（机械设计及理论专业论文）表面感应加热数值模拟与减振器连杆工艺优化的研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文摘要 表面感应加热数值模拟与减振器连杆 工艺优化的研究 、，一 摘要 t 减振器连杆在汽车服役过程中发生了偏磨现象，其中连杆高频感应 淬火工艺不合适是主要因素之訇本文在感应加热数值模拟的基础上找 到了连杆表面感应淬火的工艺调整方案，对调整工艺处理的连杆进行了 一系列的力学性能试验，探讨出最优综合机械性能连杆的处理工艺为优 化工艺，并将原工艺与优化工艺处理的连杆进行冲击磨损对比试验，得 出优化工艺处理的连杆具备更高的抗冲击磨损性能。 在表面感应加热数值模拟过程中，建立了电磁一热耦合场的非线性 轴对称有限元模型，并采用了时间步上实时参数耦合的分析方法。得到 了连杆在电流的冷透入深度下的磁通密度分布与温度分布，反映了连杆 表面感应加热的特点，建立了连杆感应加热的理论分析模型。 在耦合场分析的基础上建立了以表面功率密度为基础的温度场有 限元分析模型。根据连杆表层显微硬度值，得出速功比( 感应发生器输 出功率连杆移动速度) 与淬硬层深度成正比关系，通过有限元模拟证 实了该关系的正确性，并得出感应加热输出功率与连杆移动速度的调整 是优化连杆工艺的有效途径。 对六组备选工艺处理的连杆进行了常温下的静力拉伸试验和u 形缺 口冲击试验。( 试验结果表明：连杆输出功率为8 2 x 8 0 k w 、工件移动速 第1 页 上海交通大学硕士学位论文 度为5 4 9 8 m m m i n 感应淬火工艺处理的连杆具有最佳的综合机械性能， 既有较高的拉伸强度，又有良好的延伸率和冲击韧性d 采用扫描电镜观察了连杆感应淬火表层组织及拉伸断口。锚果表 明：优化工艺处理连杆表层组织中马氏体针叶细小、脆性较低，具有最 佳的综合机械性能。斗 将原工艺与优化工艺处理的连杆在b l c w - i 往复式冲击试验机上 进行了冲击磨损对比试验。培损试验结果表明：优化工艺处理连杆的摩 擦系数和磨损量均明显低于原工艺处理连杆，具有高的抗磨损性能心 关键词：感应加热_ 连杆，有限元方法y 温度，力学性能，磨损 第1 i 页 上海交通大学硕士学位论文 a b s t r 脚 n u l r i c a ls i 删l a t i o n o fs u r f ac e 肿u c t i o n h e a t i n ga n do p t 【m i z a t i o no ft r e a ! t q gp r o c e s s f o rp i s t o nr o do fs h o c ka b s o r b e r a b s t r a c t p a t t i a tw o r nw a sf o u n do nt h e p i s t o n r o do fs h o c ka b s o r b e ri n a u t o m o b i l ea f t e rap e r i o do fs e r v i c et i m e t h eb 5 l g h f r e q u e n c yi n d u c t i o n h a r d e n i n gp r o c e s sf o rp i s t o n r o dw a sc o n s i d e r e da so n eo f 血e m a j o r f a c t o r s t l l a tc a u s e dt h ef a i l u r eo f p a r t i a lw o r n s u r f a c ei n d u c t i o nh a r d e n i n gp r o c e s s w a si n v e s t i g a t e do nt h eb a s i so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi n d u c t i o nh e a t i n g s e r i e so fm e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t sw e r ea p p l i e dt oag r o u po f p i s t o nr o d s t r e a t e d b ya l t e r n a t i v ep r o c e s s e s 矗o m w h i c ha n o p t i m i z e dp r o c e s s w a s c h o s e no nt h ec o n d i t i o nt h a tt h ep i s t o nr o d st r e a t e db yt h i sp r o c e s ss h o w e d b e t t e rs u r f a c ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s c o m p a r a t i v ei m p a c t w e a rt e s tw a sc a r r i e do u tf o rt 1 1 e p i s t o nr o d st r e a t e dr e s p e c t i v e l yb yt h e o r i g i n a lp r o c e s sa n do p t i m i z e dp r o c e s s i tw a s f o u n dt h a t p i s t o n r o d st r e a t e d b yo p t i m i z e dp r o c e s sr e p r e s e n t e dt h e b e s ta n t i w e a r p r o p e r t i e s an o n l i n e a r a x i s y m m e t r i c f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fe l e c t r o m a g n e t i c t h e r m a lc o u p l i n gf i e l dw a se s t a b l i s h e dt os i m u l a t es u r f a c ei n d u c t i o n h e a t i n g n e a n a l y t i c a lw a y o fr e a l - t i m ep a r a m e t e rc o u p l i n gf o rt i m ei n t e r v a l sw a s u s e di nt h es i m u l a t i o n m a g n e t i cf l u xd e n s i t ya n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o f p i s t o nr o du n d e rc o l ds k i nd e p t hw e r eo b t a i n e d t h er e s u l tr e f l e c t e dt h e f e a t u r e so fs u r f a c ei n d u c t i o nh e a t i n g at h e o r e t i c a la n a l y s i sm o d e lw a s e s t a b l i s h e df o rs u r f a c ei n d u c t i o nh e a t i n go f p i s t o nr o d a c c o r d i n g t ot h ec o u p l i n gf i e l da n a l y s i s ，an e wf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) m o d e lo nt h eb a s i so fs a t f a c ep o w e rd e n s i t yw a se s t a b l i s h e d f r o m t h ev a l u eo fs u r f a c em i c r o h a r d n e s st e s tf o rp i s t o nr o d s ，i tw a sf o u n dt h a tt h e d e p t ho f h a r d e n i n g z o n ew a s p r o p o r t i o n a l t ot h er a t i oo f t h e m o v i n gs p e e d t o 上海交通大学硕士学位论文a b s t r c t t h eo u t p u tp o w e r t h i se x p e r i m e n t a lr e s u l tw a sp r o v e dc o r r e c tt h r o u g ht h e f e ms i m u l a t i o n i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h ea d j u s t m e n to fo u t p u tp o w e ro f i n d u c t i o nh e a t i n ga n dt h em o v i n g s p e e do fp i s t o nr o dw a s a ne f f i c i e n tw a y t oo p t i m i z et h ep r o c e s s e so f p i s t o n r o d s s t a t i ct e n s i l et e s ta n du s h a p en o t c hi m p a c t t e a ta tr o o m t e m p e r a t u r e w e r ec a r r i e do u tf o rs i x g r o u p s o fp i s t o nr o d st r e a t e d b y a l t e r n a t i v e p r o c e s s e s t h et e s tr e s u l t s s h o w e dt h a t p i s t o nr o d s t r e a t e db yap r o c e s s w h e r et h eo u t p u tp o w e rw a s8 2 8 0 k wa n dt h em o v i n gs p e e do f p i s t o n r o dw a s 5 4 9 8 m m m i n ，r e p r e s e n t e d t h eb e s t c o m p r e h e n s i v e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e i t s h o w e dn o to n l yb e t t e rt e n s i l e s t r e n g t h ，b u t a l s o g o o d e x t e n s i b i l i t 5 , a n dn o t c ht o u g h n e s s t e n s i l ef r a c t u r e sa n ds u r f a c em i c r o s t r u c t u r e so fi n d u c t i o nh a r d e n e d p i s t o nr o d sw e r ea n a l y z e db ys c a n n i n g e l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e m ) i tw a s f o u n dt h a tt h es u r f a c es t r u c t u r e so fp i s t o nr o d st r e a t e db yo p t i m i z e dp r o c e s s h a df i n e rm a r t e n s i t ea n dl o w e r b r i t t l e n e s s ，w h i c hr e p r e s e n t e d t h eb e s t c o m p r e h e n s i v e m e c h a n i c a l p r o p e r t y c o m p a r a t i v ei m p a c tw e a r t e s t sw e r ec a r r i e do u tf o rp i s t o nr o d st r e a t e d b yo r i g i n a lp r o c e s sa n do p t i m i z e dp r o c e s so n b l c w - i r e c i p r o c a t i n gw e a r t e s tm a c h i n e r e s p e c t i v e l y i tw a ss h o w n t h a tt h e 矗i c t i o 咀c o e f f i c i e n ta n dw e a r o f p i s t o nr o d st r e a t e db yo p t i m i z e dp r o c e s sw e r er e l a t i v e l yl o w e rt h a nt h a t o fp i s t o nr o d st r e a t e d b yo r i g i n a lp r o c e s s t h ep i s t o n r o d st r e a t e db y o p t i m i z e dp r o c e s sh a dh i 曲e r a n t i w e a ra b i l i t i e s k e y w o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ，p i s t o nr o d ，f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ， t e m p e r a t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w e a r 上海交通太学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 减振器是汽车底盘悬架结构的关键部件【】，汽车悬架减振器关系到汽车的舒适 性及使用寿命，其中连杆偏磨是导致减振器失效的主要原因之一。 发生偏磨失效的摩擦副为减振器连杆与导向器衬套，它们之间由于产生相对滑 动，并在冲击载荷作用下承受脉动侧压力而造成了偏磨损现象。减振器摩擦副的示 意图为图1 1 3 5 钢连杆 钢基 最表面镀硬铬 图卜1 减振器连杆与导向器衬套形成滑动摩擦副示意图 f 培1 1s k e t c ho f s l i d e f r i c t i o nb e t w e e nt h ep i s t o nr o da n dt h eg u i d eb u s ho f s h o c ka b s o r b e r 通过大量的失效分折，找到了连杆偏磨失效的原因1 2 是：导向器衬套中的玻璃 纤维与聚四氟乙烯塑料的界面结合力差，在服役过程中的冲击力作用下崩出，存在 于导向器衬套与连杆的摩擦副之间形成磨粒，而玻璃纤维在冲击力作用下压碎的电 镀层也形成磨粒，偏磨是因为磨粒磨损产生的。同时发现连杆的材料存在缩孔、夹 杂物、及淬火后连杆表层有微裂纹，表明连杆材料及其高频感应淬火工艺等存在问 题，因此对汽车悬架减振器连杆进行工艺优化的研究就显得非常必要。 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 感应淬火原理与特性 利用感应涡流的热效应进行加热称之为感应加荆”，当铁芯线圈通以交流电流 时线圈周围会产生交变磁场，在线圈内部及其周围就会产生一个交变磁场，置于感 应线圈内的导体被这个交变磁场的磁力线所切割。根据电磁场理论，处于变化磁场 中的导体内将产生涡流，导体内电流的产生使工件得以加热。 将这种交变磁场形成的感应加热用来代替普通的电炉加热，并应用到冶金淬火 领域中便形成了感应淬火工艺。高频感应淬火是指电流的交变频率在1 0 k h z 以上的 一种感应淬火方式。使用高频可以获得很高的功率密度，使热量能够集中在一个局 部区域内。该淬火方式可以在不影响材料其它部分的情况下，仅仅只改变这个区域 的冶金性能。它的优点是可以在零件上得到由低脆性的中心来支撑薄的表面硬化 层，既能保持中心具有一定的强度而表面又具有高的耐磨性，同时淬火过程中零件 几乎不会产生变形。 相对其他加热方式，感应加热具有如下几个特点： 1 ) 加热速度快、热效率高。这是由于处在交变磁场中的零件靠自身产生的热量来 加热，其热损失少，热效率可达6 0 以上，且加热速率每秒可达几百度到几千 度。 2 ) 加热质量高。由于加热时间短，对钢件而言表面不会产生脱碳和氧化。 3 ) 感应加熟无污染。工作环境好，便于实现自动化。 现代感应加热的主要依据是电磁感应、集肤效应和熟传导三项基本理论。 感应加热中被感应的导体随线圈电流频率的增加，感应电流越趋集于表面的现 象称为集肤效应。可用公式表达如下【4 j ： ，r i 、 = j 。e 划一2 _ e ，恽工i ( 1 - 1 ) l o vp 上式中， 是导体的表面电流密度：x 为到表面的距离；c 是光速( 3 1 0 8 利 秒) ；为被加热材料的相对导磁率；f 为电流频率；p 是被加热材料的电阻率。 规定电流，降至表面涡流厶的l t e ( e = 2 7 1 8 ) 处的深度为“电流透入深度”， 用艿表示为【5 l ： 第2 页共6 7 页 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 占：上 2 万 ：5 0 3 x 1 0 4t 愕 v ( 3 2 ) 众所周知，钢随温度增加到一定的程度时会使去磁性，失去磁性的点称为居里 点。我们把钢在居里点阻下的电流透入深度称为冷透入深度d 一，将居里点以上的 电流透入深度称为热透入深度d * 。 由于零件的淬硬层厚度z * 是指从淬火表面测到5 0 马氏体( 或达到硬度要求 值下限) 处的这段距离，它与电流透入深度的概念是不一样的，当d * y * 时，称 为透入式加热，当d * 0 8 ：d * ( 5 1 ) ”厂2 - , 甄0 0 0 6 ” 即原工艺的频率选择是适合的，同时频率值靠近上限有较高的效率。 感应器与连杆问存在漏磁现象，漏磁通的大小与连杆线圈之间的间隙有关，较 小的间隙能使密度大的磁通穿过连杆，提高感应器的效率；但间隙过小，会因为淬 火变形造成径向跳动而发生干涉。一般连杆直径在中3 0 毫米以下取间隙值为1 5 2 5 是适合的。现有工艺的间隙值是满足生产要求的。 金相组织照片观察表明，外表层组织可完全淬成马氏体。表5 3 所选的淬火液 参数能使钢的冷却速度大于马氏体的临界淬火速度( 后面模拟同样表明) ，即冷却 曲线不与c c t 曲线的c 形鼻子相交。说明该淬火液( 水) 能满足要求。 现在可供选择的参数只有工件的移动速度和感应发生器的输出功率，两者分别 决定了淬火时间和工件的表面功率密度。一般淬火时间与表面功率密度的协调决定 了淬硬层深度【5 1 ，若淬硬层深度一定，则该两参数可分别选取，在满足淬硬层深度 的条件下可通过调整移动速度和功率来改变淬火状态为调整工艺建立了理论基 础。 5 2 2 高频感应淬火工艺调整方案的参数选择 考虑到淬火深度有一定的要求，淬硬层过深则降低了生产率、浪费能源、并存 在最表面过热倾向增加和内应力过大的缺点；过浅则不能满足使用过程中对连杆耐 磨性的要求。首先要解决功率与进给速度的比例协调关系，以获得最优的淬硬深度， 然后研究功率与速度在该比例作用下，不同取值对组织与力学性能的影响，并最终 找到最佳高频淬火功率。 功率与速度应按怎样的比例进行调整，他们之间的关系是线眭的还是非线性的， 需要具体的试验来确定，并通过数值模拟来验证。 第4 1 页共6 7 页 上海交通大学硕士学位论文第五章连杆表面感应淬火工艺研究 表5 - 4 为按功率与速度分别独立选取的淬火参数，选取原则为：功率大应适当 提高连杆的移动速度。 表5 - 4 巾1 2 7 连杆五种不同的高频淬火工艺( 按不同的功率与速度独立选取) 试样号感应发生器的输出功率( 8 0 k w )工件进给速度( r a m r a i n ) 1 存8 04 5 0 0 2 存8 45 1 0 0 3 存8 65 4 0 0 删8 85 9 0 0 5 捍9 06 1 0 0 5 2 3 显微硬度试验 对表5 _ 4 所示的不同淬火工艺处理的连杆进行取样，取样按纵向进行，如图5 。3 。 纵向硬度铡试 图5 - 3 显微硬度测试的取样与测试方向 f i g 5 3t h e d i r e c t i o na n d s a m p l eo f t h e m i c r o h a r d n e s st e s t 试样进行切割、镶嵌和磨制后在a m h 一1 0 0 型的全自动显微硬度仪上进行沿深 度方向的硬度测试，测试参数如表5 5 所示： 表5 - 5 显微硬度的测试方法 l压入头压入载荷物镜倍数分辨精度极限测试范围 lv i c t o r s 1 0 0 0 9 4 0 x o 0 0 0 3 6 m m p i x 7 6 3 h v 用以上方法对表5 - 4 所示的不同工艺处理的连杆进行了显微硬度测试，其中各 工艺处理连杆的测试结果如图5 - 4 。图中对测试点进行了s i g m o d i a l 曲线拟合，拟合 方程为b o l t z m a n 方程： y = 格+ 彳， 其中的a l 、a 2 和a 3 是拟合参数。 d e p t hf r 。ms u r f a c e ( m m ) ( 5 2 ) 图5 - 4 不同工艺处理连杆的横截面显微硬度分布曲线 f i g 5 - 4m i c r o h a r d n e s s d i s t r i b u t i o nc u r v eo f c r o s s s e c t i o nb a s e do nv a r i o u sp r o c e s sp a r a m e t e r s 工艺规定，显微硬度大于h v 4 0 0 的部分为淬硬层深度。表5 - 6 为五组工艺的速 功比与淬硬层深度的值。 表5 - 6 为不同工艺的速功比与淬硬层深度 试样功率速度 速度功率 淬硬层深度 了 ( x 8 0 k w )( m m m i n )( m m ) l 岸8 04 5 0 05 6 2 50 9 5 7 2 f l8 45 1 0 06 0 7 l0 9 0 6 3 岸8 65 4 0 06 2 7 90 8 9 0 4 岸8 85 9 0 06 7 0 50 8 4 3 5 岸9 06 1 0 06 7 7 80 8 3 8 图5 4 可以得出不同的工艺处理连杆横截面显微硬度分布曲线形式是相同的， 但移动速度低的曲线靠右，移动速度快的曲线靠左，并功率小的较功率大的曲线分 (，、h)*cpj竺o_bi： 上海变通大学硕士学位论文第五章连杆表面感应淬火工艺研究 布平稳。为此我们推测速功比( 移动速度( r a m r a i n ) 输出功率( k w ) ) 与淬硬 层深度( 4 0 0 h v 的深度( m m ) ) 可形成线形规律，将它们按不同的五组工艺进行 线性拟合如图5 - 5 所示： s p e e d , p o w e r 图5 - 5 津硬层深度与速功比的线性拟合 f i g 5 - 5l i n e a rf i t t i n gc u r v eb e t w e e nt h ed e p t ho fh a r d e n i n gz o n ea n ds p e e d p o w e r 试验结果表明，淬硬层深度与速功比成线性关系。 试验上得到该关系仍然是不够的，尚需要通过理论支持。目前基于感应淬火的 工艺调整方案大都是通过经验公式来验证或定性地描述，而即使是简单形状的零件 也很难用精确的公式理论来论述。为此提出通过数值模拟方法来反应速功比相同的 温度场，因为连杆材料的性能( 包括淬硬层深度) 实际是温度的函数，即研究温度 场就能够设法验证速功比与淬硬层深度的关系。 5 3 表面高频感应淬火温度场模拟模型 感应淬火过程包括三个阶段：即感应加热( 高频电感涡流形成大的表面功率密 度) 、喷水淬火( 强制高压喷水对流冷却) 和空冷( 表面吸附热水的缓冷) 阶段。 图5 - 6 示出了连杆感应淬火的三个阶段，该三个过程是在空间上同时存在，但连杆 的每一截面在时间上却是顺次进行的。图中的尺寸是按照比例绘制。 第“页共6 7 页 t 上海交通大学硕士学位论文第五章连杆袁面感应淬火工艺研究 圈5 - 6 表面高频感应淬火的温度场计算模型 f i g 5 6c a l c u l a t i o nm o d e lo f t h c r m a tf i e l do f s u r f a e eh i g h - f r e q u e n c yi n d u c t i o nh a r d e n i n g 基于第三章温度场的计算模型，对三个阶段采用连续式瞬态分析。所不同的是边