CN112149333B - 轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轴承滚道激光‑感应复合淬火工艺参数优化方法，优化方法包括以下步骤：获取轴承参数；构建感应预热热源模型和激光加热热源模型；基于所述感应预热热源模型进行轴承滚道的感应预热过程有限元分析，得到初优化的工艺参数和对应的感应预热功率；在当前工艺参数和所述感应预热功率下，根据所述感应预热热源模型和激光加热热源模型进行轴承滚道的激光‑感应复合淬火过程有限元分析，获得数值模拟结果，包括该工艺参数下轴承滚道不同位置的温度分布及硬化层深度的分布云图；直至所述数值模拟结果达到工艺要求，得到最终优化后的工艺参数。与现有技术相比，本发明具有有效满足滚动轴承滚道表面处理要求、优化效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴承滚道表面处理工艺，尤其是涉及一种轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法。
背景技术
滚动轴承在使用过程中，内、外圈滚道易发生磨损和疲劳失效，严重影响轴承的使用寿命。在工程应用中，通常需要对轴承滚道进行表面处理，以提高表面的机械性能。常用的表面处理技术包括渗氮淬火、感应淬火、激光淬火、激光熔覆等。其中激光淬火技术具有变形小、效率高、能够对形状复杂的表面进行处理等优点。与传统的热处理工艺相比，激光淬火后硬化层硬度较常规淬火能够提高15％以上。
激光淬火技术又称激光相变硬化技术，其原理是以高能量密度的激光束照射工件表面，使其需要硬化部位瞬间吸收光能并立即转化为热能，从而使激光作用区域的温度急剧上升形成奥氏体，随后由于基体的热传导作用，激光作用区域快速冷却，发生自身淬火，获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层。此外，激光淬火后，表面硬化层的残余应力为压应力，能够松弛材料内部的应力集中，有效抑制裂纹的扩展，提高工件的耐疲劳性能。
激光淬火工艺的工艺参数较为复杂，包括激光功率、激光光斑宽度和扫描速度等，工艺参数的选择对激光淬火硬化层的形貌将产生较大影响。由于轴承滚道的材料、几何形状和工作环境存在差异，对硬化层形貌、深度等要求各不相同，因此对于特定轴承，应根据工艺要求对工艺参数进行优化。目前，激光淬火工艺参数主要通过经验或试制来确定，这种工艺研发方法成本较高，造成材料和能源的大量浪费，在试制过程中通过实验的方法测定温度及硬化层深度较为复杂，效率很低，延长了研发周期。此外，激光淬火工艺还有硬化层较浅的局限性。由于激光对轴承滚道的热输入过高会导致表面材料的熔化，影响表面质量，因此激光淬火的硬化层深度通常不超过2mm，在很多情况下无法满足工艺要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效满足滚动轴承滚道表面处理要求、优化效率高的轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法，所述激光-感应复合淬火工艺中，采用感应预热方式对轴承滚道进行预热，并采用激光加热方式对轴承滚道进行相变硬化处理，所述工艺参数包括扫描速度、激光功率、激光光斑宽度、感应预热温度和感应预热宽度，
所述优化方法包括以下步骤：
1)获取轴承参数；
2)在当前工艺参数下，构建感应预热热源模型和激光加热热源模型；
3)基于所述感应预热热源模型进行轴承滚道的感应预热过程有限元分析，得到初优化的工艺参数和对应的感应预热功率；
4)在当前工艺参数和所述感应预热功率下，根据所述感应预热热源模型和激光加热热源模型进行轴承滚道的激光-感应复合淬火过程有限元分析，获得数值模拟结果，包括该工艺参数下轴承滚道不同位置的温度分布及硬化层深度的分布云图；
5)重复步骤2)-4)，直至所述数值模拟结果达到工艺要求，得到最终优化后的工艺参数。
进一步地，所述激光加热热源模型中的面热流密度分布公式为：
其中，α为工件材料的激光吸收率，Q为激光功率，p(x,y)为激光热源的热流密度的分布函数，a为激光光斑长度，b为激光光斑宽度。
进一步地，所述感应预热热源模型中的体热流密度分布公式为：
其中，P为感应预热功率，A为线圈长度，B为线圈宽度，δ为电流透入深度。
进一步地，所述轴承参数包括轴承的材料参数和相变动力学参数，所述材料参数包括热物理性能参数、与冷却介质的换热系数、电阻率和导磁率。
进一步地，所述有限元分析中，建立轴承滚道的几何模型，根据工艺要求对所述几何模型进行网格划分，且在划分网格时，硬化层区域内的网格密度大于硬化层区域外的网格密度。
进一步地，所述硬化层深度基于激光-感应复合淬火后，轴承滚道表层不同层深处的马氏体体积分数确定。
进一步地，所述激光-感应复合淬火过程包括加热过程和冷却过程，在加热过程中，轴承滚道表层的原始组织发生奥氏体转变，在冷却过程中，奥氏体转变为马氏体，基于组织转变过程计算获得所述轴承滚道表层不同层深处的马氏体体积分数。
进一步地，所述加热过程中采用的奥氏体转变模型为Avrami方程。
进一步地，所述冷却过程中采用的马氏体转变模型为K-M方程。
进一步地，所述进行轴承滚道的激光-感应复合淬火过程有限元分析时，设置的边界条件包括激光加热的面热流边界条件、感应预热的体热流边界条件以及轴承滚道与冷却介质换热的面对流换热边界条件。
本发明还提供一种轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化装置，包括处理器和存储处理器可执行指令的存储器，其中，所述处理器耦合于所述存储器，用于读取所述存储器存储的程序指令，并作为响应，执行如上所述方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用激光-感应复合淬火工艺对轴承滚道进行表面处理，即先通过感应加热对其低温预热，再通过激光淬火引发表层材料相变，形成硬化层。该工艺既克服了激光淬火硬化层较浅的缺点，又保留了激光淬火的优势，有效满足滚动轴承滚道表面处理的要求。
本发明构建基于温度-组织-应力三场耦合的激光-感应复合淬火数值模拟模型，运用数值模拟技术对激光-感应复合淬火过程中轴承滚道的温度场和组织场变化进行预测，直观地展现硬化层的深度，通过与少量实验验证相结合，高效经济地对工艺参数进行优化，提高优化效率，减少材料能源的浪费，降低研发成本。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为实施例中轴承滚道截面的网格划分示意图；
图3为实施例中激光-感应复合淬火过程中T＝20s时刻的温度分布云图；
图4为实施例中轴承滚道表面某点的温度随时间的变化曲线；
图5为实施例中激光-感应复合淬火后的硬化层分布云图；
图6为实施例中优化后激光-感应复合淬火过程中T＝20s时刻的温度分布云图；
图7为实施例中优化后轴承滚道表面某点的温度随时间的变化曲线；
图8为实施例中优化后激光-感应复合淬火后的硬化层分布云图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供一种轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法，激光-感应复合淬火工艺中，采用感应预热方式对轴承滚道进行预热，以提高激光淬火后的硬化层深度，并采用激光加热方式对轴承滚道进行相变硬化处理，需要优化的工艺参数包括扫描速度、激光功率、激光光斑宽度、感应预热温度和感应预热宽度。
如图1所示，该优化方法包括以下步骤：
步骤一：获取轴承参数。轴承参数包括轴承的材料参数和相变动力学参数，材料参数包括热物理性能参数、与冷却介质的换热系数、电阻率和导磁率。其中，热物理性能参数以及与冷却介质的换热系数用于计算轴承滚道的传热；电阻率、导磁率用于计算轴承滚道在感应预热的电流透入深度。
步骤二：在当前工艺参数下，构建感应预热热源模型和激光加热热源模型，用于获取有限元分析的热流边界条件，以模拟激光和感应线圈对轴承滚道的热效应。
激光加热热源模型中的面热流密度分布公式为：
其中，α为工件材料的激光吸收率，Q为激光功率，p(x,y)为激光热源的热流密度的分布函数，a为激光光斑长度，b为激光光斑宽度。
感应预热热源模型中的体热流密度分布公式为：
其中，P为感应预热功率，A为线圈长度，B为线圈宽度，δ为电流透入深度。感应预热功率的计算公式为P＝U*I，其中U为感应线圈电压，I为感应线圈电流；电流透入深度的计算公式为：
其中ρ为电阻率，f为感应线圈电流频率，μ为导磁率。
步骤三：基于感应预热热源模型进行轴承滚道的感应预热过程有限元分析，得到初优化的工艺参数和对应的感应预热功率。
步骤四：在当前工艺参数和感应预热功率下，根据感应预热热源模型和激光加热热源模型进行轴承滚道的激光-感应复合淬火过程有限元分析，获得数值模拟结果，包括该工艺参数下轴承滚道不同位置的温度分布及硬化层深度分布云图。
上述有限元分析中，建立轴承滚道的几何模型，根据工艺要求对几何模型进行网格划分，且在划分网格时，硬化层区域内的网格密度大于硬化层区域外的网格密度。
上述步骤四的有限元分析过程具体为：
101)设置轴承材料在20-1300℃温度范围内的密度、比热容和热导率；
102)根据热源模型编写激光加热、感应预热的热源加载程序；
103)设置轴承的相变动力学参数；
104)设置激光-感应复合淬火过程的初始条件和边界条件，边界条件包括激光加热的面热流边界条件、感应预热的体热流边界条件以及轴承滚道与冷却介质换热的面对流换热边界条件；
105)设置激光-感应复合淬火的加热工况及加载步骤，并提交计算；
106)保存激光-感应复合淬火过程中轴承滚道不同位置温度随时间的变化曲线及硬化层的分布云图。
硬化层深度基于激光-感应复合淬火后，轴承滚道表层不同层深处的马氏体体积分数确定。激光-感应复合淬火过程包括加热过程和冷却过程，在加热过程中，轴承滚道表层的原始组织发生奥氏体转变，在冷却过程中，奥氏体转变为马氏体，基于组织转变过程计算获得轴承滚道表层不同层深处的马氏体体积分数。
本实施例中，加热过程中采用的奥氏体转变模型为Avrami方程：
f＝1-exp(-b*tn)
其中：f为新相的体积分数，b，n为相变动力学常数，t为等温时间。
冷却过程中采用的马氏体转变模型为K-M方程：
f＝1-exp[-α*(Ms-T)]
其中：f为新相的体积分数，α为相变动力学常数，Ms为马氏体转变的起始温度，T为当前温度。
步骤五：重复步骤二至步骤四，直至数值模拟结果达到工艺要求，得到最终优化后的工艺参数，具体地：
201)通过当前工艺参数下轴承滚道不同位置温度随时间的变化曲线和硬化层的分布云图判断温度、硬化层深度是否满足工艺要求，若是，则执行步骤204)，若否，则执行步骤202)；
202)在激光设备允许的工艺参数范围内调整激光加热工艺参数，并执行步骤二至步骤四，判断调整后的温度、硬化层深度是否满足工艺要求，若是，则执行步骤204)，若否，则再次执行本步骤；若已无法在激光设备允许的工艺参数范围内获得合适的激光加热工艺参数，则执行步骤203)；
203)依次调整扫描速度、感应预热宽度和感应预热温度，执行步骤202)；
204)记录调整后满足工艺要求的各工艺参数，完成工艺优化。
本实施例以42CrMo材质的风电轴承滚道为例。轴承滚道宽度为146mm，激光光斑长度与轴承滚道宽度相等。工艺要求为激光-感应复合淬火过程中轴承滚道的最高温度不超过1400℃，且硬化层深度大于5mm，冷却方式为喷水冷却，感应预热与激光加热间距为5mm，激光加热与喷水冷却间距为5mm。当前待优化的工艺参数为：扫描速度为3mm/s，初始预热温度为600℃，感应预热宽度为40mm，激光功率13.5kW，激光光斑宽度为10mm。
本实施例中，42CrMo的激光吸收率为α＝85％。激光光斑长度a＝0.146m，初始激光光斑宽度b＝0.01m。初始激光功率P＝13500W。激光光斑的能量密度可认为均匀分布，即p(x,y)＝1。建立当前工艺参数下激光加热热源模型。面热流密度(W/m2)分布公式：
电流透入深度δ经计算为3.6mm，建立当前工艺参数下感应预热热源模型，感应预热热源模型的体热流密度(W/m3)分布公式：
本实施例采用商用有限元软件MSC.Marc进行模拟计算。通过实验及软件材料数据库获取42CrMo材料20-1500℃温度范围内的密度、比热容和热导率。通过DL-805A/D/T淬火膨胀仪，测定了42CrMo试样在等温过程的膨胀量。使用试样膨胀数据换算获取42CrMo材料在等温过程中的真应变变化，进而由真应变变化确定相关的临界相变时间，对膨胀曲线做归一化处理后拟合了不同等温温度下的相变动力学参数。轴承滚道与空气的换热系数(W/(m2℃))采用对流-辐射复合换热系数(Chaowen Li,Microstructure,hardness andstress in melted zone of 42CrMo steel by wide-band laser surface melting,2011)：
轴承滚道与水的换热系数(W/(m2℃))为20000。
本实施例建立的轴承滚道的几何模型及划分网格结果如图2所示。根据上述步骤三和步骤四进行有限元分析，获得的感应预热功率P＝15.8kW，并根据获得的数据在MSC.Marc软件中完成各项设置并计算。图3为激光-感应复合淬火过程中T＝20s时刻的温度分布云图，图4为轴承滚道表面某点的温度随时间的变化曲线，图5为激光-感应复合淬火后的硬化层分布云图。
根据数值模拟结果，在当前工艺参数下，激光-感应复合淬火过程中轴承滚道上的最高温度为1298.1℃，未超过1400℃，符合工艺要求。但硬化层深度仅为4.3mm，未满足工艺要求，因此需要进行工艺参数优化。
在激光设备允许的工艺参数范围内调整激光加热工艺参数，并通过数值模拟验证工艺优化效果，本实施例目前无法获得满足工艺要求的工艺参数，故考虑将扫描速度减小为2.5mm/s。
在2.5mm/s的扫描速度下，保持感应预热工艺参数不变，调整激光功率为15kW，激光光斑宽度为15mm。在此工艺参数下进行数值模拟验证，图6为优化后激光-感应复合淬火过程中T＝20s时刻的温度分布云图，图7为优化后轴承滚道表面某点的温度随时间的变化曲线，图8为优化后激光-感应复合淬火后的硬化层分布云图。优化工艺参数后，激光-感应复合淬火过程中轴承滚道上的最高温度为1291.6℃，硬化层深度为5.2mm，均符合工艺要求。记录该工艺参数，工艺优化过程完成。
为验证数值模拟结果的准确性，采用实验的方法对数值模拟模型进行检验。对本实施例，实验试样采用尺寸为100mm*80mm*50mm的42CrMo板料，共设计4组不同工艺参数的验证实验。4组工艺参数中，冷却方式为喷水冷却，感应预热与激光加热间距为5mm，激光加热与喷水冷却间距为5mm，感应预热温度为600℃，感应预热宽度为20mm，激光功率2500W，激光光斑宽度为37mm。改变扫描速度，分别测量4组工艺参数下实验得到的硬化层深度，并与数值模拟结果进行对比，对比结果见表1。验证实验的结果证明了该数值模拟模型的准确性，故本发明中提出的工艺优化方案对实际生产问题的解决具有指导意义。
表1各工艺参数实验与模拟结果对比
| 序号 | 扫描速度(mm/s) | 实验硬化层深(mm) | 模拟硬化层深(mm) |
| 1 | 0.5 | 6.1 | 6.0 |
| 2 | 1 | 4.7 | 4.7 |
| 3 | 3 | 2.1 | 2.0 |
| 4 | 5 | 0.8 | 1.5 |
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法，其特征在于，所述激光-感应复合淬火工艺中，采用感应预热方式对轴承滚道进行预热，并采用激光加热方式对轴承滚道进行相变硬化处理，所述工艺参数包括扫描速度、激光功率、激光光斑宽度、感应预热温度和感应预热宽度，
所述优化方法包括以下步骤：
1)获取轴承参数，所述轴承参数包括轴承的材料参数和相变动力学参数，所述材料参数包括热物理性能参数、与冷却介质的换热系数、电阻率和导磁率；
2)在当前工艺参数下，构建感应预热热源模型和激光加热热源模型，用于获取有限元分析的热流边界条件，以模拟激光和感应线圈对轴承滚道的热效应；
3)基于所述感应预热热源模型进行轴承滚道的感应预热过程有限元分析，得到初优化的工艺参数和对应的感应预热功率；
4)在当前工艺参数和所述感应预热功率下，设置激光-感应复合淬火过程的初始条件和边界条件，所述边界条件包括激光加热的面热流边界条件、感应预热的体热流边界条件以及轴承滚道与冷却介质换热的面对流换热边界条件，根据所述感应预热热源模型和激光加热热源模型进行轴承滚道的激光-感应复合淬火过程有限元分析，获得数值模拟结果，包括该工艺参数下轴承滚道不同位置的温度分布及硬化层深度的分布云图；
所述的有限元分析过程具体为：
101)设置轴承材料在20-1300℃温度范围内的密度、比热容和热导率；
102)根据热源模型编写激光加热、感应预热的热源加载程序；
103)设置轴承的相变动力学参数；
104)设置激光-感应复合淬火过程的初始条件和边界条件，边界条件包括激光加热的面热流边界条件、感应预热的体热流边界条件以及轴承滚道与冷却介质换热的面对流换热边界条件；
105)设置激光-感应复合淬火的加热工况及加载步骤，并提交计算；
106)保存激光-感应复合淬火过程中轴承滚道不同位置温度随时间的变化曲线及硬化层的分布云图；
5)重复步骤2)-4)，直至所述数值模拟结果达到工艺要求，得到最终优化后的工艺参数，具体包括：
201)通过当前工艺参数下轴承滚道不同位置温度随时间的变化曲线和硬化层的分布云图判断温度、硬化层深度是否满足工艺要求，若是，则执行步骤204)，若否，则执行步骤202)；
202)在激光设备允许的工艺参数范围内调整激光加热工艺参数，并执行步骤2至步骤4，判断调整后的温度、硬化层深度是否满足工艺要求，若是，则执行步骤204)，若否，则再次执行本步骤；若已无法在激光设备允许的工艺参数范围内获得合适的激光加热工艺参数，则执行步骤203)；
203)依次调整扫描速度、感应预热宽度和感应预热温度，执行步骤202)；
204)记录调整后满足工艺要求的各工艺参数，完成工艺优化；
所述激光加热热源模型中的面热流密度分布公式为：
其中，α为工件材料的激光吸收率，Q为激光功率，p(x,y)为激光热源的热流密度的分布函数，a为激光光斑长度，b为激光光斑宽度；
所述感应预热热源模型中的体热流密度分布公式为：
其中，P为感应预热功率，A为线圈长度，B为线圈宽度，δ为电流透入深度；
所述硬化层深度基于激光-感应复合淬火后，轴承滚道表层不同层深处的马氏体体积分数确定，所述激光-感应复合淬火过程包括加热过程和冷却过程，在加热过程中，轴承滚道表层的原始组织发生奥氏体转变，在冷却过程中，奥氏体转变为马氏体，基于组织转变过程计算获得所述轴承滚道表层不同层深处的马氏体体积分数；所述加热过程中采用的奥氏体转变模型为Avrami方程；所述冷却过程中采用的马氏体转变模型为K-M方程。
2.根据权利要求1所述的轴承滚道激光-感应复合淬火工艺参数优化方法，其特征在于，所述有限元分析中，建立轴承滚道的几何模型，根据工艺要求对所述几何模型进行网格划分，且在划分网格时，硬化层区域内的网格密度大于硬化层区域外的网格密度。
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