一种连续感应淬火淬硬层深度的预测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种连续感应淬火淬硬层深度的预测方法，尤其涉及一种基于ANSYS的连续感应淬火淬硬层深度的预测方法。
【背景技术】
[0002]感应淬火热处理具有高质量、高效率及清洁环保等优点。连续感应淬火是一个快速加热和冷却的过程，是涉及电磁感应、热传导、热对流和相变的复杂过程。在连续感应淬火过程中，感应器上部一边对工件进行加热，下部的冷却液一边对工件进行冷却。加热和冷却交替进行使得连续感应淬火比静止感应淬火过程更加复杂。为了使工件得到满足要求的表面硬度、淬硬层深度及组织等要求，需要对连续感应淬火过程中的各参数进行严格控制。
[0003]采用数值模拟技术对连续感应淬火过程进行分析，通过温度场预测淬硬层深度，可以有效地解决传统的材料热处理通过大量试验筛选一种较好的工艺所带来的费时和高成本等问题。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种成本较低，且分析效率及精确度较高的连续感应淬火淬硬层深度预测方法。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供一种连续感应淬火淬硬层深度的预测方法，其特征在于，其方法是利用有限元分析软件ANSYS按照以下步骤进行:
步骤一:确定实际工件的淬火条件，所述淬火条件至少包括:连续感应淬火工艺参数、工件及感应器的尺寸与材质、环境温度和冷却条件；
步骤二:在有限元分析软件ANSYS中通过APDL语言编写程序完成对实际工件的建模，定义相关单元，为不同的单元分配属性，划分有限元网格，并根据实际连续感应淬火的工况施加载荷及边界约束条件；
步骤三:采用物理环境法对电磁场和热场建立不同的物理环境，在加热和冷却阶段为单元分配不同的属性进行电磁热双向親合计算；
步骤四:求解得出连续感应淬火工件在经过感应器不同时刻的温度场，根据温度场分布判断淬硬层深度；
步骤五:根据Maynier组织预测模型及硬度公式对工件不同深度处的硬度值进行拟合，并与由温度场得出的淬硬层深度进行对比分析。
[0006]与现有技术相比，本发明的有益效果为:
本发明采用有限元分析软件ANSYS来预测连续感应淬火淬硬层深度，用参数化设计语言APDL编写命令，可根据实际工况来修改模型和载荷，在确保一定精确度的前提下可大大减少试验工作量，降低生产测试成本。
【附图说明】
[0007]图1是本发明的流程图；
图2是轴类零件连续感应淬火示意图；
图3是本实施例中建立的有限元模型；
图4是工件加热区域各位置在感应加热结束时刻三个温度对应的深度；
图5是工件加热区域各位置在喷水开始时刻三个温度对应的深度；
图6是工件加热区域各位置在喷水结束时刻三个温度对应的深度；
图7是工件对称轴在喷水开始时刻的径向温度分布曲线及Maynier模型拟合出的硬度值。
实施例
[0008]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明。
[0009]参见图1，本发明是一种连续感应淬火淬硬层深度的预测方法，其具体方法依次包括:
步骤(I):确定工件的技术要求，采用APDL编写命令；
步骤(2):根据实际连续感应淬火工况在ANSYS中建立有限元模型，包括:工件和感应器的尺寸、工件的对流换热条件、工件与感应器之间的距离、空气场；
步骤(3):定义单元属性，在电磁场物理环境文件中选用二维親合场实体单元PLANE13，定义相关材料属性，包括:感应器及工件的相对磁导率、工件的材料密度、加热比热容C1、电阻率r;然后对实体模型进行网格划分，在保证计算精度的前提下，为了节约计算时间考虑集肤效应的影响将工件表面网格划分较细，心部较粗;在热场物理环境文件中选用二维4节点热实体单元PLANE55，定义换热系数h、热导率k、冷却比热容C2;
步骤(4):根据实际连续感应淬火的工况来施加移动热源和热对流约束以及边界条件，其中至少包括:感应加热电流、感应加热频率、工件移动速度、冷却液种类及压力、环境温度等;定义工件在加热和冷却相变情况下的等效比热容，并采用物理环境法完成磁场、温度场的親合计算；
步骤(5):根据步骤(4)的计算结果完成对工件经过感应器不同时刻对应区域温度的计算，由计算结果导出工件感应淬火区域不同位置处在三个关键时刻(即感应加热结束时刻、喷水开始时刻和喷水结束时刻)的径向温度分布曲线；
步骤(6):根据工件材料对应的、的值选择适当的完全奥氏体化、开始奥氏体化温度及中间温度，结合感应加热升温快的特点在原温度上加上一定的差值，再通过温度曲线来判断出步骤(5)中不同时刻的三个温度对应的深度；
步骤(7):根据不同工件深度处的冷速利用MaynieK梅尼尔)组织预测模型及硬度公式求出其对应的组织及硬度值，以450HV为判断基准得出最终判断淬硬层深度的时刻；
步骤(8):选用不同的感应加热工艺参数再次按照步骤(I)至步骤(7)进行耦合分析，得出不同连续感应淬火工艺参数对工件淬硬层深度的影响。
[0010]为详细阐述本发明的技术方案，参见图2-图7，本实施例是利用ANSYS有限元分析软件对45钢光轴连续感应淬火淬硬层深度进行预测，包括以下步骤:
步骤一:确定连续感应淬火条件:感应加热频率f=195kHz、工件移动速度v=300mm/min、电流密度Js=650X 106 A/m2;工件是直径为Φ=16πιπι，长度为lo=160mm的光轴;感应器内径为Φ =21mm，高度为h=15_ ；感应淬火区域为关于工件对称轴对称的lm=60mm的部分；
步骤二:将工件的移动处理为感应器施加热源的相对移动，以轴对称工件的1/2建立二维模型，感应器以集肤深度进行建模，对感应器经过路径进行虚拟建模，同时考虑工件和感应器之间的间隙，以及周围的空气场。工件横向划分时表面较密，心部较粗，工件和感应器纵向划分精度均为0.25_;空气场采用自由划分的方式。模型如图2所示，其中Al区为工件，A2区为感应器经过的虚拟路径，