工件温度场确定方法及热处理参数确定方法与流程

本发明涉及工件温度场确定的方法，以及利用确定的温度场来指导确定热处理参数的方法。

背景技术：

以铸造、锻造等工艺生产出的工件，通常都需要经过热处理才能满足使用要求。例如某大型工件热处理时，需要在奥氏体化温度下至少保温足够时间才能保证工件芯部和表面完全转化为奥氏体。但上述保温时间会因为工件的尺寸、形状不同而改变，导致工艺上不能确定最优的热处理温度曲线。如果工件保温时间不足，则热处理效果不理想，工件性能差；或者保温时间过长，则能源消耗和工序时间都浪费严重。

为准确把握工件每个点位的温度状况，就需要确定工件温度场，即是了解工件每个点位的温度时间函数。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种工件温度场确定方法，利用确定的工件温度场能指导得出适宜的热处理参数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

工件温度场确定方法，包括步骤：在电脑软件中建立工件三维模型；将模型导入有限元分析模拟软件中，为模型设定温度模拟计算的参数；还包括顺序进行的以下步骤：

A、工件的加热温度曲线为T_w，工件表面换热系数为H；

根据空冷表面换热系数拟合公式：

H＝2.2×(T_w-T_c)^0.25+4.6×10^-8×(T_w²+T_c²)×(T_w+T_c) 公式一；

依次进行：

第一次迭代计算：

设T_w＝f(t)，T_c＝当前室温，代入公式一中，计算出第一组换热系数H₀；将H₀输入有限元分析模拟软件中，模拟计算出工件的第一组表面温度g₁(t)；

第二次迭代计算：

设T_w＝f(t)，T_c＝g₁(t)，代入公式一中，计算出第二组换热系数H₁；将H₁输入有限元分析模拟软件中，模拟计算出工件的第二组表面温度g₂(t)；

B、将最后一次迭代计算得到的工件表面温度，输入有限元分析模拟软件中，模拟计算得到工件的温度场。

进一步的，所述步骤A中，第二次迭代计算之后，还包括至少一次迭代计算，且迭代计算的方法与前述迭代计算方法相同。

进一步的，所述第一次迭代计算中，所述T_c＝当前室温＝20℃。

工件热处理参数确定方法，包括如权利要求1、2或3所述的工件温度场确定方法的全部步骤；还包括，以B步骤中确定的温度场来制定工件热处理参数，对工件进行热处理的步骤。

本发明的有益效果是：上述工件温度场确定方法，利用有限元分析模拟软件经过多次迭代计算，能得出接近真实的工件表面的温度时间函数，然后可以将温度时间函数输入有限元分析模拟软件中，能模拟计算出工件的温度场；利用上述温度场可指导得出适宜的工件热处理参数，能确保热处理质量，减少能耗，提高工序效率。

附图说明

图1是采用本发明方法的多次迭代计算的换热系数对比图；

图2是采用本发明方法的得到的工件温度场与工件实测温度对比图，点位一；

图3是采用本发明方法的得到的工件温度场与工件实测温度对比图，点位二；

图4是采用本发明方法的得到的工件温度场与工件实测温度对比图，点位三；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

工件温度场确定方法，包括步骤：在电脑软件中建立工件三维模型；将模型导入有限元分析模拟软件中，为模型设定温度模拟计算的参数；还包括顺序进行的以下步骤：

A、工件的加热温度曲线为T_w，工件表面换热系数为H；

根据空冷表面换热系数拟合公式：

H＝2.2×(T_w-T_c)^0.25+4.6×10^-8×(T_w²+T_c²)×(T_w+T_c) 公式一；

依次进行：

第一次迭代计算：

设T_w＝f(t)，T_c＝当前室温，代入公式一中，计算出第一组换热系数H₀；将H₀输入有限元分析模拟软件中，模拟计算出工件的第一组表面温度g₁(t)；

第二次迭代计算：

设T_w＝f(t)，T_c＝g₁(t)，代入公式一中，计算出第二组换热系数H₁；将H₁输入有限元分析模拟软件中，模拟计算出工件的第二组表面温度g₂(t)；

B、将最后一次迭代计算得到的工件表面温度，输入有限元分析模拟软件中，模拟计算得到工件的温度场。

本发明的工件温度场确定方法，先根据工件的实体形状在电脑软件中建立形状相同的三维模型，然后将模型导入有限元分析模拟软件中，有限元模拟软件能够模拟计算出工件在加热环境中的温度变化，例如，美国SFTC(Scientific Forming Technologies Corporation)公司的deform软件、美国ANSYS公司的ansys软件，美国达索(SIMULIA)公司的abaqus软件等。

在软件中为工件模型设定温度模拟计算的相关参数，例如材料的塑性参数、弹性参数、比热熔、热导率、材料TTT曲线、相变潜热、相变体积、相变塑性等。

然后根据空冷表面换热系数拟合公式，即公式一：

H＝2.2×(T_w-T_c)^0.25+4.6×10^-8×(T_w²+T_c²)×(T_w+T_c)；依次进行数次迭代计算。

公式一中T_w为对工件的加热温度曲线，H为工件表面换热系数。

第一次迭代计算：

设T_w＝f(t)即是工件加热曲线的函数，T_c＝即是工件温度等于当前室温，例如18℃、20℃等，代入公式一中，计算出第一组换热系数H₀；将H₀输入有限元分析模拟软件中，模拟计算出工件的第一组表面温度g₁(t)，为一个温度函数。

第二次迭代计算：

设T_w＝f(t)即保持第一次迭代计算的加热曲线不变，T_c＝g₁(t)即是工件温度等于上一次迭代计算得出的表面温度函数，代入公式一中，计算出第二组换热系数H₁；将H₁输入有限元分析模拟软件中，模拟计算出工件的第二组表面温度g₂(t)。

随后可将最后一次迭代计算得到的工件表面温度，例如经过两次迭代计算，则将g₂(t)，输入有限元分析模拟软件中，软件可以通过工件表面的温度、工件模型形状以及设置好的工件物理特性等模拟计算出工件内部任意点位的温度函数，即是工件温度场。

或者对于形状复杂的工件，为了计算结果更加精准，可以是在第二次迭代计算之后，再进行第三次、第四次或更多次的迭代计算，计算方法与前述迭代计算的规律相同。例如第三次迭代计算，是设T_w＝f(t)，T_c＝g₂(t)即是上一次迭代计算得出的表面温度函数，代入公式一中，计算出第三组换热系数H₂；将H₂输入有限元分析模拟软件中，模拟计算出工件的第三组表面温度g₃(t)。

第四次迭代计算，是设T_w＝f(t)，T_c＝g₃(t)即是上一次迭代计算得出的表面温度函数，代入公式一中，计算出第四组换热系数H₃；将H₃输入有限元分析模拟软件中，模拟计算出工件的第四组表面温度g₄(t)；以此类推。

迭代计算完毕后，需要将最后一次迭代计算得到的工件表面温度g_n(t)输入限元分析模拟软件计算温度场。

如图1所示，为一种工件实施例经迭代计算后的表面换热系数分布，图中横坐标为加热时间/小时，纵坐标为换热系数，最上部的曲线为H₃与H₄，分别为第三次迭代计算、第四次迭代计算得到的换热系数，可见两条曲线几乎已经重合，表明H₃和H₄都已经接近真实的表面换热系数。此时可以停止继续迭代计算，将H₄输入有限元分析模拟软件计算出工件表面温度g₅(t)，然后用g₅(t)在有限元分析模拟软件计算出工件的温度场。

如图2～4所示，为某工件在预设的加热条件下，采用本发明的方法确定温度场后，实测温度与温度场计算温度对比分布。

从图2～4中分别可见，在工件表面、表面以下220mm深、表面以下441mm深的点位，其实测温度与模拟计算的温度都非常接近，表明本发明的温度场确定方法可靠有效。

工件确定后的温度场，可制定合适的参数进行工件热处理。例如图4实施例中，要求工件441mm深处的芯部要加热至800℃以上，从图4可见加热至25h时，工件441mm深处可略高于800℃。由此可以确定，以当前的加热条件，工件加热持续必须持续25h才能满足条件，进而确定出合适的热处理参数进行工件热处理。