毕业论文范文——高工业齿轮氮化变形工艺仿真

西安航空职业学院毕业论文工业齿轮氮化变形工艺仿真姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要 通过借助SYSWELD专业热处理仿真软件，进行了工业齿轮的氮化工艺仿真及氮化过程中的热处理变形模拟过程。仿真结果表明，氮化工艺仿真与实际结果较为接近，因实际零件在氮化工艺过程中使用了辅助工装，氮化过程中的热处理变形模拟结果与实际结果有一定出入，但整体变形趋势一致。1 前言 传统热处理工艺制度的确定主要依据既有成形的相关热处理理论基础和被处理零件的选材特性，但具体工艺参数仍主要依赖于工程经验，在必要的情况下通过典型实验来进行工艺验证，待工艺验证结果与设计提出的相关工艺指标相符后，才能进行工艺定型及后续生产。因此，热处理工艺制度的优化与改进工作需要大量的工艺正交实验来完成，耗用人力、物力的同时，生产节点无法得到有效保证，缺乏一套专业且有效的方法和手段来加速工艺优化与改进工作。专业化的热处理工艺仿真软件为热处理工艺制度的优化与改进提供了流程简化的方案，通过工艺仿真，可以帮助热处理工程师完成工艺优化、工装设计以及工艺验证等工作，尤其是新品研制阶段，通过合理的工艺仿真模拟，不仅可较为准确的预先得出热处理的变形量以及加工余量等，用于指导零件的热处理前后尺寸链的制定、热处理工艺参数制定、热处理工装设计等现场操作，还可以缩短热处理生产准备周期，提高生产效率。本文采用专业SYSWELD热处理仿真软件，选取工业常见的氮化齿轮为仿真对象，通过与实际零件热处理后的结果进行对比，探讨该类零件进行相关仿真模拟的可行性，为同类零件的工艺优化与工艺制度制定工作提供必要的数据支撑。2 模型建立、网格划分及材料相关数据库由于Sysweld模拟仿真需要CAD模型，通过二维模型创建的三维几何模型，该零件的三维几何模型如下图1所示：图1 渗氮齿轮三维几何图根据三维几何模型，通过VE专业的前处理器visual-mesh建立有限元模型，如下图2所示，模型网格数量238428，对齿面网格进行了细化，利用layer-mesh专用热处理网格划分工具对近表面的网格进行了细化处理，并建立了金字塔单元，以保证热处理过程模拟的稳定性与精度。图2 渗氮齿轮网格化分图Sysweld热处理仿真软件的材料数据，包括不同温度、不同相下的热物参数以及性能参数，比如焓、密度、热交换系数、屈服强度、杨氏模量、应变强化值等；模拟还需要连续冷却转变曲线（CCT曲线）。该零件材质为E32CDV13，由于数据库中没有该牌号的相关信息，通过查阅文献参数和相近材料牌号代替，数据模型不是实测值，因此，对后续的仿真计算结果有较大影响。3 氮化工艺仿真本文选用的齿轮氮化工艺见下表1所示。表1 齿轮氮化工艺参数工序名称氮化温度保温时间分解率工艺参数50013h10%左右齿轮渗氮工艺为整体渗氮，500氨气分解为8-12%，不同渗氮温度下，不同氨分解率条件下，钢箔渗氮后的氮浓度见下表2所示。分解率表2 不同温度、不同氨分解率下的氮浓度氮浓度30%40%50%60%温度 4903.1 wt.%2.3 wt.%2.0 wt.%1.8 wt.%5004.3 wt.%3.2 wt.%2.8 wt.%2.3 wt.%5155.3 wt.%3.9 wt.%3.2 wt.%2.6 wt.%从表2中的数据可以刊出，在同一渗氮温度下，气氛氮浓度随氨分解率的增加而降低，在相同氨分解率条件下，气氛的氮浓度随温度的升高而增加。根据表2中的数据，将这些数据进行二元线性回归处理，可以得出500时的氮浓度约为(6.006.40) wt.%。仿真结果如下图3所示，最终齿面氮浓度约6wt.%左右，与通过数据回归得到的结果相近。图3中氮化渗层厚度为0.11mm，实际渗层深度为0.13mm左右，这与实际生产情况比较接近。图3 整体氮浓度分布图4 局部氮浓度分布4 氮化变形仿真结果图5和图6为该零件氮化后的变形云图，工件渗氮完成后，变形量略有增加，最大变形量约0.2mm，变形主要集中在齿端，为膨胀变形，轴方向的变形为收缩变形，收缩量在0.08mm左右。氮化过程中能够产生变形的环节主要有三个方面，一方面是由于氮化炉内的温度场不均，使零件受热不一致所致；另一方面则源于活性氮原子的渗入后造成晶格点阵畸变涨大；最后，机械加工产生的应力释放集中发生在氮化阶段所致。零件氮化前的稳定回火温度为580，显著高出氮化工艺温度80，因此，机械加工产生的应力释放不足以产生较大变形。备注：实体为变形量放大10倍热处理后变形，网格为热处理前初始状态。图5 渗氮完成后变形图6 渗氮完成后局部变形仿真软件模拟的前提条件是假设炉温的均匀性，因此，可以推断氮化变形主要来源于活性氮原子的渗入后造成晶格点阵畸变涨大，并对氮化齿面的齿形产生较大影响，图6的氮化变形局部放大也印证了上述分析。5、氮化后的残余应力仿真分析该齿轮件渗氮结束后的Mises残余应力分布见图7所示，应力主要分布在齿面和轴交接部位，约160Mpa左右，其它区域应力相对较小。渗氮后的整体残余应力相对较小，这是由于氮化工艺温度低于该材料的再结晶温度，氮化过程中只有热胀冷缩的现象，没有相变及同素异构转变等晶格点阵重组现象，热熵值及结构均变化不大。切片后的应力分布见图8所示，应力主要分布在齿面和轴交接部位，但是由于应力水平不高，不会产生裂纹等缺陷。图7 热处理后拉、压应力分布图8 切片后拉、压应力分布结论以工业齿轮为例，对该齿轮的氮化工艺过程进行了热处理仿真模拟，利用氮原子扩散原理，对氮化工艺渗层深度进行了工艺仿真；该零件的氮化变形及氮化后的残余应力分布云图，对解决该齿轮的氮化精确变形控制提供了参考，并得出如下结论：1. 氮化工艺渗层仿真精确度较高，可用于氮化工艺的优化；2. 氮化过程中的变形主要来源于活性氮原子渗入后的