摘要：利用有限元软件模拟计算了抛丸机定向套淬火过程中的温度场的变化；计算时考虑了非线性的材料比热 容、热导率的影响。结果显示：在淬火过程中定向套各部位温度分布不同，平板边缘降温速率大于半圆筒壁处，在定向套 不同部位存在温度差。研究结果有助于抛丸机定向套淬火＿下艺制订及淬火应力的分析。
关键词：有限元；淬火；比热容；导热率 中图分类号：ＴＧｌ５６．３；ＴＰ３９１ 文献标识码
：Ａ

抛丸机定向套长期处于苛刻的环境中运行。主 要受到钢丸喷射冲击、被加工试件碰撞和磨损等， 失效形式主要是磨损、变形和断裂。是整个机构运行 中较薄弱的环节
，严重降低了抛丸机的使用寿命和 工作效率【ｌ】。其运行环境决定工件必须具有高的硬 度和足够的淬硬深度。以保证良好的耐磨性和整体 刚度．因此对其热处理特别是淬火工艺提出了极高 的要求。

定向套淬火后获得的组织和性能取决于其淬火 过程中各部分温度梯度分布
。所以进行温度场有限 元分析．弄清各点的冷却速度十分重要
。由于目前 技术条件的限制
。不能对实物的温度场做在线测量． 主要依靠实验测定和经验判断
。故传统的方法不能 完整、全面、准确地分析和预测淬火过程的温度场。 随着数值模拟的快速发展．热处理过程的数学模型和计算方法不断得到完善
，热处理过程的计算机模 拟日益受到人们的重视．用以指导实际生产已取得 良好的效益。本文应用大型通用有限元软件对抛丸 机定向套的淬火过程温度场进行了模拟．可以显示 任意时刻任意截面上的温度场
。能观察到温度等值 面、等值线随时间推移的情况，也可以显示任意点上 温度一时间曲线，大大减少实际生产中的试验次数
， 从而缩短周期。

1、淬火冷却过程数学模型
．１数学模型 淬火过程温度场分析属于典型的非瞬态热传导 问题，其三维温度场的控制方程为：

式中：T为温度场分布函数；Ａ为热导率；ｐ和ｃ分别为材料的密度和比热容
，ｑc为相变潜热。对于淬火 过程来说。比容和热传导系数与材料淬火过程的温 度有关。式（１）为泛定方程，为了获得定解
，需要给出 定解条件即微分方程的边界条件及初值条件。
１．２对流边界条件
零件进行淬火时。认为边界条件为对流换热边 界条件：

式中
：ｈ和丁分别表示表面换热系数和换热边界

，Ｚ为零件表面温度，瓦为淬火介质温度。
２有限元模拟

图１为抛丸机定向套三维结构示意图．底部薄板 尺寸２９２ｍｉｌｌＸ３６０ｍｍ．半圆筒内半径１２０ ｍｍ
，高 ８４ｍｍ

，定向套厚１４ｍｌＴｌ
，材料为高铬铸铁２Ｃ１５Ｃｒ， 密度７６２０ ｋｇ／ｍ３
。将其加热到９８０保温
，充分奥氏 体化后空冷。模拟其淬火过程定向套各部位温度场 分布。
图１抛丸机定向套三维结构示意图
２．１模型网格划分
模型采用８节点ｓｏｌｉｄ７０单元进行智能网格划 分．精度*别为６，考虑到半圆筒部分的结构特点可 能影响淬火过程此部位温度场的分布
，对其进行重 新更高密度的网格划分
。
２．２材料物理参数 材料的物理性能参数和力学性能参数是温度场 数值模拟过程中较重要的物理量
，其选取的正确与 否，对模拟结果的准确起决定性的作用。高铬铸铁 ２Ｃ１５Ｃｒ的密度与温度变化关系不是很大
，按常数处 理．对较后结果影响不大。这里对比热容、热导率这 些与温度变化影响较大的热物性参数必须看成温度 的函数．以确保计算结果的准确性。研究所采用的参 数部分引用了文献【７．８】的数据，如表1所示。
表1 高铸铬铁2c15cr的材料性能参数
２．３初始条件及边界条件

由于抛丸机定向套体积小、壁厚薄（平均壁厚 １４ｍｍ）且充分保温，可把初始温度场设为均匀温度 场，本文选取初始温度为９８０。在有限元模型的 边界条件中主要考虑了对流散热。根据传热学理论 及相关文献中经验公式。试件与环境的对流换热系 数取２０～４０ Ｗ／（ｍ２ ）唧
。结合实测温度，模拟计算 中对流换热系数取３５Ｗ／（ｍ２ ），淬火终止温度为 ２５。设置热分析类型为瞬态热分析，淬火时间设 置为３０００Ｓ。

３结果及讨论

在淬火过程中．定向套在不同时刻的温度场云 图如图２所示
。可以看出，在淬火过程中随着时间 的延长
，定向套温度迅速降低，而定向套各部分温 度下降速率不同．平板处降温速度大于半圆筒处。由 图２）可知，淬火５００ｓ时在底部平板Ｆ点处温度为 ５６０．在半圆筒壁Ｈ点的温度为７２６。不同部位 的温度差异是产生淬火应力及结构开裂报废的主要 原因。
图2 不同淬火时刻定向套温度场云图
分别对图１所示Ａ
、Ｂ、Ｃ
、Ｄ
、Ｅ结点进行研究
。 考察其温度随时间变化情况，结果如图３所示。Ｂ点 由于处于底部平板的外边缘上其降温过程中受定向 套其他部分的热影响小。在淬火过程中温度下降较 快。因而在刚一淬火时，温度下降极为迅速
。Ｃ点 位于平板与半圆筒壁交汇处，其散热受周围构件影 响较大
，温度下降比较缓慢。同样的道理。Ａ与Ｄ的 温度时间关系也存在较大的差别。
图3 Ａ￣Ｅ五点处温度随时问变化关系曲线
４结束语
应用大型有限元软件模拟了定向套在空冷淬火过程中的温度场分布

。为其改进工 艺提供了可靠参考，模拟结果表明在淬火过程中定 向套不同部位存在着较大的温度差。其中在半圆筒 壁中部区域温度下降速度较小
。该模型能对２Ｃ１５Ｃｒ 铸铁定向套空冷淬火过程进行了较准确的模拟．对 其淬火工艺及后续消除残余应力工艺的制定都具有 参考价值和指导意义
。

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