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Dante仿真解决压力淬火热处理工艺敏感性分析

2023-10-27 837

一、客户需求与工艺概述

本研究的基础是由 AISI 52100钢制成的轴承环。轴承套圈在冲压淬火过程中出现失效,表现在周向上出现裂纹。

压力淬火是一种常用的淬火硬化技术,适用于在标准自由淬火操作中无法保持公差的部件,例如汽车和航空航天应用中使用的螺旋锥齿轮和轴承座圈。压力淬火操作旨在通过在快速冷却时,部件的关键位置施加载荷来控制部件的变形,通过旋转开槽环以限制或释放淬火液流到零件周围的不同区域,可以进一步控制淬火介质与工件的换热。

由于压力淬火工作形式上热和相变引起的尺寸变化,产生了加工内应力和残余应力,复杂化了其热处理形式中的工艺敏感性。



利用有限元软件DANTE对壁厚变化进行建模。针对所述问题,使用有限元模型来检查几种过程敏感性。将精细的网格应用于轴承座圈的二维轴对称横截面,以准确捕获淬火过程的热传递。

二、分析说明及参数化重点

当零件冷却和收缩时,零件和淬火模具之间会产生一些摩擦,因为模具会保持轴承座圈水平放置。在某些情况下,零件会黏在淬火模具上,从而阻碍零件自然收缩的能力,可能导致零件在淬火过程中产生不良应力。

在本次分析中,将评估不同的摩擦条件:针对淬火速率快慢的分析条件将使用恒定的摩擦系数。其他三个条件模拟同速率下,黏附面在上、下表面以及同时存在于上下表面。通过固定径向方向上的选定区域来模拟粘着,限制轴承座圈的自然收缩。


除了六种摩擦条件之外,还设置了四种淬火速率,以评估它们对应力发展的影响。淬火速率通过以下参数进行评估:

使用最低的摩擦系数来进行针对淬火速率的分析,两个较高的摩擦系数和粘着条件则使用标准淬火速率。最后的其余情况使用最低的摩擦系数,以及降低的内径淬火速率和外径上的标准淬火速率。


三、分析结果,得出结论

以淬火速率为例,加热快慢与流动量大小等指标换算成换热能力的参数作为变量,经过Dante计算后得到结果查看云图,可知不同淬火速度下工件表面残余加工应力与开裂可能性的大小。这里淬火速率显示裂纹形成区域的拉伸应力在加工过程中出现峰值。最高流量的淬火显示出最高拉伸应力,达到了746 MPa,发生在淬火后第12秒。


通过等高线可以观察到各种黏附条件的效果。也直观地体现出轴承套圈较大质量区域的转变是在淬火期间产生拉应力峰值的主要原因。体积变形迫使零件顶部向上移动,底部径向向外移动,将轴承座圈拉开并产生张力,这也是裂纹产生的主要原因。



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