1、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
2、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 SYS
3、WELD 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
4、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 500 13h 10%左右
5、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。表 2 不同温度、不同氨分解率下的氮浓度30% 40% 50% 60%490 3.1 wt.% 2.3 wt.% 2.0 wt.% 1.8 wt.%500 4.3 wt.% 3.2 wt.% 2.8 wt.% 2.3 wt.%515 5.3 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
6、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 局部氮浓度分布氮浓度温度分解率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
7、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
8、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
9、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晶格畸变；3. 氮化后的零件表面应力最大为 160MPa，残余应力相对较小。参考文献1 陈宗民, 于文强. 铸造金属凝固原理M. 北京: 北京大学出版社, 2014. 1.2 V. E. Bazhenov, A. V. Koltygin, A. V. Fadeev. The use of the ProCast software to simulate the process of investme
10、nt casting of alloy based on titanium aluminide TNM-B1 into ceramic moldsJ. Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2013, (6): 551-555.3 徐尊平，强华. 不同铸型铸造凝固过程温度场的有限元模拟J. 热加工工艺, 2008, 37(17): 13-15.4 侯起飞, 杨娟, 王刘利. 石墨形态和氧化夹杂对灰铸铁力学性能的影响 J. 铸造技术, 2010, 31(05): 302-304.5 杨永录 , 张绪国 , 宋岩等. 灰铸铁组织中不良石墨形态的金相分析及质量改进J. 金属加工(热加工), 2012, (01): 71-74.致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
