一种真空热处理布料矩阵的优化方法与流程

本发明涉及真空热处理炉技术领域，特别涉及一种真空热处理布料矩阵的优化方法。

背景技术：

热辐射是一种电磁波沿直线传播，而不同工件之间会发生相互遮挡，从而形成热辐射不能直接入射的表面，称为辐射暗区，辐射暗区会直接影响加热效率和有效加热区温度场均匀性，而辐射暗区的大小是由布料矩阵决定的。

目前，真空热处理设备处理的工件主要包括轴、喷嘴、齿轮、轴承等，其形状大致可以归为两类：长圆柱和短圆柱。本申请发明人用圆形棒料和圆形板料代表典型真空热处理零件，进行真空热处理加热过程模拟，研究布料矩阵对加热效率和温度场均匀性的影响规律。

因此，如何提供一种真空热处理布料矩阵的优化方法，为实际生产过程中的工件布置提供理论指导，已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种真空热处理布料矩阵的优化方法，以解决目前针对布料矩阵对加热效率和温度场均匀性影响规律研究较少，还未能为实际生产过程中工件布置提供理论指导的技术问题。

本发明提供一种真空热处理布料矩阵的优化方法，模拟16根φ40mm×200mm规格20crmnti圆形棒料，分别在顺排式和叉排式两种不同布料矩阵下真空加热，具体加热工艺：以15℃/min的加热速率升温至650℃，保温60min，再以12℃/min的加热速率升温至950℃，保温30min；选用自由四面体单元进行网格剖分，顺排式四面体单元数量为22000，最低单元质量0.19，平均单元质量0.56；叉排式四面体单元数量为43830，最低单元质量0.27，平均单元质量0.56；数值模型作如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响。

其中，顺排式具备对称性，采取1/2模型进行数值模拟；叉排式不具备对称性，采用完整模型进行数值模拟。

具体地，圆形棒料在顺排式和叉排式两种不同布料矩阵形式下，顺排式边部工件和心部工件的升温速率均高于叉排式，且心部工件升温速率差别更大。

进一步地，叉排式布料条件下心部工件加热滞后现象更加明显，与炉温差别更大；在预热段保温60min，顺排式心部工件与炉温之间的差值为9℃，叉排式心部工件与炉温之间的差值为13℃；炉温达到设定温度950℃后保温30min，顺排式心部工件与炉温之间的差值5℃，叉排式心部工件与炉温之间的差值为10℃。

更进一步地，顺排式温度场最大温差为135℃，叉排式温度场最大温差为144℃；采用顺排式布料温度分布更加均匀且升温速率更快，叉排式布料边部工件与心部工件温度差别更大，出现局部过热的情况。

相对于现有技术，本发明所述的真空热处理布料矩阵的优化方法具有以下优势：

本发明提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中，在相同加热工艺条件下，对比圆形棒料在顺排式和叉排式两种布料矩阵条件下升温曲线和温度分布云图可知，采用顺排式布料，工件升温速率高于叉排式，有效加热区温度分布更均匀，并且工件排布更紧凑，因此，对于长轴类零件进行真空加热时，优先选用顺排式布料矩阵。

本发明还提供一种真空热处理布料矩阵的优化方法，模拟48块ф120mm×15mm规格20crmnti圆形板料，分别在竖排式和横排式两种不同布料矩阵下真空加热，具体加热工艺为：以15℃/min的加热速率升温至650℃，保温60min，再以12℃/min的加热速率升温至950℃，保温30min；选用自由四面体单元进行网格剖分，横排式四面体单元数量为24951，最低单元质量0.26，平均单元质量0.52；竖排式四面体单元数量为24918，最低单元质量0.26，平均单元质量0.52；数值模型作如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响。

其中，竖排式是工件中心轴线方向与石墨管中心轴线方向平行，横排式是工件中心轴线与石墨管中心轴线方向平行。

具体地，圆形板料在横排式和竖排式两种不同布料矩阵形式下，边部工件横排式升温速率大于竖排式，心部工件采用竖排式布料的升温速率大于横排式。

进一步地，采用横排式布料矩阵，心部工件与炉温差值更大，加热滞后现象更加明显；横排式心部工件心表最大温差为68℃，大于竖排式心部工件心表最大温差60℃。

更进一步地，横排式温度场最大温差为238℃，竖排式温度场最大温差为175℃，且竖排式温度最低温度高于横排式；采用竖排式布料矩阵，加热过程温度场分布更加均匀，且心部工件升温速率更快。

相对于现有技术，本发明所述的真空热处理布料矩阵的优化方法具有以下优势：

本发明提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中，在相同加热工艺条件下，对比圆形板料在横排式和竖排式两种布料矩阵条件下升温曲线和温度分布云图可知，采用竖排式布料，中心工件升温速率更快，同时有效加热区温度分布更均匀，因此，对于板类零件进行真空加热时，优先选用竖排式布料矩阵。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料顺排式的分布结构示意图；

图2为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料顺排式的分布结构示意图；

图3为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料叉排式的分布结构示意图；

图4为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料叉排式的分布结构示意图；

图5为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料顺排式的网格剖分示意图；

图6为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料叉排式的网格剖分示意图；

图7为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料在不同布料矩阵下的升温曲线示意图；

图8为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料在不同布料矩阵下的温差曲线示意图；

图9为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料横排式的分布结构示意图；

图10为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料横排式的分布结构示意图；

图11为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料竖排式的分布结构示意图；

图12为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料竖排式的分布结构示意图；

图13为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料横排式的网格剖分示意图；

图14为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料竖排式的网格剖分示意图；

图15为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料在不同布料矩阵下边部工件的升温曲线示意图；

图16为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料在不同布料矩阵下心部工件的升温曲线示意图；

图17为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料在不同布料矩阵下炉温与工件心部的温差曲线示意图；

图18为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料在不同布料矩阵下工件心表的温差曲线示意图。

图中：1－边部工件；2－心部工件；s－表面温度；c－中心温度。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料顺排式的分布结构示意图；图2为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料顺排式的分布结构示意图；图3为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料叉排式的分布结构示意图；图4为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料叉排式的分布结构示意图；图5为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料顺排式的网格剖分示意图；图6为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料叉排式的网格剖分示意图。

本发明实施例提供一种真空热处理布料矩阵的优化方法，如图1－图4结合图5和图6所示，模拟16根φ40mm×200mm规格20crmnti圆形棒料，分别在顺排式和叉排式两种不同布料矩阵下真空加热，具体加热工艺：以15℃/min的加热速率升温至650℃，保温60min，再以12℃/min的加热速率升温至950℃，保温30min；选用自由四面体单元进行网格剖分，顺排式四面体单元数量为22000，最低单元质量0.19，平均单元质量0.56；叉排式四面体单元数量为43830，最低单元质量0.27，平均单元质量0.56；数值模型作如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响。

相对于现有技术，本发明实施例所述的真空热处理布料矩阵的优化方法具有以下优势：

本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中，在相同加热工艺条件下，对比圆形棒料在顺排式和叉排式两种布料矩阵条件下升温曲线和温度分布云图可知，采用顺排式布料，工件升温速率高于叉排式，有效加热区温度分布更均匀，并且工件排布更紧凑，因此，对于长轴类零件进行真空加热时，优先选用顺排式布料矩阵。

其中，如图1、图2和图5所示，顺排式具备对称性，可以采取1/2模型进行数值模拟；如图3、图4和图6所示，叉排式不具备对称性，可以采用完整模型进行数值模拟。

图7为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料在不同布料矩阵下的升温曲线示意图。

具体地，如图7所示，圆形棒料在顺排式和叉排式两种不同布料矩阵形式下，顺排式边部工件1和心部工件2的升温速率均高于叉排式，且心部工件2升温速率差别更大。由于工件的热量源于石墨电极的热辐射，而叉排式布料矩阵心部工件2受到遮挡更加严重，因此吸收的热辐射少，升温速率慢。

图8为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形棒料在不同布料矩阵下的温差曲线示意图。

进一步地，如图8所示，叉排式布料条件下心部工件2加热滞后现象更加明显，与炉温差别更大；在预热段保温60min，顺排式心部工件2与炉温之间的差值为9℃，叉排式心部工件2与炉温之间的差值为13℃；炉温达到设定温度950℃后保温30min，顺排式心部工件2与炉温之间的差值5℃，叉排式心部工件2与炉温之间的差值为10℃。

更进一步地，顺排式温度场最大温差为135℃，叉排式温度场最大温差为144℃；采用顺排式布料温度分布更加均匀且升温速率更快，叉排式布料边部工件1与心部工件2温度差别更大，出现局部过热的情况。由于顺排式心部工件2与边部工件1分别位于正方形的顶点与中心，而叉排式心部工件2与边部工件1分别位于菱形的顶点与中心，两工件之间的距离更远，因此边部工件1对心部工件2的辐射角系数更小，从而导致边部工件1入射至心部工件2的辐射能减小；此外，顺排式工件在距离其中心轴线70mm圆周上仅受到4个工件的遮挡作用，而叉排式工件在相同圆周上受到6个工件的遮挡作用，遮挡更严重。

综上所述，对于长轴类零件进行真空加热时选用顺排式布料矩阵，升温速率更快，温度均匀性更好，且更加节省空间。

图9为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料横排式的分布结构示意图；图10为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料横排式的分布结构示意图；图11为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料竖排式的分布结构示意图；图12为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料竖排式的分布结构示意图；图13为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料横排式的网格剖分示意图；图14为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料竖排式的网格剖分示意图。

本发明实施例还提供一种真空热处理布料矩阵的优化方法，如图9－图12结合图13和图14所示，模拟48块ф120mm×15mm规格20crmnti圆形板料，分别在竖排式和横排式两种不同布料矩阵下真空加热，具体加热工艺为：以15℃/min的加热速率升温至650℃，保温60min，再以12℃/min的加热速率升温至950℃，保温30min；选用自由四面体单元进行网格剖分，横排式四面体单元数量为24951，最低单元质量0.26，平均单元质量0.52；竖排式四面体单元数量为24918，最低单元质量0.26，平均单元质量0.52；数值模型作如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响。

相对于现有技术，本发明实施例所述的真空热处理布料矩阵的优化方法具有以下优势：

本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中，在相同加热工艺条件下，对比圆形板料在横排式和竖排式两种布料矩阵条件下升温曲线和温度分布云图可知，采用竖排式布料，中心工件升温速率更快，同时有效加热区温度分布更均匀，因此，对于板类零件进行真空加热时，优先选用竖排式布料矩阵。

其中，如图11、图12和图14所示，竖排式是工件中心轴线方向与石墨管中心轴线方向平行；如图9、图10和图13所示，横排式是工件中心轴线与石墨管中心轴线方向平行。并且，由于几何模型具有对称性，因此可以取二分之一模型进行仿真模拟。

图15为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料在不同布料矩阵下边部工件的升温曲线示意图；图16为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料在不同布料矩阵下心部工件的升温曲线示意图。

具体地，如图15和图16所示，圆形板料在横排式和竖排式两种不同布料矩阵形式下，边部工件1横排式升温速率大于竖排式，心部工件2采用竖排式布料的升温速率大于横排式。由于在横排式布料矩阵下，边部工件1的端面可以接收到石墨管整个长度方向的热辐射，而在竖排式布料矩阵下，只有部分长度石墨管热辐射可以入射到边部工件1的端面；对于心部工件2而言，主要依靠侧表面吸收的热辐射升温，显然横排式心部工件2侧面受到的遮挡更严重。

图17为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料在不同布料矩阵下炉温与工件心部的温差曲线示意图；图18为本发明实施例提供的真空热处理布料矩阵的优化方法中圆形板料在不同布料矩阵下工件心表的温差曲线示意图。

进一步地，如图17和图18所示，采用横排式布料矩阵，心部工件2与炉温差值更大，加热滞后现象更加明显；横排式心部工件2心表最大温差为68℃，大于竖排式心部工件2心表最大温差60℃。由于横排式布料矩阵中，心部工件2阴面受到遮挡较竖排式更加严密，因此导致心部工件2的中心温度c升温速率大幅低于表面温度s。

更进一步地，横排式温度场最大温差为238℃，竖排式温度场最大温差为175℃，且竖排式温度最低温度高于横排式；采用竖排式布料矩阵，加热过程温度场分布更加均匀，且心部工件2升温速率更快。由于加热时间是由整个有效加热区内升温速率最慢的点决定，因此竖排式布料加热效率更高。

综上所述，对于板类零件进行真空加热时选用竖排式布料矩阵，升温速率更快，温度均匀性更好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。