DE102022211412A1 - Method, program and device for cooling simulation and cooling method for a workpiece - Google Patents
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Abstract
[Aufgabe] Bereitstellung eines Verfahrens, eines Programms und einer Vorrichtung zur Abkühlungssimulation, durch welche die Rechenzeit verkürzt werden kann, sowie eines Kühlverfahrens für ein Werkstück.[Lösung] Bei dem Verfahren zur Abkühlungssimulation handelt es sich um ein Verfahren zur Abkühlungssimulation, um eine Temperaturänderung im Inneren eines Werkstücks, wenn das erwärmte Werkstück mit einem Kühlmittel in Kontakt gebracht wurde, zu prognostizieren. Bei diesem Verfahren zur Abkühlungssimulation werden die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberfläche des Werkstücks durch eine Verlaufsanalyse des Kühlmittels mittels einer Wärmeflusssimulation und die Temperaturänderung im Inneren des Werkstücks basierend auf der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks und der berechneten Strömungsgeschwindigkeit berechnet.[Task] To provide a method, a program and an apparatus for cooling simulation, which can shorten the calculation time, and a cooling method for a workpiece. [Solution] The method for cooling simulation is a method for cooling simulation, a temperature change inside a workpiece when the heated workpiece has been contacted with a coolant. In this cooling simulation method, the flow rate of the coolant on the surface of the workpiece is calculated by a history analysis of the coolant using a heat flow simulation, and the temperature change inside the workpiece is calculated based on the temperature of the surface of the workpiece and the calculated flow rate.
Description
[Technisches Gebiet][Technical Field]
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Programm und eine Vorrichtung zur Abkühlungssimulation sowie ein Kühlverfahren für ein Werkstück.The embodiment of the present invention relates to a cooling simulation method, program and apparatus, and a cooling method for a workpiece.
[Hintergrundtechnologie][background technology]
Beim Abschrecken eines Stahlbauteils erfolgt nach einer Erwärmung eines Werkstücks auf eine Temperatur größer oder gleich der Austenit-Transformationstemperatur ein plötzliches Abkühlen des Werkstücks durch den Kontakt der Werkstückoberfläche mit einem Kühlmittel. Dieses Abkühlungsverhalten beeinflusst Eigenschaften wie die Härte, die Verformungsgröße, die Restspannung usw. der jeweiligen Teile des Werkstücks nach dem Abschrecken. Da es zahlreiche Faktoren gibt, die das Abkühlungsverhalten beeinflussen, z. B. das Material und die Form des Werkstücks, das Abkühlungsverfahren, der Werkstück-Installationszustand beim Abkühlen, die Art und Durchflussmenge des Kühlmittels usw., kostet die Festlegung der optimalen Abkühlungsbedingungen für das Abschrecken durch ein Ausprobieren mittels einer echten Maschine viel Zeit und verursacht hohe Kosten. Daher wird in letzter Zeit versucht, das Abkühlungsverhalten durch eine Wärmeflusssimulation mittels eines numerischen Analyseverfahrens wie dem Finite-Volumen-Verfahren oder dem Finite-Differenzen-Verfahren, dem Partikel-Verfahren usw. zu prognostizieren.When quenching a steel component, after a workpiece has been heated to a temperature greater than or equal to the austenite transformation temperature, the workpiece suddenly cools down as a result of the workpiece surface coming into contact with a coolant. This cooling behavior affects properties such as hardness, strain magnitude, residual stress, etc. of the respective parts of the workpiece after quenching. Since there are numerous factors that influence the cooling behavior, e.g. B. the material and shape of the workpiece, the cooling method, the workpiece installation state in cooling, the type and flow rate of coolant, etc., determining the optimum cooling conditions for quenching by trial and error using a real machine takes a lot of time and causes high costs Costs. Therefore, attempts have recently been made to predict the cooling behavior by means of a heat flow simulation using a numerical analysis method such as the finite volume method or the finite difference method, the particle method, etc.
Um die Abkühlung mit einer ausreichenden Präzision bei der praktischen Anwendung zu simulieren, muss allerdings das Siedephänomen des Kühlmittels berücksichtigt werden. Das Siedephänomen ist kompliziert und besteht aus einem Membransieden, einem Kernsieden usw., sodass eine akkurate Simulation des Abkühlungsverhaltens des Werkstücks einschließlich des Siedephänomens des Kühlmittels sehr komplex wird und viel Rechenzeit in Anspruch nimmt.However, in order to simulate the cooling with sufficient precision in practical use, the boiling phenomenon of the coolant must be taken into account. The boiling phenomenon is complicated and consists of membrane boiling, core boiling, etc., so an accurate simulation of the cooling behavior of the workpiece including the boiling phenomenon of the coolant becomes very complex and takes a lot of calculation time.
[Dokumente des Standes der Technik][Prior Art Documents]
[Patentdokumente][patent documents]
[Patentdokument 1] Patentveröffentlichung Nr.
[Übersicht über die Erfindung][Outline of the Invention]
[Durch die Erfindung zu lösende Aufgabe][Problem to be solved by the invention]
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezweckt die Bereitstellung eines Verfahrens, eines Programms und einer Vorrichtung zur Abkühlungssimulation, durch welche die Rechenzeit verkürzt werden kann, sowie eines Kühlverfahrens für ein Werkstück.The embodiment of the present invention aims to provide a cooling simulation method, a program and an apparatus by which the calculation time can be shortened, and a cooling method for a workpiece.
[Mittel zum Lösen der Aufgabe][means for solving the task]
Bei dem Verfahren zur Abkühlungssimulation gemäß der Ausführungsformen dieser Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Abkühlungssimulation, um eine Temperaturänderung im Inneren eines Werkstücks, wenn die Oberfläche des erwärmten Werkstücks mit einem Kühlmittel in Kontakt gebracht wurde, zu prognostizieren. Bei diesem Verfahren zur Abkühlungssimulation wird durch eine Strömungsanalyse des Kühlmittels mittels einer Wärmeflusssimulation die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberfläche des Werkstücks berechnet, und basierend auf der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks und der berechneten Strömungsgeschwindigkeit wird die Temperaturänderung im Inneren des Werkstücks berechnet.The cooling simulation method according to the embodiments of this invention is a cooling simulation method for predicting a temperature change inside a workpiece when the surface of the heated workpiece is brought into contact with a coolant. In this cooling simulation method, through a flow analysis of the coolant using a heat flow simulation, the flow rate of the coolant on the surface of the workpiece is calculated, and based on the temperature of the surface of the workpiece and the calculated flow rate, the temperature change inside the workpiece is calculated.
Bei dem Programm zur Abkühlungssimulation gemäß der Ausführungsformen dieser Erfindung handelt es sich um ein Programm zur Abkühlungssimulation, um eine Temperaturänderung im Inneren eines Werkstücks, wenn die Oberfläche des Werkstücks mit einem Kühlmittel in Kontakt gebracht wurde, zu prognostizieren. Bei diesem Abkühlung-Simulationsprogramm werden auf einem Computer durch eine Wärmeflusssimulation die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberfläche des Werkstücks und basierend auf der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks und der berechneten Strömungsgeschwindigkeit die Temperaturänderung im Inneren des Werkstücks berechnet.The cooling simulation program according to the embodiments of this invention is a cooling simulation program for predicting a temperature change inside a workpiece when the surface of the workpiece is brought into contact with a coolant. In this cooling simulation program, the flow rate of the coolant on the surface of the workpiece is calculated on a computer by heat flow simulation, and the temperature change inside the workpiece based on the temperature of the surface of the workpiece and the calculated flow rate.
Bei der Vorrichtung zur Abkühlungssimulation gemäß der Ausführungsformen dieser Erfindung handelt es sich um eine Vorrichtung zur Abkühlungssimulation, um eine Temperaturänderung im Inneren eines Werkstücks, wenn die Oberfläche des Werkstücks mit einem Kühlmittel in Kontakt gebracht wurde, zu prognostizieren. Die Vorrichtung zur Abkühlungssimulation umfasst eine Rechensektion zum Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberfläche des Werkstücks durch eine Wärmeflusssimulation und der Temperaturänderung im Inneren des Werkstücks basierend auf der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks und der berechneten Strömungsgeschwindigkeit.The cooling simulation apparatus according to the embodiments of this invention is a cooling simulation apparatus for predicting a temperature change inside a workpiece when the surface of the workpiece is contacted with a coolant. The cooling simulation apparatus includes a calculation section for calculating the flow rate of the coolant on the surface of the workpiece by heat flow simulation and the temperature change inside the workpiece based on the temperature of the surface of the workpiece and the calculated flow rate.
Das Kühlverfahren für ein Werkstück gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Schritt zum Festlegen von Kühlbedingungen mittels des Verfahrens zur Abkühlungssimulation und einen Schritt zum Abkühlen des Werkstücks mittels der festgelegten Kühlbedingungen.The cooling method for a workpiece according to an embodiment of the present invention includes a step of setting cooling conditions using the cooling simulation method and a step of cooling the workpiece using the cooling conditions set.
[Effekte der Erfindung][Effects of the Invention]
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezweckt die Bereitstellung eines Verfahrens, eines Programms und einer Vorrichtung zur Abkühlungssimulation, durch welche die Rechenzeit verkürzt werden kann, sowie eines Kühlverfahrens für ein Werkstück.The embodiment of the present invention aims to provide a cooling simulation method, a program and an apparatus by which the calculation time can be shortened, and a cooling method for a workpiece.
Figurenlistecharacter list
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[
1 ]1 (a) ist ein Blockbild, das eine Vorrichtung zur Abkühlungssimulation gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt, und1 (b) ist ein Blockbild, das eine Rechensektion zeigt[1 ]1 (a) 13 is a block diagram showing a cooling simulation apparatus according to a first embodiment, and1 (b) Fig. 12 is a block diagram showing a computing section -
[
2 ]2 (a) und2 (b) sind Ansichten, die den Betrieb der Vorrichtung zur Abkühlungssimulation gemäß der ersten Ausführungsform zeigen, wobei (a) eine Simulation des Erwärmungsprozesses und (b) eine Simulation des Abkühlungsprozesses zeigt.[2 ]2 (a) and2 B) 12 are views showing the operation of the cooling simulation apparatus according to the first embodiment, in which (a) shows a simulation of the heating process and (b) shows a simulation of the cooling process. -
[
3 ]3 ist ein Diagramm, bei welchem auf der Querachse die Werkstück-Oberflächentemperatur und auf der Längsachse der Wärmeübertragungskoeffizient bei der Werkstückoberfläche erfasst sind, und welches die Beziehung zwischen der Werkstück-Oberflächentemperatur, der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels und dem Wärmeübertragungskoeffizienten zeigt.[3 ]3 Fig. 12 is a graph in which the lateral axis is the workpiece surface temperature and the longitudinal axis is the heat transfer coefficient at the workpiece surface, and shows the relationship between the workpiece surface temperature, the coolant flow rate and the heat transfer coefficient. -
[
4 ]4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Erwärmungssimulation bei der ersten Ausführungsform zeigt.[4 ]4 14 is a flowchart showing a heating simulation method in the first embodiment. -
[
5 ]5 ist eine Draufsicht, die eine Kühlvorrichtung darstellt, die bei der ersten Ausführungsform angenommen wird.[5 ]5 14 is a plan view showing a cooling device adopted in the first embodiment. -
[
6 ]6 ist eine Endflächenansicht, welche die Kühlvorrichtung darstellt, die bei der ersten Ausführungsform angenommen wird[6 ]6 Fig. 14 is an end face view showing the cooling device adopted in the first embodiment -
[
7 ]7 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Abkühlungssimulation gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.[7 ]7 14 is a flowchart showing a cooling simulation method according to a first embodiment. -
[
8 ]8 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Abkühlungssimulation gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.[8th ]8th 14 is a flow chart showing a cooling simulation method according to a second embodiment. -
[
9 ]9 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Kühlverfahren für ein Werkstück gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.[9 ]9 14 is a flow chart showing a cooling method for a workpiece according to a third embodiment. -
[
10 ]10 (a) ist eine perspektivische, transparente Ansicht, welche eine bei einem Testbeispiel hergestellte und angenommene Kühlvorrichtung zeigt, und10 (b) ist eine Ansicht, die den Anfangswert der Werkstück-Oberflächentemperatur zeigt.[10 ]10 (a) Fig. 13 is a perspective transparent view showing a cooling device manufactured and adopted in a test example, and10(b) 14 is a view showing the initial value of the workpiece surface temperature. -
[
11 ]11 (a) ist eine Ansicht, welche das bei dem Testbeispiel berechnete Erscheinungsbild des Kühlmittels zeigt, und11 (b) ist eine Ansicht, welche die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung zeigt.[11 ]11(a) 13 is a view showing the appearance of the coolant calculated in the test example, and11(b) Fig. 14 is a view showing the flow velocity distribution. -
[
12 ]12 (a) und12 (b) sind Diagramme, bei welchen auf der Querachse die Zeit und auf der Längsachse die Temperatur erfasst ist, und welche die Änderung der Werkstück-Oberflächentemperatur zeigen, wobei12 (a) den Ist-Messwert und12 (b) den Rechenwert zeigt.[12 ]12 (a) and12(b) are graphs with time as the transverse axis and temperature as the longitudinal axis, and showing the change in workpiece surface temperature, where12 (a) the actual measured value and12(b) shows the calculated value.
[Formen zur Ausführung der Erfindung][Forms for carrying out the invention]
<Erste Ausführungsform><First Embodiment>
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. An embodiment of the present invention is explained below with reference to the drawings.
Bei einer Vorrichtung 1 zur Abkühlungssimulation (im Folgenden auch einfach als „Vorrichtung 1“ bezeichnet), handelt es sich um eine Vorrichtung, um eine Temperaturänderung im Inneren eines Werkstücks, wenn das Werkstück mit einem Kühlmittel in Kontakt gebracht wurde, zu prognostizieren, z. B. eine Vorrichtung, die den Abkühlungsprozess eines Abschreckens simuliert. In dieser Beschreibung handelt es sich bei dem „Werkstück“ um ein Stahlerzeugnis, das Gegenstand eines Abschreckens wird.A cooling simulation apparatus 1 (hereinafter also simply referred to as “
Wie in
Bei der Eingabe-/Ausgabesektion 10 sind beispielsweise Signalanschlüsse oder eine Kommunikationsvorrichtung vorgesehen, um von außen Daten einzugeben und nach außen Daten auszugeben. In die Eingabe-/Ausgabesektion 10 werden im Folgenden beschriebene Datenarten eingegeben, die insbesondere verschiedene Bedingungen der Abkühlungssimulation umfassen, z. B. die Form des Werkstücks, Temperatur und Anfangswerte des Werkstücks, Form des Kühlmantels, physikalische Eigenschaften des Kühlmittels, Durchflussmenge des Kühlmittels usw. Umfasst sind auch die Form des Kühlmantels, sowie Größe, Anzahl und Anordnung von Löchern zum Ausspritzen des Kühlmittels. Die von der Eingabe-/Ausgabesektion 10 ausgegebenen Daten umfassen das Ergebnis der Abkühlungssimulation. Die Eingabe-/Ausgabesektion 10 kann auch mit externen Geräten wie einer Tastatur, einer Maus, einem Bildschirm, einer externen Speichervorrichtung usw. verbunden sein.In the input/
In der Rechensektion 20 ist beispielsweise eine CPU (central processing unit: Zentrale Recheneinheit) vorgesehen. Die Rechensektion 20 liest ein in der Speichersektion 30 gespeichertes Programm zur Abkühlungssimulation aus und führt es aus. Konkret berechnet die Rechensektion 20 die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberfläche des Werkstücks durch eine Wärmeflusssimulation, erwirbt den Wärmeübertragungskoeffizienten durch eine Berechnung basierend auf der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks und der berechneten Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels oder durch Auslesen aus der Speichersektion 30, und berechnet die Temperaturänderung der Oberfläche des Werkstücks mittels des erworbenen Wärmeübertragungskoeffizienten.In the
In der Speichersektion 30 ist ein Speichermittel, z. B. ein SSD (Solid State Drive), HDD (hard disk drive: Festplattenlaufwerk) usw. vorgesehen. In der Speichersektion 30 ist das Programm zur Abkühlungssimulation gespeichert Das Programm zur Abkühlungssimulation umfasst ein Programm zur Wärmeflusssimulation. In der Speichersektion 30 können auch ein Programm zur Magnetfeldanalyse, ein Programm zur Wärmeanalyse, ein Programm zur Strukturanalyse, ein Programm zur Spannungs-/Dehnungsanalyse und ein Programm zur Schaltkreisanalyse gespeichert sein.In the
In der Speichersektion 30 ist ferner die Beziehung (im Folgenden auch als „Tvh-Beziehung“ bezeichnet) zwischen einer Temperatur Ts der Oberfläche des Werkstücks (im Folgenden auch als „Werkstückoberflächentemperatur Ts“ bezeichnet), der Strömungsgeschwindigkeit v des Kühlmittels und dem Wärmeübertragungskoeffizienten h gespeichert. Die Tvh-Beziehung kann in der Speichersektion 30 als Tabelle, als Formel oder in einer anderen Form gespeichert sein. Der „Wärmeübertragungskoeffizient“ ist die Übertragungswärmemenge an der Grenzfläche zwischen zwei Arten von Objekten pro Flächeneinheit, Temperatureinheit und Zeiteinheit.In the
Wie in
Die Steuersektion 21 steuert die jeweiligen Sektionen 22 bis 27, wobei sowohl ein Austausch von Befehlen und Daten zwischen den jeweiligen Sektionen 22 bis 27 als auch ein Austausch zwischen der Eingabe-/Ausgabesektion 10 und der Speichersektion 30 erfolgt. Ferner führt die Steuersektion 21 eine Steuerung der Anzahl von Wiederholungen einer Interaktionsanalyse und der Zeiten der Schritte sowie eine Temperaturüberwachung bestimmter Abschnitte durch. Eine „Interaktionsanalyse“ ist dabei eine Analyse unter Berücksichtigung komplexer wechselseitiger Einflüsse einer Mehrzahl von physikalischen Phänomenen.The
Die Magnetfeldanalysesektion 22 führt basierend auf Maxwell-Gleichungen des Elektromagnetismus mittels der Finite-Elemente-Methode eine Magnetfeldanalyse durch. Konkret berechnet die Magnetfeldanalysesektion 22 von der Finite-Elemente-Methode mittels eines A-Verfahrens oder A-cp-Verfahrens, durch die eine Frequenzantwortanalyse möglich ist, die Magnetflussverteilung, die in der Umgebung einer Erwärmungsspule entsteht, und infolge der zeitlichen Veränderung dieser Verteilung in der Nähe der Oberfläche des Werkstücks entstehende Wirbelströme.The magnetic
Die Magnetfeldanalysesektion 22 unterteilt den Raum des Werkstücks, der Heizspule und deren Umgebung in eine Mehrzahl von Elementen. Daher werden folgende Datenarten in die Magnetfeldanalysesektion 22 eingegebenen:
- Erstens gibt es durch Koordinaten als FEM-Modell für die Magnetfeldanalyse den Raum des Werkstücks, der Heizspule und deren Umgebung, der an den jeweiligen Knotenpunkten in eine Mehrzahl von Elementen unterteilt wurde, dargestellte Knotendaten, und Kombinationen der die jeweiligen Elemente bildenden Knotendaten (im Folgenden einfach als „Elementdaten“ bezeichnet).
- Zweitens gibt es die elektrische Leitfähigkeit und die relative magnetische Permeabilität je Metallstruktur, die jeweils von der Temperatur abhängen, als Materialeigenschaften bezüglich der jeweiligen Materialien des Werkstücks und der Heizspule.
- Drittens gibt es die Frequenz der hochfrequenten Induktionswärmequelle, den Heizspulenstrom oder die Heizspulenspannung als Daten bezüglich der Analysebedingungen.
- Viertens gibt es Temperaturdaten an den jeweiligen Knoten bei dem FEM-Modell für die Magnetfeldanalyse. Als Anfangswert dieser Temperaturdaten wird die Raumtemperatur eingegeben, und durch die
Steuersektion 21 nacheinander überschrieben.
- First, there are nodal data represented by coordinates as an FEM model for magnetic field analysis, the space of the workpiece, heating coil and their surroundings divided into a plurality of elements at the respective nodal points, and combinations of the nodal data constituting the respective elements (hereinafter referred to simply as "item data").
- Second, there are electrical conductivity and relative magnetic permeability per metal structure, each of which depends on temperature, as material properties related to the respective materials of the workpiece and the heating coil.
- Third, there is the frequency of the high-frequency induction heat source, the heating coil current, or the heating coil voltage as data on the analysis conditions.
- Fourth, there are temperature data at the respective nodes in the FEM model for magnetic field analysis. As the initial value of this temperature data, the room temperature is inputted and overwritten by the
control section 21 one by one.
Die Magnetfeldanalysesektion 22 stellt mittels des FEM-Modells für die Magnetfeldanalyse an der Schnittfläche der Heizspule die Ein-/Ausströmungsfläche des Stroms oder der Spannung ein, ermittelt basierend auf dieser Einstellung die Magnetflussverteilung, ermittelt basierend auf der Magnetflussverteilung die Wirbelstromverteilung und berechnet die Joulesche Verlustmenge (Erwärmungskonzentrationsmenge). Das heißt, die Magnetfeldanalysesektion 22 berechnet die Joulesche Verlustmenge pro Element in dem FEM-Modell für die Magnetfeldanalyse. Dann gibt die Magnetfeldanalysesektion 22 Daten, welche die Joulesche Verlustmenge pro Element darstellen, an die Erwärmungsmenge-Berechnungssektion 23 aus.The magnetic
Die Erwärmungsmenge-Berechnungssektion 23 berechnet anhand der von der Magnetfeldanalysesektion 22 eingegebenen Jouleschen Verlustmenge der jeweiligen Elemente, die Erwärmungsmenge der jeweiligen Elemente und gibt sie an die Wärmebehandlung-Analysesektion 24 aus.
Informationen, die in die Erwärmungsmenge-Berechnungssektion 23 eingegeben werden, sind die Knotendaten, welche durch die für das Werkstück eingestellten Koordinaten festgelegt sind, und die Elementdaten, wobei sowohl die Knotendaten als auch die Elementdaten pro FEM-Modell für die Magnetfeldanalyse und FEM-Modell für die Wärmebehandlungsanalyse definiert sind. Bei der Erwärmungsmenge-Berechnungssektion 23 erfolgt ein Mappingprozess der Knotendaten und Elementdaten bei dem FEM-Modell für die Magnetfeldanalyse und der Knotendaten und Elementdaten bei dem Modell für die Wärmebehandlungsanalyse. Die Erwärmungsmenge-Berechnungssektion 23 ermittelt die Erwärmungsmenge der jeweiligen Elemente bei dem FEM-Modell für die Wärmebehandlungsanalyse und gibt sie direkt oder über die Steuersektion 21 an die Wärmebehandlung-Analysesektion 24 aus.The heating
Information input to the heating
Wie in
Die Wärmebehandlung-Analysesektion 24 unterteilt das Werkstück zur Analyse der wechselseitigen Beziehungen mittels der Finite-Elemente-Methode in eine Mehrzahl von Elementen, und führt pro Element eine Analyse durch, wobei Temperatur, elastoplastischer Aufbau und Phasenübergang miteinander in Beziehung gesetzt werden. Die Wärmebehandlung-Analysesektion 24 führt basierend auf der von der Erwärmungsmenge-Berechnungssektion 23 eingegebenen Erwärmungsmenge pro Element mittels einer Wärmeleitungsgleichung usw. eine Analyse durch und berechnet die Temperatur, Verformungsmenge, Spannung/Dehnung der jeweiligen Elemente, und Metallstruktur (Metallstrukturvolumenanteil) an den jeweiligen Knoten bei dem FEM-Modell für die Wärmebehandlungsanalyse. Der Metallstrukturvolumenanteil drückt die Stahlstruktur z. B. den Anteil an Ferrit, Perlit, Austenit, Martensit, Bainit usw. aus. Hinsichtlich der Spannung/Dehnung kann ein Datenaustausch auch pro Knoten anstatt pro Element erfolgen.The heat
Folgende Datenarten werden in die Wärmebehandlung-Analysesektion 24 eingegebenen:
- Erstens gibt es durch Koordinaten als FEM-Modell für die Wärmebehandlungsanalyse bezüglich der Form und Abmessungen des Werkstücks dargestellte Knotendaten, und Kombinationen der die jeweiligen Elemente bildenden Knoten (Elementdaten).
- Zweitens gibt es als Materialeigenschaften des Stahls, aus dem das Werkstück besteht, Phasenübergang-Charakteristikdaten wie ein isothermen Zeit-Temperaturumwandlung-Schaubild (TTT: Time-Temperature-Transformation diagram), eine kontinuierliche Abkühlungsumwandlung-Kurve (CCT: Continuous-Cooling-Transformation diagram), Austenit-Transformation-Temperaturdaten (TTA: Time-Temperature-Austenization diagram), Martensit-Transformationstemperatur usw., Wärmeleitung-Charakteristikdaten bezüglich der Wärmeleitfähigkeit, spezifischen Wärme, Dichte und Umwandlungswärme und Spannung/Dehnungs-Materialeigenschaften wie das Youngsche Modul, die Poissonzahl, den linearen Ausdehnungskoeffizienten, die Fließgrenze, den Bearbeitung-Verfestigungskoeffizienten, die Transformation-Expansionsrate, den Transformation-Plastizitätskoeffizienten usw.
- Drittens wird als Information zur Annahme des Abkühlungsprozesses des Werkstücks der Wert des Wärmeübertragungskoeffizienten h als thermische Randbedingung an der Abkühlungsfläche des Werkstücks definiert. Der Wärmeübertragungskoeffizient h wird später erläutert.
- Viertens gibt es Informationen bezüglich der Erwärmungsmenge an den jeweiligen Knoten, die bei dem FEM-Modell für die Wärmebehandlungsanalyse festgelegt werden.
- Diese werden von der Erwärmungsmenge-
Berechnungssektion 23 eingegeben. - Fünftens gibt es als Informationen für die Analysebedingungen die Erwärmungszeit, Abkühlzeit, Interaktionshäufigkeit usw.
- First, there are node data represented by coordinates as an FEM model for heat treatment analysis regarding the shape and dimensions of the workpiece, and combinations of the nodes constituting the respective elements (element data).
- Second, as material properties of the steel constituting the workpiece, there are phase transition characteristic data such as an isothermal Time-Temperature-Transformation diagram (TTT), a continuous cooling transformation curve (CCT: Continuous-Cooling- Transformation diagram), austenite transformation temperature data (TTA: Time-Temperature-Austenization diagram), martensite transformation temperature, etc., heat conduction characteristic data in terms of thermal conductivity, specific heat, density and heat of transformation, and stress/strain material properties such as Young's modulus, Poisson's ratio, linear expansion coefficient, yield point, machining hardening coefficient, transformation expansion rate, transformation plasticity coefficient, etc.
- Third, as information for assuming the cooling process of the workpiece, the value of the heat transfer coefficient h is defined as a thermal boundary condition on the cooling surface of the workpiece. The heat transfer coefficient h will be explained later.
- Fourth, there is information on the amount of heating at each node set in the FEM model for the heat treatment analysis.
- These are input from the heating
amount calculation section 23 . - Fifth, as information for the analysis conditions, there is the heating time, cooling time, frequency of interaction, etc.
Die Wärmebehandlung-Analysesektion 24 gibt Daten, welche die Temperatur an den jeweiligen Knoten und den Metallstrukturvolumenanteil der jeweiligen Elemente in dem FEM-Modell für die Wärmebehandlungsanalyse darstellen, direkt oder über die Steuersektion 21 an die Materialwert-Aktualisierungssektion 25 aus, und sie gibt Daten, die eine Verformung des Werkstücks darstellen, direkt oder über die Steuersektion 21 an die Wärmefluss-Analysesektion 27 aus.The heat
Werden Daten, welche die Temperatur an den jeweiligen Knoten und den Metallstrukturvolumenanteil der jeweiligen Elemente in dem FEM-Modell für die Wärmebehandlungsanalyse darstellen, von der Wärmebehandlung-Analysesektion 24 eingegeben, berechnet die Materialwert-Aktualisierungssektion 25 hierauf basierend die Temperatur an den jeweiligen Knoten sowie die elektrische Leitfähigkeit und relative magnetische Permeabilität der jeweiligen Elemente bei dem FEM-Modell für die Magnetfeldanalyse, und gibt diese direkt oder über die Steuersektion 21 an die Magnetfeldanalysesektion 22 aus. Die Temperatur an den jeweiligen Knoten sowie die elektrische Leitfähigkeit und relative magnetische Permeabilität der jeweiligen Elemente beeinflussen die Durchlässigkeitstiefe.When data representing the temperature at the respective nodes and the metal structure volume fraction of the respective elements in the FEM model for the heat treatment analysis is inputted from the heat
Die Schaltkreis-Analysesektion 26 führt, beispielsweise als Schaltkreissimulation, eine Berechnung mittels einer Schaltungsgleichung bezüglich der elektrischen Schaltkreise der hochfrequenten Induktionswärmequelle und einem Anpassungsgerät, sowie der hochfrequenten Induktionswärmequelle und der Heizspule durch, ermittelt den Spulenstrom oder die Spulenspannung und gibt das Ergebnis an die Magnetfeldanalysesektion 22 aus. Dadurch können auch zeitliche Änderungen des Induktionswärmephänomens der Heizspule und des Werkstücks bewertet werden.The
Bei einer Hochfrequenz-Abschreckvorrichtung wird mittels eines LCR-Resonanzkreises elektrische Leistung einer konstanten Frequenz an die Heizspule angelegt, und das Werkstück mit einer hochfrequenten Induktion erwärmt. Durch eine Änderung der Wärmeverteilung des Werkstücks ändert sich jedoch auch ständig die Schaltungslast, und auch der Spulenstrom, die Spulenspannung und die Resonanzfrequenz ändern sich. Bei einem Steuerungsverfahren für eine hochfrequente Stromquelle wird entweder der Spulenstrom, die Spulenspannung oder die angelegte elektrische Leistung konstant gesteuert. Dadurch, dass bei der vorliegenden Ausführungsform das Analyseergebnis der Magnetfeldanalysesektion 22 die Eingangsdaten für die Schaltkreis-Analysesektion 26 bildet, und das Analyseergebnis der Schaltkreis-Analysesektion 26 die Eingangsdaten für die Magnetfeld-Analysesektion 22 bildet, kooperieren die Magnetfeldanalyse und die Schaltkreisanalyse miteinander, sodass eine hohe Präzisierung der Hochfrequenz-Abschrecksimulation angestrebt werden kann.In a high-frequency quenching apparatus, electric power of a constant frequency is applied to the heating coil by means of an LCR resonance circuit, and the workpiece is heated with high-frequency induction. However, with a change in the heat distribution of the workpiece, the circuit load changes constantly, and the coil current, coil voltage and resonance frequency also change. In a control method for a high-frequency power source, either the coil current, the coil voltage, or the applied electric power is constantly controlled. In the present embodiment, since the analysis result of the magnetic
Wie
In die Wärmefluss-Analysesektion 27 werden über die Eingabe-/Ausgabesektion 10 Daten eingegeben, welche die physikalischen Eigenschaften des Kühlmittels und die Durchflussmenge darstellen. Ferner werden von der Wärmebehandlung-Analysesektion 24 Temperaturdaten einschließlich der Oberflächentemperatur des Werkstücks und Daten, welche die Änderungsmenge des Werkstücks darstellen, eingegeben. Basierend auf den Eingabedaten führt die Wärmefluss-Analysesektion 27 mittels einer Wärmeflusssimulation eine Strömungsanalyse des Kühlmittels durch und berechnet die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberfläche des Werkstücks. Die Wärmefluss-Analysesektion 27 kann zusätzlich zur Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberfläche des Werkstücks auch die Temperatur und den Druck des Kühlmittels berechnen.Into the heat
Wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberfläche des Werkstücks von der Wärmefluss-Analysesektion 27 eingegeben, erwirbt die Steuersektion 21 den Wärmeübertragungskoeffizienten h unter Berücksichtigung der in der Speichersektion 30 gespeicherten Beziehung (Tvh-Beziehung) zwischen der Werkstück-Oberflächentemperatur Ts, der Strömungsgeschwindigkeit v und des Wärmeübertragungskoeffizienten h und gibt diesen an die Wärmebehandlung-Analysesektion 24 aus.When the flow rate of the coolant on the surface of the workpiece is inputted from the heat
Als Nächstes wird der Betrieb der Vorrichtung 1 zur Abkühlungssimulation gemäß der vorliegenden Ausführungsform, d. h. das Verfahren zur Abkühlungssimulation gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
Beim Abschrecken des Werkstücks werden ein Erwärmungsprozess und ein Abkühlungsprozess konsekutiv ausgeführt. Wie vorstehend beschrieben, wird das Werkstück im Erwärmungsprozess z. B. durch eine hochfrequente Induktionserwärmung auf eine Temperatur größer oder gleich der Austenit-Transformationstemperatur erwärmt, und im Abkühlungsprozess wird das Werkstück z. B. durch das Ausspritzen von Kühlmittel schnell abgekühlt.Next, the operation of the cooling
In quenching the workpiece, a heating process and a cooling process are carried out consecutively. As described above, in the heating process, the workpiece is e.g. B. heated by high-frequency induction heating to a temperature greater than or equal to the austenite transformation temperature, and in the cooling process, the workpiece z. B. rapidly cooled by squirting out coolant.
Durch die Erwärmungssimulation kann der Anfangszustand der Abkühlungssimulation festgelegt werden. Beispielsweise können der Anfangswert der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks und der Anfangswert der Temperatur im Inneren des Werkstücks durch die Erwärmungssimulation festgelegt werden. Es kann auch eine Abkühlungssimulation ohne die Durchführung einer Erwärmungssimulation erfolgen. In diesem Fall werden bei der Abkühlungssimulation der Anfangswert der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks und der Anfangswert der Temperatur im Inneren des Werkstücks von außen eingegeben.The initial state of the cooling simulation can be defined by the heating simulation. For example, the initial value of the temperature of the surface of the workpiece and the initial value of the temperature inside the workpiece can be set by the heating simulation. A cooling simulation can also be carried out without performing a heating simulation. In this case, in the cooling simulation, the initial value of the temperature of the surface of the workpiece and the initial value of the temperature inside the workpiece are inputted from the outside.
Zunächst wird die Simulation des Erwärmungsprozesses erläutert.
Wie in
Als Nächstes erfolgt, wie in Schritt S92 gezeigt, eine Magnetfeldanalyse durch die Magnetfeldanalysesektion 22, welche die Daten, die die Joulesche Verlustmenge pro Element darstellen, an die Erwärmungsmenge-Berechnungssektion 23 ausgibt. Dabei erfolgt in Kooperation mit der Magnetfeldanalysesektion 22 durch die Schaltkreis-Analysesektion 26 eine Schaltkreissimulation.Next, as shown in step S92, magnetic field analysis is performed by the magnetic
Wie in Schritt S93 gezeigt, berechnet dann die Erwärmungsmenge-Berechnungssektion 23 die Erwärmungsmenge bei den jeweiligen Elementen und gibt diese an die Wärmebehandlung-Analysesektion 24 aus.Then, as shown in step S<b>93 , the heating
Wie in Schritt S94 gezeigt, führt dann die Wärmebehandlung-Analysesektion 24 eine Interaktionsanalyse durch, berechnet die Temperatur an den jeweiligen Knoten und den Metallstrukturvolumenanteil der jeweiligen Elemente und gibt diese an die Materialwert-Aktualisierungssektion 25 aus.Then, as shown in step S<b>94 , the heat
Wie in Schritt S95 gezeigt, berechnet dann die Materialwert-Aktualisierungssektion 25 die Temperatur an den jeweiligen Knoten sowie die elektrische Leitfähigkeit und relative magnetische Permeabilität der jeweiligen Elemente und aktualisiert die Daten der physikalischen Eigenschaften. Dann werden die aktualisierten Daten der physikalischen Eigenschaften an die Magnetfeldanalysesektion 22 ausgegeben.Then, as shown in step S95, the material
Wie in Schritt S96 gezeigt, geht die Verarbeitung zurück zu Schritt S92, solange die Interaktionshäufigkeit eine Indexzahl nicht erreicht hat. Hat die Interaktionshäufigkeit die Indexzahl erreicht, wird die Erwärmungssimulation beendet.As shown in step S96, so long as the interaction frequency has not reached an index number, processing returns to step S92. When the interaction frequency reaches the index number, the warming simulation ends.
Durch diese Art der Durchführung einer Erwärmungssimulation ist eine Schlussfolgerung des Zustands des Werkstücks am Ende des Erwärmungsprozesses, d. h. der Temperaturverteilung, der Verteilung des Metallstrukturvolumenanteils und der Spannungs-/Dehnungsverteilung möglich. Dieser Zustand des Werkstücks kann als Anfangszustand der im Folgenden erläuterten Abkühlungssimulation vorgegeben werden.By doing a heating simulation this way, there is one conclusion the state of the workpiece at the end of the heating process, ie the temperature distribution, the metal structure volume fraction distribution and the stress/strain distribution. This state of the workpiece can be specified as the initial state of the cooling simulation explained below.
Als Nächstes wird die Simulation des Abkühlungsprozesses erläutert. Zunächst wird ein bei der vorliegenden Ausführungsform angenommenes Abkühlungsverfahren erläutert.
Wie in
Beim Ausführen der Abschreckbehandlung bei dem Werkstück 100 wird das Werkstück 100, wie vorstehend beschrieben, mittels eines Verfahrens wie einer hochfrequenten Induktionserwärmung usw., auf eine Temperatur größer oder gleich der Austenit-Transformationstemperatur erwärmt. Dann wird das Werkstück 100 im Inneren des Kühlmantels 130 angeordnet und rotiert. In diesem Zustand wird ein Kühlmittel 200 über die Flüssigkeitszuleitungen 120 ins Innere des Gehäuses 110 zugeführt. Bei dem Kühlmittel 200 handelt es sich z. B. um Wasser. Während sich das Kühlmittel 200 in einem Zwischenraum 140 zwischen dem Gehäuse 110 und dem Kühlmantel 130 ausbreitet, passiert es die Löcher 131 des Kühlmantels 130 und wird auf das Werkstück 100 gespritzt. Durch den Kontakt des Kühlmittels 200 mit dem Werkstück 100 wird die Wärme von dem Werkstück 100 abgenommen und das Werkstück 100 gekühlt.As described above, when the quenching treatment is performed on the
Als Nächstes wird das Verfahren zur Abkühlungssimulation erläutert. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden der vorstehende Arbeitsschritt, in dem das Kühlmittel 200 mit dem Werkstück 100 in Kontakt kommt und das Werkstück 100 gekühlt wird, simuliert, und die Temperaturänderung der jeweiligen Abschnitte des Werkstücks berechnet.
Vorab werden die Bedingungen der Abkühlungssimulation, z. B. der Anfangszustand des Werkstücks, die Form des Kühlmantels, sowie die Informationen des Kühlmittels in die Eingabe-/Ausgabesektion 10 der Vorrichtung 1 eingegeben. Der Anfangszustand des Werkstücks umfasst z. B. den Anfangswert der Temperaturverteilung im Inneren des Werkstücks, den Anfangswert der Temperaturverteilung der Oberfläche des Werkstücks, den Anfangswert der Verteilung des Metallstrukturvolumenanteils und den Anfangswert der Spannungs-/Dehnungsverteilung. Der Anfangszustand des Werkstücks kann mittels der vorstehend beschriebenen Erwärmungssimulation bestimmt oder von außen eingegeben werden. Die Informationen des Kühlmittels umfassen die physikalischen Eigenschaften, die Temperatur und die Durchflussmenge des Kühlmittels. Die Bedingungen der Abkühlungssimulation werden in der Speichersektion 30 gespeichert. Die Rechensektion 20 liest ein in der Speichersektion 30 gespeichertes Programm zur Abkühlungssimulation aus und führt dieses aus. Dadurch führt die Vorrichtung 1 eine Abkühlungssimulation aus.The conditions of the cooling simulation, e.g. B. the initial state of the workpiece, the shape of the cooling jacket, and the information of the coolant in the input /
Zunächst liest die Rechensektion 20, wie in Schritt S1 von
Dann führt die Wärmefluss-Analysesektion 27 der Rechensektion 20, wie in
Bei der vorliegenden Simulation wird die Oberfläche des Werkstücks 100 in eine Vielzahl von winzigen Bereichen unterteilt, und es wird die Strömungsgeschwindigkeit v des Kühlmittels 200 für die jeweiligen winzigen Bereiche berechnet. Das heißt, es wird die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit v des Kühlmittels 200 auf der Oberfläche des Werkstücks 100 berechnet. Die Strömungsgeschwindigkeit v ist beispielsweise die Geschwindigkeit des Kühlmittels 200 in einer zur Oberfläche des Werkstücks 100 parallelen Richtung. Die winzigen Abschnitte des Werkstücks 100 und die winzigen Bereiche der Oberfläche können einander eindeutig entsprechen, sie müssen einander aber nicht unbedingt eindeutig entsprechen. Ferner können durch die Wärmeflusssimulation zusätzlich zur Strömungsgeschwindigkeit v des Kühlmittels 200 auf der Oberfläche des Werkstücks 100 auch die Verteilung der Temperatur Tq des Kühlmittels 200 auf der Oberfläche des Werkstücks 100 und die Verteilung des Drucks P des Kühlmittels 200 berechnet werden.In the present simulation, the surface of the
Als Nächstes erwirbt die Rechensektion 20, wie in Schritt S3 gezeigt, den Wärmeübertragungskoeffizienten h basierend auf dem Anfangswert der Werkstück-Oberflächentemperatur Ts und der Strömungsgeschwindigkeit v unter Berücksichtigung der in der Speichersektion 30 gespeicherten Tvh-Beziehung. Ist die Tvh-Beziehung beispielsweise als Tabelle in der Speichersektion 30 gespeichert, kann die Rechensektion 20 in der Tabelle die Zelle, die dem Anfangswert der Werkstück-Oberflächentemperatur Ts und der Strömungsgeschwindigkeit v entspricht, bestimmen und den in dieser Zelle gespeicherten Wert auslesen. Ist die Tvh-Beziehung in der Speichersektion 30 als Formel gespeichert, kann die Rechensektion 20 durch Einsetzen des Anfangswerts der Werkstück-Oberflächentemperatur Ts und der Strömungsgeschwindigkeit v in diese Formel den Wärmeübertragungskoeffizienten h berechnen. Der Wärmeübertragungskoeffizient h wird ebenfalls pro winzigem Bereich erworben. Das heißt, die Rechensektion 20 erwirbt die Verteilung des Wärmeübertragungskoeffizienten h auf der Oberfläche des Werkstücks 100.Next, as shown in step S<b>3 , the
Als Nächstes berechnet die Wärmebehandlung-Analysesektion 24 der Rechensektion 20, wie in Schritt S4 gezeigt, die Temperaturänderung des Werkstücks 100 basierend auf dem Wärmeübertragungskoeffizienten h. Diese Berechnung erfolgt beispielsweise wie vorstehend beschrieben mittels einer Interaktionsanalyse aus einer Wärmeanalyse, Strukturanalyse und Spannungs-/Dehnungsanalyse. Hierdurch wird die Temperaturänderung des gesamten Werkstücks 100 berechnet und als ein Teil hiervon wird auch eine Änderungsgröße ΔTs der Werkstück-Oberflächentemperatur Ts berechnet. Die Temperaturänderung kann aber auch durch ein anderes Verfahren als die vorstehend beschriebene Interaktionsanalyse berechnet werden.Next, as shown in step S4, the heat
Als Nächstes wird, wie in Schritt S5 gezeigt, die Werkstück-Oberflächentemperatur Ts nach der Temperaturänderung berechnet. Das heißt, (Ts + ΔTs) wird als neue Werkstück-Oberflächentemperatur Ts betrachtet.Next, as shown in step S5, the workpiece surface temperature Ts after the temperature change is calculated. That is, (Ts + ΔTs) is regarded as a new workpiece surface temperature Ts.
Als Nächstes kehrt die Verarbeitung von Schritt S6 zurück zu Schritt S1, und eine neue Werkstück-Oberflächentemperatur Ts wird eingelesen. Somit wird die Abkühlungssimulation durch eine Wiederholung der Schritte S1 bis S6 fortgesetzt. Hat dann die Interaktionshäufigkeit die Indexzahl erreicht, wird die Abkühlungssimulation beendet.Next, the processing returns from step S6 to step S1, and a new workpiece surface temperature Ts is read. Thus, the cooling simulation is continued by repeating steps S1 to S6. Then, when the interaction frequency reaches the index number, the cooling simulation is terminated.
Auf diese Weise werden im Abkühlungsprozess die Änderung der Temperaturverteilung im Inneren des Werkstücks 100 und die Verteilung der Metallstruktur (Metallstrukturvolumenanteil), Restspannungsverteilung, Härteverteilung und Verformungsgröße des Werkstücks 100 nach dem Abkühlungsprozess berechnet. Dadurch kann beurteilt werden, ob die Eigenschaften des Werkstücks 100 nach dem Abschrecken das erforderliche Niveau erfüllen.In this way, in the cooling process, the change in temperature distribution inside the
Als Nächstes werden die Effekte der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird vorab die Beziehung (Tvh-Beziehung) zwischen der Werkstück-Oberflächentemperatur Ts, der Strömungsgeschwindigkeit v des Kühlmittels und dem Wärmeübertragungskoeffizienten h erworben, und unter deren Nutzung eine Abkühlungssimulation durchgeführt, sodass eine Berechnung durch eine Modellbildung des Siedephänomens nicht erforderlich ist. Das heißt, durch den vorherigen Erwerb der Tvh-Beziehung kann der Wärmeübertragungskoeffizient h der Werkstückoberfläche durch die Eingabe der Werkstück-Oberflächentemperatur Ts und der Strömungsgeschwindigkeit v sofort erworben werden. Hierdurch kann eine hochpräzise Simulation mit einer kurzen Rechenzeit durchgeführt werden.Next, the effects of the present embodiment will be explained.
In the present embodiment, the relationship (Tvh relationship) between the workpiece surface temperature Ts, the coolant flow rate v, and the heat transfer coefficient h is acquired in advance, and cooling simulation is performed using it, so calculation by modeling the boiling phenomenon is not required . That is, by acquiring the Tvh relation in advance, the heat transfer coefficient h of the workpiece surface can be acquired immediately by inputting the workpiece surface temperature Ts and the flow velocity v. As a result, a high-precision simulation can be carried out with a short computing time.
Wie in
Andererseits beginnt das Sieden des Kühlmittels in der Nähe einer Werkstück-Oberflächentemperatur von 100°C. Mit zunehmender Werkstück-Oberflächentemperatur verändert sich der Siedezustand von einem Kernsieden über ein Übergangssieden zu einem Filmsieden. Es ist daher denkbar, dass der Wärmeübertragungskoeffizient deshalb abnimmt, weil ein Kontakt zwischen dem Werkstück und dem Kühlmittel durch Wasserdampf behindert wird, je höher die Werkstück-Oberflächentemperatur ist. Wie vorstehend beschrieben, ist der Mechanismus des Siedephänomens kompliziert, da jedoch der vorliegenden Ausführungsform zufolge der Wärmeübertragungskoeffizient ein mit dem Siedephänomen kombinierter Wert ist, ist bei der Abkühlungssimulation eine Simulation des Siedephänomens selbst nicht erforderlich, sodass die Berechnungszeit verkürzt werden kann.On the other hand, boiling of the coolant starts in the vicinity of a workpiece surface temperature of 100°C. As the workpiece surface temperature increases, the boiling state changes from core boiling to transition boiling to film boiling. Therefore, it is conceivable that the heat transfer coefficient decreases because contact between the workpiece and the coolant is hindered by water vapor the higher the workpiece surface temperature is. As described above, the mechanism of the boiling phenomenon is complicated, but according to the present embodiment, since the heat transfer coefficient is a value combined with the boiling phenomenon, simulation of the boiling phenomenon itself is not required in the cooling simulation, so the calculation time can be shortened.
Ferner wird der vorliegenden Ausführungsform zufolge bei dem in Schritt S2 von
Außerdem erfolgt der vorliegenden Ausführungsform zufolge, wie in
Außerdem kann ferner der vorliegenden Ausführungsform zufolge der Anfangswert der Abkühlungssimulation durch die Erwärmungssimulation festgelegt werden. Dadurch kann die Präzision der Abkühlungssimulation weiter verbessert werden.Furthermore, according to the present embodiment, the initial value of the cooling simulation can be set by the heating simulation. As a result, the precision of the cooling simulation can be further improved.
<Zweite Ausführungsform><Second embodiment>
Wie in
As in
Diese Beziehung kann beispielsweise als Tabelle oder als Formel gespeichert werden. Bei einer Formel wird der Wärmeübertragungskoeffizient h wie bei der folgenden Formel als Funktion der Werkstück-Oberflächentemperatur Ts, der Strömungsgeschwindigkeit v des Kühlmittels, der Temperatur Tq des Kühlmittels und des Drucks P des Kühlmittels dargestellt.
Der vorstehenden Funktion können auch weitere Parameter zugesetzt werden, um den Wärmeübertragungskoeffizienten h präziser zu berechnen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Schritte abgesehen von den vorstehenden Schritten gleich den Schritten bei der ersten Ausführungsform.Other parameters can also be added to the above function to calculate the heat transfer coefficient h more precisely.
In the present embodiment, the steps are the same as the steps in the first embodiment except for the above steps.
Der vorliegenden Ausführungsform zufolge kann eine Simulation mit einer noch höheren Präzision dadurch ermöglicht werden, dass der Wärmeübertragungskoeffizient h zusätzlich zur Werkstück-Oberflächentemperatur Ts und der Strömungsgeschwindigkeit v des Kühlmittels unter Einbeziehung der Temperatur Tq und des Drucks P des Kühlmittels 200 bei der Oberfläche des Werkstücks 100 erworben wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind der Aufbau, der Betrieb und die Effekte abgesehen von dem Vorstehenden gleich denen bei der ersten Ausführungsform.According to the present embodiment, simulation with even higher precision can be enabled by calculating the heat transfer coefficient h in addition to the workpiece surface temperature Ts and the flow rate v of the coolant including the temperature Tq and the pressure P of the
<Dritte Ausführungsform><Third embodiment>
Als Nächstes wird ein Kühlverfahren für ein Werkstück unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, Programms und der Vorrichtung zur Abkühlungssimulation erläutert.
Zunächst werden, wie in Schritt S21 von
Dann erfolgt, wie in Schritt S22 von
Bei dem Programm zur Abkühlungssimulation handelt es sich um ein Programm zur Abkühlungssimulation, um eine Temperaturänderung im Inneren eines Werkstücks, wenn die Oberfläche des erwärmten Werkstücks mit einem Kühlmittel in Kontakt gebracht wurde, zu prognostizieren. Bei diesem Programm zur Abkühlungssimulation werden auf einem Computer durch eine Strömungsanalyse des Kühlmittels mittels einer Wärmeflusssimulation die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberfläche des Werkstücks und basierend auf der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks und der berechneten Strömungsgeschwindigkeit die Temperaturänderung im Inneren des Werkstücks berechnet.The cooling simulation program is a cooling simulation program for predicting a temperature change inside a workpiece when the surface of the heated workpiece is brought into contact with a coolant. In this cooling simulation program, the flow rate of the coolant on the surface of the workpiece is calculated on a computer through a flow analysis of the coolant using a heat flow simulation, and the temperature change inside the workpiece is calculated based on the temperature of the surface of the workpiece and the calculated flow rate.
Dann wird, wie in Schritt S23 von
Dann wird, wie in Schritt S24 von
Wie in Schritt S25 von
Der vorliegenden Ausführungsform zufolge können die Kühlbedingungen, z. B. die Form des Kühlmantels, kostengünstig und in kurzer Zeit optimiert werden. Dadurch kann bei dem Werkstück nach dem Abkühlen beispielsweise eine hohe Präzision und eine hohe Qualität eines Werkstücks nach einer Abschreckbehandlung angestrebt werden. Beispielsweise erfolgt eine hohe Präzisierung der Form des Werkstücks nach dem Abkühlen, wobei durch eine Steuerung der Restspannung Verformungen unterdrückt werden und der gewünschte Oberflächenzustand erhalten werden kann.According to the present embodiment, the cooling conditions, e.g. B. the shape of the cooling jacket, can be optimized inexpensively and in a short time. Thereby, high precision and high quality of a workpiece after a quenching treatment can be aimed for, for example, in the workpiece after cooling. For example, the shape of the workpiece after cooling is highly precise, and by controlling the residual stress, deformation can be suppressed and the desired surface state can be obtained.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde ein Beispiel erläutert, bei dem die Form des Kühlmantels als Kühlbedingung optimiert wurde, wobei die Optimierung der Kühlbedingungen nicht hierauf beschränkt ist, und es sich beispielsweise auch um die physikalischen Eigenschaften des Kühlmittels, die Durchflussmenge des Kühlmittels, die Temperatur des Kühlmittels, die Positionsbeziehung zwischen den Spritzdüsen für das Kühlmittel an dem Kühlmantel und dem Werkstück, die Richtung, in die das Kühlmittel ausgehend von dem Kühlmantel gespritzt wird, usw. handeln kann.In the present embodiment, an example was explained in which the shape of the cooling jacket was optimized as a cooling condition, but the optimization of the cooling conditions is not limited to this, and such as the physical properties of the coolant, the flow rate of the coolant, the temperature of the coolant, the positional relationship between the coolant spray nozzles on the cooling jacket and the workpiece, the direction in which the coolant is sprayed from the cooling jacket, etc.
<Testbeispiel><test sample>
Als Nächstes wird ein Testbeispiel erläutert, welches die Wirkung der ersten Ausführungsform zeigt.
Wie in
Zwischen dem Kühlmantel 130 und dem Gehäuse 110 ist eine zylinderförmige Gleichrichterplatte 135 vorgesehen. In der Gleichrichterplatte 135 sind 24 Stück Löcher 136 vorgesehen. In 12 Reihen in Umfangsrichtung sind jeweils zwei Löcher 136 übereinander angeordnet. Das Werkstück 100 hat eine Ringform mit einer Höhe von 50 mm, einem Außendurchmesser von 100 mm und einem Innendurchmesser von 80 mm. Als Kühlmittel 200 wird Wasser verwendet. Das Kühlmittel 200 hat eine Durchflussmenge von 200 l/min und eine Temperatur von 20 °C.A
Unter den vorstehenden Bedingungen wurde mittels des bei der ersten Ausführungsform erläuterten Verfahrens eine Wärmeflusssimulation ausgeführt. Wie in
Ferner wurde bei dem vorliegenden Versuchsbeispiel die bei der ersten Ausführungsform erläuterte Abkühlungssimulation durchgeführt und die Temperaturänderung berechnet. Ferner wurde eine tatsächliche Abkühlung durchgeführt und die Temperaturänderung gemessen. Im Folgenden werden das Ergebnis der Simulation als „Rechenwert“ und der bei der tatsächlichen Abkühlung gemessene Wert als „Ist-Messwert“ bezeichnet.Further, in the present experimental example, the cooling simulation explained in the first embodiment was performed and the temperature change was calculated. Furthermore, actual cooling was performed and the temperature change was measured. In the following, the result of the simulation is referred to as the "calculated value" and the value measured during actual cooling as the "actual measured value".
Die Anfangstemperatur des mittleren Abschnitts 100b des Werkstücks 100, wie in
Wie in
Die vorstehend beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen sind konkretisierte Beispiele der vorliegenden Erfindung, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Beispielsweise umfasst die vorliegende Erfindung auch Ausführungsformen, bei denen verschiedene Bestandteile bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zugesetzt, weggelassen oder geändert werden.The respective embodiments described above are concrete examples of the present invention, and the present invention is not limited to these embodiments. For example, the present invention also includes embodiments in which various components are added to, omitted from, or changed from the above-described embodiments.
Die vorliegende Erfindung umfasst folgende Aspekte:
- [Nachtrag 1] Ein Verfahren zur Abkühlungssimulation, um eine Temperaturänderung im Inneren eines Werkstücks bei einem Kontakt der Oberfläche des erwärmten Werkstücks mit einem Kühlmittel zu prognostizieren, wobei durch eine Strömungsanalyse des Kühlmittels mittels einer Wärmeflusssimulation die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberfläche des Werkstücks berechnet wird, und basierend auf der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks und der berechneten Strömungsgeschwindigkeit die Temperaturänderung im Inneren des Werkstücks berechnet wird.
- [Nachtrag 2] Ein Verfahren zur
Abkühlungssimulation nach Nachtrag 1, wobei basierend auf der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks und der Strömungsgeschwindigkeit ein Wärmeübertragungskoeffizient bei der Oberfläche des Werkstücks geschätzt wird, und mittels des Wärmeübertragungskoeffizienten die Temperaturänderung im Inneren des Werkstücks berechnet wird. - [Nachtrag 3] Ein Verfahren zur
Abkühlungssimulation nach Nachtrag 2, wobei der Wert des Wärmeübertragungskoeffizienten ein unter Berücksichtigung des Siedephänomens des Kühlmittels festgelegter Wert ist. - [Nachtrag 4] Ein Verfahren zur
Abkühlungssimulation nach Nachtrag 1, wobei durch die Wärmeflusssimulation auch die Temperatur des Kühlmittels auf der Oberfläche des Werkstücks und der Druck des Kühlmittels berechnet wird, und basierend auf der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks, der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, der Temperatur des Kühlmittels und des Drucks des Kühlmittels die Temperaturänderung im Inneren des Werkstücks berechnet wird. - [Nachtrag 5] Ein Verfahren zur
Abkühlungssimulation nach Nachtrag 4, wobei basierend auf der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks, der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, der Temperatur des Kühlmittels und des Drucks des Kühlmittels der Wärmeübertragungskoeffizient bei der Oberfläche des Werkstücks geschätzt wird, und mittels des Wärmeübertragungskoeffizienten die Temperaturänderung im Inneren des Werkstücks berechnet wird. - [Nachtrag 6] Ein Verfahren zur Abkühlungssimulation nach einem der Nachträge 1 bis 5, wobei bei der Berechnung der Temperaturänderung im Inneren des Werkstücks auch die Struktur, Spannung und Dehnung des Werkstücks berechnet werden.
- [Nachtrag 7] Ein Verfahren zur Abkühlungssimulation nach Nachtrag 6, wobei eine Verformung des Werkstücks der Wärmeflusssimulation rückgemeldet wird.
- [Nachtrag 8] Ein Verfahren zur Abkühlungssimulation nach einem der Nachträge 1 bis 7, wobei eine Temperaturänderung im Inneren des Werkstücks der Wärmeflusssimulation rückgemeldet wird.
- [Nachtrag 9] Ein Verfahren zur Abkühlungssimulation nach einem der Nachträge 1 bis 8, wobei der Anfangswert der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks und der Anfangswert der Temperatur im Inneren des Werkstücks durch eine Simulation bei einer hochfrequenten Induktionserwärmung des Werkstücks ermittelt wird.
- [Nachtrag 10] Ein Programm zur Abkühlungssimulation, um eine Temperaturänderung im Inneren eines Werkstücks bei einem Kontakt der Oberfläche des erwärmten Werkstücks mit einem Kühlmittel zu prognostizieren, wobei auf einem Computer die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberfläche des Werkstücks durch eine Strömungsanalyse des Kühlmittels mittels einer Wärmeflusssimulation berechnet wird, und die Temperaturänderung im Inneren des Werkstücks basierend auf der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks und der berechneten Strömungsgeschwindigkeit berechnet wird.
- [Nachtrag 11] Eine Vorrichtung zur Abkühlungssimulation, um eine Temperaturänderung im Inneren eines Werkstücks bei einem Kontakt der Oberfläche des erwärmten Werkstücks mit einem Kühlmittel zu prognostizieren, wobei die Vorrichtung zur Abkühlungssimulation eine Rechensektion umfasst, welche die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberfläche des Werkstücks durch eine Strömungsanalyse des Kühlmittels mittels einer Wärmeflusssimulation berechnet, und die Temperaturänderung im Inneren des Werkstücks basierend auf der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks und der berechneten Strömungsgeschwindigkeit berechnet.
- [Nachtrag 12] Eine Vorrichtung zur
Abkühlungssimulation nach Nachtrag 11, die ferner eine Speichersektion umfasst, in welcher die Beziehung zwischen der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks, der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels und des Wärmeübertragungskoeffizienten bei der Oberfläche gespeichert ist, und die Rechensektion den Wärmeübertragungskoeffizienten basierend auf der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks und der berechneten Strömungsgeschwindigkeit von der Speichersektion erwirbt und mittels des ausgelesenen Wärmeübertragungskoeffizienten die Temperaturänderung im Inneren des Werkstücks berechnet. - [Nachtrag 13] Ein Kühlverfahren für ein Werkstück, umfassend einen Schritt zum Festlegen von Kühlbedingungen mittels eines Verfahrens zur Abkühlungssimulation nach einem der Nachträge 1 bis 9, und einen Schritt zum Kühlen des Werkstücks mittels der festgelegten Kühlbedingungen.
- [Nachtrag 14] Ein Kühlverfahren für ein Werkstück nach Nachtrag 13, wobei die Kühlbedingungen die Form des Kühlmantels umfassen, und in dem Schritt zum Kühlen des Werkstücks ein Kühlmantel mit der Form verwendet wird, die in dem Schritt zum Festlegen der Kühlbedingungen festgelegt wurde.
- [Addendum 1] A cooling simulation method for predicting a temperature change inside a workpiece when the surface of the heated workpiece comes into contact with a coolant, wherein the flow rate of the coolant on the surface of the workpiece is calculated through a flow analysis of the coolant using a heat flow simulation , and based on the temperature of the surface of the workpiece and the calculated flow rate, the temperature change inside the workpiece is calculated.
- [Addendum 2] A cooling simulation method according to
Addendum 1, wherein a heat transfer coefficient at the surface of the workpiece is estimated based on the temperature of the surface of the workpiece and the flow velocity, and the temperature change inside the workpiece is calculated using the heat transfer coefficient. - [Addendum 3] A cooling simulation method according to
Addendum 2, wherein the value of the heat transfer coefficient is a value set in consideration of the boiling phenomenon of the refrigerant. - [Addendum 4] A cooling simulation method according to
Addendum 1, wherein the temperature of the coolant on the surface of the workpiece and the pressure of the coolant are also calculated through the heat flow simulation, and based on the temperature of the surface of the workpiece, the flow rate of the coolant, the temperature of the coolant and the pressure of the coolant, the temperature change inside the workpiece is calculated. - [Addendum 5] A cooling simulation method according to
Addendum 4, wherein based on the temperature of the surface of the workpiece, the flow rate of the coolant, the temperature of the coolant and the pressure of the coolant, the heat transfer coefficient at the surface of the workpiece is estimated, and using the heat transfer coefficient the temperature change inside the workpiece is calculated. - [Addendum 6] A cooling simulation method according to any one of
Addendums 1 to 5, wherein when the temperature change inside the workpiece is calculated, the structure, stress and strain of the workpiece are also calculated. - [Addendum 7] A cooling simulation method according to Addendum 6, wherein a deformation of the workpiece is fed back to the heat flow simulation.
- [Addendum 8] A cooling simulation method according to any one of
Addendums 1 to 7, wherein a temperature change inside the workpiece is fed back to the heat flow simulation. - [Addendum 9] A cooling simulation method according to any one of
Addendums 1 to 8, wherein the initial value of the temperature of the surface of the workpiece and the initial value of the temperature inside the workpiece are obtained by a simulation of high-frequency induction heating of the workpiece. - [Addendum 10] A cooling simulation program for predicting a temperature change inside a workpiece when the surface of the heated workpiece comes into contact with a coolant, wherein the flow rate of the coolant on the surface of the workpiece is calculated on a computer by a flow analysis of the coolant using a Heat flow simulation is calculated, and the temperature change inside the workpiece is calculated based on the temperature of the surface of the workpiece and the calculated flow rate.
- [Addendum 11] A cooling simulation apparatus for predicting a temperature change inside a workpiece upon contact of the surface of the heated workpiece with a coolant, the cooling simulation apparatus comprising a computing section which calculates the flow velocity of the coolant on the surface of the workpiece calculates a flow analysis of the coolant using a heat flow simulation, and calculates the temperature change inside the workpiece based on the temperature of the surface of the workpiece and the calculated flow rate.
- [Addendum 12] A cooling simulation apparatus according to
Addendum 11, further comprising a storage section in which the relationship between the temperature of the surface of the workpiece, the flow rate of the coolant and the heat transfer coefficient at the surface is stored, and the arithmetic section calculates the heat transfer coefficient based on the temperature of the surface of the workpiece and the calculated flow rate from the accumulating section and calculates the temperature change inside the workpiece using the read heat transfer coefficient. - [Addendum 13] A cooling method for a work, comprising a step of setting cooling conditions by a cooling simulation method according to any one of
Addendums 1 to 9, and a step of cooling the work by the set cooling conditions. - [Addendum 14] A cooling method for a workpiece according to Addendum 13, wherein the cooling conditions include the shape of the cooling jacket, and in the step of cooling the workpiece, a cooling jacket having the shape specified in the step of determining the cooling conditions is used.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Vorrichtung zur AbkühlungssimulationCooling simulation device
- 1010
- Eingabe-/Ausgabesektioninput/output section
- 2020
- Rechensektioncalculation section
- 2121
- Steuersektioncontrol section
- 2222
- Magnetfeldanalysesektionmagnetic field analysis section
- 2323
- Erwärmungsmenge-BerechnungssektionHeating Amount Calculation Section
- 2424
- Wärmebehandlung-AnalysesektionHeat treatment analysis section
- 2525
- Materialwert-AktualisierungssektionMaterial value update section
- 2626
- Schaltkreis-Analysesektioncircuit analysis section
- 2727
- Wärmefluss-AnalysesektionHeat flow analysis section
- 3030
- Speichersektionstorage section
- 100100
- Werkstückworkpiece
- 100a100a
- Obere Sektionupper section
- 100b100b
- Mittlere Sektionmiddle section
- 100c100c
- Untere Sektionlower section
- 101, 103101, 103
- Kühlvorrichtungcooler
- 110110
- GehäuseHousing
- 120120
- Flüssigkeitszuleitungliquid supply line
- 130130
- Kühlmantelcooling jacket
- 131131
- LochHole
- 135135
- Gleichrichterplatterectifier plate
- 136136
- LochHole
- 140140
- RaumSpace
- 200200
- Kühlmittelcoolant
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- JP 2010230331 A [0004]JP 2010230331A [0004]
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JP2021175293 | 2021-10-27 | ||
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DE102022209811 | 2022-09-19 | ||
JP2022169308A JP7446381B2 (en) | 2021-10-27 | 2022-10-21 | Cooling simulation method, cooling simulation program, cooling simulation device, and workpiece cooling method |
JP2022-169308 | 2022-10-21 |
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Patent Citations (1)
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JP2010230331A (en) | 2009-03-25 | 2010-10-14 | Neturen Co Ltd | Device for simulation of high frequency quenching |
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