工艺模拟仿真系统在热处理生产中的应用研究

周利成，刘孝丽，李天鹏，张 桐，钟 浩

(榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林 719000)

机械零件的设计是围绕产品的使用要求、应用环境以及使用寿命等需求来展开的，要想获得产品相适应的机械性能，需针对零件做不同的热处理加工，尤其随着新材料、新工艺、新技术及新设备的不断涌现，对热处理生产提出了更加苛刻的挑战，热处理生产是特殊过程，对工艺要求极为严格。新产品的热处理设计工艺，传统做法是对整个工序进行工艺验证，满足要求后方可组织生产，其弊端是实验成本高，周期长，难以满足当今的制造需求。鉴于此，计算机辅助制造技术应用而生，并得到广泛的发展。徐广晨[1]利用 Deform-HT 数值模拟软件，对斜齿轮热处理工艺进行了数值模拟，获得其热处理过程中的温度变化规律，并分析了组织和应力分布情况；李东[2]对齿轮热处理中的渗碳与淬火过程进行了模拟分析，演示了渗碳淬火过程可能存在的缺陷以及产生原因，这对工艺控制的改良提供了巨大便利，验证了计算机模拟仿真工艺过程的可行性。

本文以常见的齿轮为例，利用计算机仿真软件Deform对零件生产工艺过程进行模拟仿真，在虚拟环境中对热处理工艺的加热、冷却、内应力以及组织相变进行数据模拟分析，验证工艺的可行性。模拟仿真的目的是揭示工件内部温度场、组织场和应力场等的变化，获取各场量的瞬时信息，从而指导生产，缩短工艺验证周期，降低实际生产成本，更为有效的控制工艺过程，为制定最优工艺方案提供理论依据。

1 对40Cr齿轮工艺设计

Deform是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。其中Deform-HT(热处理)是附加在Deform-2D和Deform-3D之上的热处理仿真工艺模块，其功能可以模拟正火、Cr齿轮工退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程[3-5]，对热处理过程进行分析，包括：硬度、金相组织、扭曲、残余应力及含碳量等。

1.1 齿轮的设计

表1 40 Cr材质化学成分表(%)

仿真选用的齿轮为生产加工中常见的定轴齿轮，齿轮零件及基本参数见图1和图2。因其使用环境为中速、中等载荷且承受轻度冲击，从选材经济性及加工性方面考虑，选用材料牌号为40 Cr的钢材，其在机械制造业使用广泛，调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性[6-9]，满足使用要求，其化学成分与质量百分比含量[10]见表1。

图1 齿轮零件图

图2 齿轮的基本参数

1.2 齿轮热处理工艺设计

齿轮的热处理技术要求为调质处理，根据产品要求设计工艺为：

(1)淬火加热温度860℃；

(2)由热处理加热时间经验公式t=AKD (其中A-加热系数，D-工件有效厚度，K-装炉条件修正系数)，计算得出加热保温时间为1800s；

(3)淬火介质选用专用淬火油；

(4)回火温度选为550℃，回火保温时间为3600s，热处理工艺过程如图3。

图3 热处理工艺简图

2 齿轮建模仿真分析

2.1 建立三维模型

利用三维建模软件SolidWorks建立齿轮三维模型，设置基本参数，存储为Deform可识别加载的STL格式。考虑到对模拟过程的精细化表达，在对齿轮热处理工艺仿真模拟时，选取微观组织相变较为分明的淬火阶段。

2.2 Deform仿真模拟

2.2.1 仿真模拟前处理

(1)在Deform界面选择Heat Treatment过程，新建仿真工程，选定单位“SI”,勾选“Deformation、Diffusion、Phase transformation”。

(2)导入齿轮模型，生成网格，设置网格切片数据为8000，结构化网格层数设为1，在厚度模式中将层厚设置为0.005。

(3)加载选用材料，调出系统自带材料库，选取跟40Cr相对应的材料AISI-5140，考虑到材料库中AISI-5140部分参数不完整，重新定义材料数据，在材料下拉菜单中对“phases、Plastic、Diffusion、Hardness”等参数进行补充定义，输出保存并加载。

(4)工件初始化，设置温度20℃，碳元素0.40，相体积选取平均分布。设置加热温度、时间和冷却介质，定义相关参数。

(5)定义仿真节点边界条件为自动设置，仿真步数为5等其他参数，生成零件40CrDB仿真模型，如图1所示。

2.2.2 仿真模拟运算

在DEFORM-3D界面下，打开前处理过程生成的40CrDB仿真模型，点击Simulation选项下的“start”执行命令，开始对模型进行仿真，打开”Simulation Graphics”仿真过程显示界面，在界面右侧可选择温度、应力等参数，画面显示模拟过程中数据的变化，可对相应的仿真过程实时观测。

2.2.3仿真模拟后处理

图4 齿轮模拟过程温度显示图

打开模拟后处理界面DEFORM-3D Post，加载已模拟完成的DB模型，启动“State Variables”下拉菜单，在菜单中选择温度、应力及显微组织等相应的选项，后处理界面可对相应过程进行动态演示，清晰的表达各个参数的转变过程。为便于观察齿轮内部与外部模拟的不同变化，使用“Tools”菜单下的“Slicing”剖切工具将齿轮对称剖切，同时用“Point Tracking”点追踪命令，分别在齿轮内圆点、剖切面中心点、齿轮顶端三个部位设置三个数据追踪点，依次为P1、P2、P3，如图4所示，利于分析不同状态下、不同部位数据的变化。

3 齿轮的仿真数据分析

3.1 微观组织转变分析

金属材料在一定的介质内加热、保温、冷却，通过温度的变化影响着微观金相组织的转变如图5所示。

图5 淬火阶段温度变化图

材料在室温下初始组织为珠光体(Pearlite)，随着温度的升高，达到奥氏体(Austenite)转变点Ac1。由图可知，当温度上升到726℃时约为奥氏体转变点，随着温度的不断升高，金相组织逐渐由珠光体向奥氏体转变，当温度达到840℃时，金相组织完全奥氏体化，此时珠光体完全消失，如图6。

图6 珠光体组织转变图

奥氏体组织屈服强度和硬度较低，不满足齿轮的使用要求，经过奥氏体均匀化，通过冷却介质使零件的温度急剧降低，达到马氏体温度转变点Ms点(355℃)以下，金相组织从奥氏体向马氏体(Martensite)转变，奥氏体量急剧减少，马氏体量逐渐增多，如图7所示；

经过一定的冷却时间，绝大部分奥氏体组织转变为马氏体组织，如图8，转变结束后，材料的金相组织为马氏体及少量残余奥氏体的混合物。马氏体组织具有高的强度和硬度，满足齿轮所需要的机械性能。

图7 奥氏体组织转变图

图8 马氏体组织转变图

3.2 组织等效应力分析

对剖切面上定义的追踪点P1、P2、P3进行等效应力分析，在加热保温过程中，三点处的等效应力同步变化，无明显差异。淬火冷却阶段，不同部位的组织应力出现明显差异化，位于齿轮顶部的P3点等效应力最大，位于齿轮心部的P2点应力最小，如图9。由图可以看出，齿轮在淬火冷却过程中，齿轮顶端位置为最大应力集中点，开裂倾向最大，因此，在零件设计和热处理过程中，采用相应措施，防止零件开裂。

图9 组织等效应力转变图

3.3 硬度分析

零件内部组织场的转变影响着硬度的变化，其组织转变硬度值变化曲线如图10所示。由图可知，珠光体和奥氏体在组织转变过程中，硬度显示为20HRC，未出现波动变化，这是珠光体和奥氏体组织低硬度的特性造成的，而马氏体组织有很高的硬度，因此在奥氏体向马氏体转变的过程中，硬度急剧变化，硬度值可达到HRC55以上。仿真选取的齿轮尺寸较小，内外部加热速率接近，加热区温度阶梯分布细微，因此，选取的三个部位模拟数据基本重合。

图10 组织转变硬度值的变化曲线

在实际热处理生产过程中，按照上图3所示的热处理工艺进行淬火处理，冷却至室温，经检测，显微组织从珠光体转变为马氏体和残余奥氏体，淬火硬度均为HRC55以上。将仿真模拟数据与实际生产结果相比较可以看出，仿真过程与实际生产基本相吻合。

4 结论

(1)本文采用Deform有限元仿真软件，对定轴齿轮进行了工艺数值仿真模拟，获得其在热处理过程中的组织转变规律、等效应力和淬火后硬度等试验数据。

(2)显微金相组织随着温度的变化在珠光体、奥氏体和马氏体三种状态之间有规律的转变；等效应力则根据工件的形状、温度和相变组织的不同，呈现出差异化的应力分布；温度和金相组织影响着材料硬度值的变化，相比较珠光体和奥氏体组织，马氏体组织硬度最高。

(3)通过这一仿真过程，验证了计算机数值模拟仿真的可行性，在实际生产过程中，可对工艺进行设计修正，简化工艺验证过程，从而缩短生产周期，降低成本，同时更好的控制生产工艺过程和产品质量。