬火淬硬层深度的预测方法，其特征在于：所述的步骤(d)中的热源载荷和热对流约束以及边界条件包括环境温度、感应加热电流密度、工件的热传导系数及边界换热系数。
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