ANSYS的絲錐淬火冷卻過程計算機模擬

2013-06-10  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

作者: 韓斌慧*閻獻國    來源: 萬方數據
關鍵字: 絲錐 淬火 溫度場 應力 計算機模擬  
以現有的絲錐淬火工藝規程為依據,使用ANSYS軟件對絲錐淬火冷卻過程進行了模擬,得出了溫度場以及應力場的等值線分布圖,為正確預測刀具溫度場、應力場,解決高硬度刀具溫度場難于在線測量問題提供了比較可行、可靠而且簡便的辦法。該方法對于同類型刀具具有普遍意義。

熱處理是保證制造業產品的內在質量,提高其使用性能和可靠性的重要環節。傳統的熱處理是一種依靠經驗型技術實現的熱處理,經驗型的技術很難溶人以信息化為主導的先進制造技術之中。因此迫切需要將熱處理改造為基于知識的熱處理技術,從而減弱熱處理信息化在制造業中的瓶頸問題。

對熱處理過程的計算機模擬是保證熱處理信息化的關鍵。金屬切削刀具是制造業中最基本的生產要素,絲錐則屬于金切刀具中復雜刀具的一種,對其熱處理過程的計算機模擬一旦有所突破,將會最終帶動整個刀具制造行業,從而影響到整個制造業的熱處理信息化進程。由于淬火過程直接影響到刀具的最終使用性能,而且屬于熱處理過程中溫度和應力變化最大的一個環節,組織變化復雜,所以以此作為研究的依據。

熱處理過程還具有“瞬息萬變”的特性,欲實時獲取某瞬時、某特定冷卻條件下的溫度場、應力場分布情況,在現有的測試手段、試驗方法以及測試儀器下還顯得難度較大。

隨著計算機軟、硬件水平的提高,伴隨著數值計算方法、計算傳熱學、熱彈塑性理論、相變動力學、計算流體力學等學科的同步跟進,對于絲錐的淬火過程計算機模擬已成為可行、可靠的技術手段。

    1 淬火過程計算機模擬的客觀依據

計算機模擬只是一種手段,其模擬結果的可靠程度要通過試驗或現行熱處理工藝進行檢驗。此處嚴格按照某工具廠M24絲錐淬火工藝規程進行:對于W9Mo3Cr4V材料制成的絲錐,加熱過程采用在400℃、800℃、1200℃三級加熱,每個溫度保溫20min,然后以90S的時間用鹽浴冷卻的方式降至室溫。

    2 淬火過程計算機模擬的理論依據

該問題屬于瞬態熱分析問題。與絲錐相接觸的硝鹽水溶液的溫度和換熱系數是已知的,所以該問題屬于第三類邊界條件的問題。第三類邊界條件是指與物體相接觸的流體介質的溫度和換熱系數a均為已知,這樣物體與流體介質之間的換熱量就為已知。用公式表示為

其中:和α可以是常數,也可以是隨時間和空間變化的函數。

又由于材料溫度將在一個較大的溫度區間變化,材料熱性能隨溫度變化的非線性因素不能忽略,因此該問題屬于比較復雜的瞬態非線性熱分析問題。

    3 絲錐模型的創建以及有限元模型的導入

    3.1 原始模型的建立

精確建模是正確分析的前提。ANSYS軟件在創建絲錐表面的螺紋、容屑槽等結構要素時非常麻煩,甚至不可能。為此采用當前流行的三維實體造型軟件Solidworks2006,按照GB967-83的標準精確建模,由此產生的實體能夠保證足夠的模擬精度。創建出的模型如圖1所示。

    圖2 M24絲錐有限元分析模型

3.2 ANSYS分析模型的建立

在絲錐實際淬火過程中,出現的廢品多緣于切削刃尖角處應力過大造成開裂。所以模擬時,關注的是含有螺紋部分的切削刃。為了抓主要矛盾,合理利用計算機資源,提高計算速度,所以選取切削刃部分1/2長度,同時截取徑向的1/4進行分析,截取的時候保證容屑槽的對稱性,這樣,可以將分析部位的網格劃分的更細,既可以提高計算精度,又不至于使計算負荷過重,同時還能方便地利用ANSYS的后處理功能,從軸向、徑向對于各種場量的分布進行直觀的觀察判斷。ANSYS模型如圖2所示。

    4 模擬過程中相關參數的設置

在對溫度場求解的過程中,必要的熱物性參數是導熱系數、比熱、對流換熱系數、以及材料的密度。其中,因為密度隨溫度變化較小,模擬時采用恒定值來近似,其余參數則根據熱處理手冊獲取。根據需要,對于起始和終止溫度點處的熱物性參數,使用Origin7.5軟件進行必要的插值后獲取。

在進行應力場分析的過程中,材料的彈性模量、泊松比以及線膨脹系數是必要參數。泊松比隨溫度變化的影響較小,采用恒定值來處理。彈性模量和線膨脹系數則在已有值的基礎上作插值補充。

    5 ANSYS模擬實現過程

    5.1 定義單元類型

模擬時一次求解完成兩種場的分析,所以必須采用耦合單元。這里采用了ScalarTet98耦合單元,該單元可以很好地用于曲面模型的模擬。

    5.2 定義材料性能參數

依次選擇MainMenu→Processor→MaterialProps→MeterialModels命令,出現DefineMaterialModelBe.havior對話框。在MaterialModelAvailable列表框中依次輸入淬火溫度區間需要的導熱系數、彈性模量、泊松比、線膨脹系數、比熱容、密度等所有參數。如圖3、4。

    圖3 淬火過程熱導事值輸入

    圖4 淬火過程彈性模量和泊松比輸入

模擬過程中,高溫部分比熱變化不大,取值480J/(kg·K),密度取值,線膨脹系數在已有資料的基礎上,使用Origin7.5軟件外插值后取值。

    5.3 加載求解

    (1)設置分析類型

    圖5 淬火過程時闊步長設置

分析類型設置為Transient,為了完成瞬態分析,打開自動時間積分項。按圖5進行時間步長的設置。

   (2)定義初始條件

點擊Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Temperature→Uniform Temp菜單,在[TUNIF]Uniform temperature輸人框中輸入1200,表示冷卻過程開始時絲錐具有各個部位一致的均勻初始溫度。

    (3)定義載荷

淬火過程中所受到的熱載荷是處于室溫下的淬火油(工藝規程規定是硝鹽水溶液)和高溫下的絲錐之間的對流換熱載荷,因此分析時要將對流系數和冷卻介質初始溫度作為對流載荷施加給絲錐。此處所用到的硝鹽水溶液的對流換熱系數值可以從熱處理手冊獲得,并按照定義數組參數的形式輸入到ANSYS中,如圖6所示。載荷設置完畢選擇所有表面,加載求解。

    圖6 定義對流邊界條件

    6 模擬結果及分析

    6.1 查看溫度場結果

求解結束后,打開通用后處理器,讀入最后一步計算結果,可以得到淬火冷卻過程結束溫度場分布等值線圖,如圖7所示。

    圖7 淬火結束芯部溫度場等值線圖

從圖中可看到,經過90s冷卻后,刀尖點溫度最低為20℃,芯部的溫度相對比較高。此處假設介質的溫度為20℃左右,所以模擬結果和實際比較吻合。打開時間歷程后處理器,選取圖2中的四個特征點為變量,得到溫度隨時間變化的溫度曲線,如圖8。

可以發現,絲錐冷卻過程中,選定各點的冷卻規律和趨勢基本是一致的,差別僅僅在于一個時間上的推移。

    圖8 淬火過程選定點溫度變化歷程
  6.2 查看應力場結果

打開通用后處理器,選擇查看應力項,得到等效應力等值線圖,如圖9所示。

    圖9 淬火結束等效應力場等值線圖

    圖10 淬火過程牙底最大等效應力點應力變化曲線

從圖9中可以發現,等效應力最大的部位出現在切削刃槽底部位和中心部位,選取淬火后等效應力最大的一個牙底處作為考察點(模型中的1115單元以及該單元包含的178節點區域),得到圖10所示的牙底淬火過程中的應力變化曲線。

從圖10中可以看出,隨著淬火時間的延長,牙底部位的應力值在開始階段出現波動,40S以后開始出現快速上升,直到淬火結束時等效應力值達到最大。這一結果和實際生產中的結論也是比較吻合的。

    7 結論

(1)通過上述模擬過程可以看出:使用ANSYS軟件對絲錐淬火冷卻過程的模擬是可行的,無論從模擬所得的溫度場分布云圖,還是應力場分布云圖來看,基本上和實際(該課題有相應的試驗測定了溫度場)比較吻合,由此可以推廣到別的熱處理過程甚至別的切削工具的熱處理模擬中去,只要能夠測定出材料的熱物性參數,即可獲得比較滿意的結果;

(2)ANSYS軟件可以比較直觀地把淬火冷卻過程中的溫度、應力變化情況顯示出來,可以為熱處理信息化實現過程中合理選擇熱處理參數提供參考,從而為推動熱處理信息化的發展創造條件;

(3)為了驗證模擬的可靠性,先前做過相應的試驗,但是由于應力場測量難度較大,存在一定的誤差,而且模擬過程中做了一定的簡化,比如:沒有考慮組織轉變引起的相變潛熱的影響,也會產生一定的誤差。隨著后續的進一步努力,必將在熱處理計算機模擬方面有所突破。

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