機械創(chuàng)新實習報告

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1、目錄 第一章 緒 論 - 2 - 1.1 齒輪的淬火處理 - 2 - 1.2有限元方法 - 2 - 1.3齒輪有限元仿真的現狀 - 2 - 1.4 課題意義 - 3 - 1.5 研究內容 - 3 - 第二章 圓柱齒輪的幾何特征和模型建立 - 4 - 2.1 圓柱齒輪的幾何特征 - 4 - 2.2 圓柱齒輪的三維模型建立 - 5 - 第三章 圓柱齒輪滲碳淬火過程熱力學模型 - 5 - 3.1 相關材料熱力學參數 - 6 - 3.1.1熱學性能參數 - 6 - 3.1.2 力學性能參數 - 6 - 3.2 建立齒輪模型 - 6 - 3.3 淬火仿真方案及其相關

2、參數 - 7 - 第四章 圓柱齒輪淬火過程的計算機仿真 - 8 - 4.1 溫度場分布的仿真 - 8 - 4.1.1 瞬態(tài)傳熱的數學模型 - 8 - 4.1.2 齒輪淬火溫度場的仿真 - 8 - 4.1.3 溫度場仿真 - 9 - 4.2 淬火應力分布的仿真 - 11 - 第五章 結論 - 12 - 5.1 結論 - 12 - 參考文獻 - 13 - 第一章 緒 論 1.1 齒輪的淬火處理 齒輪傳動是機器中最常見的一種機械傳動，是傳遞機器動力和運動的一種主要形式，是各種機械產品的重要基礎零部件。它與帶、鏈、摩擦、液壓等機械傳動相比，具有功率范圍大、傳動效率高

3、、圓周速度高、傳動比準確、使用壽命長、結構尺寸小等一系列特點。因此，它已成為許多機械產品不可缺少的傳動部件也是機器中所占比重最大的傳動形式。齒輪的設計與制造水平將直接影響到機械產品的性能和質量。由于齒輪在工業(yè)發(fā)展中的突出地位，致使齒輪被公認為工業(yè)化的一種象征。 隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，作為國家基礎產業(yè)的機械設備也相應朝著大型化方向發(fā)展。作為機械設備的重要元件—齒輪傳動裝置的傳遞功率也越來越大，產品規(guī)格尺寸也越來越大。為了滿足機械設備傳遞動力的需要，同時減少齒輪傳動的結構尺寸和重量、提高齒輪的承載能力以及克服熱處理技術和加工機床帶來的限制，最大化提升齒輪裝置的綜合性能指標，要求應用于機械中

4、的齒輪等機械零部件具有高強度、高可靠性。因此，為提高機械零部件的材料強度，大多數采用各種熱處理及表面處理等方法。目前，常常是通過淬火實施表面硬化處理，以取代傳統的齒輪調質處理。 1.2有限元方法 ANSYS是一個功能十分強大的有限元分析軟件，不僅適用于常規(guī)工程問題的靜態(tài)或動態(tài)有限元分析，還能在諸如流體力學、熱力學、溫度場、電磁場等方面進行有限元計算。 ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計算物體內部各點的溫度、并導出其它熱物理參數。運用ANSYS軟件可以進行熱傳導、熱對流、熱輻射、相變、熱應力及接觸熱阻等熱問題的分析求解。 ANSYS不僅能解決純粹的熱分析問題，還

5、能解決與熱相關的其它諸多問題，如熱--應力分析、熱--電分析、熱--磁分析等。一般稱這類涉及兩個或多個物理場相互作用的問題為耦合場分析。ANSYS提供了兩種分析耦合場的方法：直接耦合法和間接耦合法。 1.3齒輪有限元仿真的現狀 傳統的齒輪淬火都是利用表面硬化處理，或進行鋼的調質處理，其分析過程大都是通過實際測量，或經驗進行對結果的處理和對比，并沒有成熟的理論和數據分析說明，存在很大的偶然性，而且由于實驗條件的不穩(wěn)定性，結果有時會出現很大的偏差，所以必須通過大量的實驗，才能得出相對穩(wěn)定的結果，耗時又耗力。從有限元仿真分析的理論建立開始，經過很短的時間，便被各領域進行了參數化分析和改進，目前，

6、有限元分析仿真已經發(fā)展成為了一套成熟的理論，應用到機械、建筑、電子等各個領域中，取得了很好的研究成果。 目前，在國外，通過對齒輪進行有限元仿真分析來獲得齒輪進行熱處理時的各項參數和數據，已成為一種主流的求解參數的方法，特別是針對ANSYS分析軟件，不僅可以得到詳細的數據和參數，而且可以看到清晰的仿真過程，便于我們 對整個過程進行分析控制，所以在國外普及化程度很高；在國內，在齒輪加工過程中，大都依然沿用傳統的制作工藝，又加上對ANSYS軟件的接觸較晚，普及率相對較低，總體上還在一種學習的過程中，相信隨著國內外技術的交流和進步，齒輪有限元分析會很快運用到國內的生產技術中，取得很大的發(fā)展。 1.

7、4 課題意義 采用齒面硬化處理制成硬齒面齒輪，是提高齒輪強度及承載能力的有效途徑，也是齒輪傳動的主要發(fā)展趨勢，目前大多數齒輪制造業(yè)發(fā)達國家已普遍采用了硬齒面齒輪。在實現硬齒面的各種熱處理工藝（滲碳淬火、氮化、表面淬火等）中，滲碳淬火工藝雖然比較復雜，但在傳遞相同功率（扭矩）的情況下，齒輪的減速器體積最小、重量最輕，整機價格最低，是生產應用中最主要的工藝方法。為得到硬齒面齒輪，各國至今仍然采用機械加工（或塑性成形）--滲碳--熱處理的傳統工藝存在如下問題： 齒輪表面滲碳層厚度不一致，不利于齒輪綜合性能的提高。滲碳處理是在齒輪切削或塑性成形后進行，由于沒有確立滲碳層控制技術，齒根與齒面在同一

8、滲碳氛圍中進行滲碳處理，齒面、齒頂及齒根的滲碳層濃度、梯度、厚度大致相同。然而由于齒面與齒根的工作特性不同，要求齒面滲厚、齒根滲碳層薄。為了保證齒面的耐磨性，使含碳量達到或超過0.18%。滲碳層深度與模數之比0.12~0.125，而有效硬化層與齒輪模數之比為0.1時，齒曲疲勞強度最高；因此為了保證齒根彎曲強度，則滲碳層的含碳量和滲碳層深度就滿足齒面接觸疲勞強度的要求。在實際生產中，很難二者兼顧，達到理想狀態(tài)。為了防止輪齒硬化層的剝落，有效硬化層深度應不小于最大剪應力深度的1.5倍。 1.5 研究內容 1）選擇汽車圓柱齒輪為研究對象，獲取其工藝尺寸參數，為建立數學模型提供參考； 2）根據其

9、尺寸參數，利用SolidWorks軟件進行三維建模，再把模型導入ANSYS軟件中，建立熱力學參考模型； 3）查閱必要的資料，獲取齒輪材質20CrNi2MoA在20～1000℃的熱、力學參數，為后繼的熱、力學分析提供依據； 4) 對圓柱齒輪實體在淬火過程中的模型進行計算機仿真,簡要地對大模數圓柱齒輪淬火變形進行分析。 第二章 圓柱齒輪的幾何特征和模型建立 2.1 圓柱齒輪的幾何特征 本課題選用齒輪的幾何特性如下: 圖2-1圓柱齒輪示意圖 表2-1：圓柱齒輪參數及技術要求 技術要求 1，齒面淬火處理，有效硬化層深度5-5.6mm

10、；齒面硬度HRC57-64；齒心硬度HRC35-40； 2，機械性能1080Mpa；≥785Mpa；δs≥8%；≥35%；AX≥47J／cm2； 3，淬火后對齒部進行噴丸處理； 4，進行探傷檢查，齒部進行磁粉探傷，不允許存在線性磁痕顯示，整體進行超聲波探傷，內部不允許有白點、裂痕，同時內部質量應符合GB／T5000.15-1988標準規(guī)定的Ⅲ級要求； 2.2 圓柱齒輪的三維模型建立 首先，根據齒輪的各項數據和參數，利用SolidWorks軟件對齒輪進行三維模型的建造，圖2-2即為該齒輪的三維模型。 圖2-2 用SolidWorks創(chuàng)建的齒輪三維模型圖 由于齒輪各輪齒參數相

11、同，熱處理的邊界條件相同，生產中對大模數齒輪一般采用逐步淬火的方法，即對齒輪單齒進行逐一淬火，為了能夠準確和方便地建立幾何模型，可選取齒輪的1/54部分，即單齒進行模型建立，這樣可以簡化計算模型，節(jié)省內存空間，提高仿真速度，其仿真結果與實際完整齒輪基本一致。圖2-3即為用SolidWorks創(chuàng)建的單齒的三維模型。 圖2-3 用SolidWorks建立的齒單齒的三維模型 生成模型后，將當前模型另存為*.x_t格式，留作之后導入ANSYS軟件。 第三章 圓柱齒輪滲碳淬火過程熱力學模型 20CrNi2MoA低碳合金鋼是大模數齒輪首選的滲碳鋼之一，長期以來具有穩(wěn)定的化學成分、成熟的冶煉工

12、藝過程。其熱力學性能參數已作為標準列入國家滲碳鋼材料手冊。 3.1 相關材料熱力學參數 3.1.1熱學性能參數 圓柱齒輪材料選用20CrNi2MoA，當利用ANSYS軟件對其淬火過程進行溫度場仿真時，需要提供材料密度、比熱容、熱傳導率等參數，其對應的參數數值如表3-1【【1】紀名剛.機械設計.第八版.高等教育出版社[M]。2006 【2】王煥琴，杜家熙，馬孝琴.機械工程材料與熱加工[M].電子科技大學出版社，2000 【3】王勖成．有限單元法[M]．清華大學出版社．2005 【4】薛守義．有限單元法[M]．中國建材出版社．2005 【5】胡德林．金屬學及熱處理[M]．西北工業(yè)大學

13、出版社，1995 【6】關鼎，肖平陽.SolidWorks三維造型典型實例教程[M].機械工業(yè)出版社，2006 【7】李強，淬火過程的計算機模擬與試驗研究[D]．燕山大學， 2003 【8】工程材料實用手冊編委會.工程材料實用手冊[M].北京：中國標準出版社，1988 】： 表3-1 20CrNi2MoA熱學性能參數 密度（Kg/m3） 20℃ 7850 比熱容Cp【J/(KgK)】 460 溫度t(℃) 0 100 200 400 600 800 1000 熱傳導率【W／（mK）】 14.7 16.6 18 20.8 23.5 26.3 2

14、8.2 3.1.2 力學性能參數 同樣的，當利用ANSYS軟件對齒輪的淬火過程進行應力場仿真時，也需要提供在不同溫度下的彈性模量、屈服強度、切變模量、泊松比、線膨脹系數等力學性能參數，見表3-2： 表3-2 20CrNi2MoA力學性能參數 溫度t (℃) 彈性模量E （Pa） 屈服強度 （Pa） 切變模量G （Pa） 泊松比 線膨脹系數 1／℃ 20 1.93e11 0.2e9 1.93e10 0.29 1.78e-5 500 1.5e11 0.933e9 1.5e10 1000 0.7e11 0.435e9 0.7e10 1

15、500 0.1e11 0.07e9 0.1e10 2000 0.01e11 0.007e9 0.01e10 3.2 建立齒輪模型 利用ANSYS建立分析模型最常用的方法有兩種：一種是利用ANSYS的繪圖功能，生成分析模型，再進行仿真模擬；另外一種，就是利用ANSYS與其它三維繪圖軟件，如AutoCAD，SolidWorks，Pro/E等強大的數據傳輸能力，本課題就是利用SolidWorks軟件進行建模，然后導入ANSYS軟件中，具體步驟為：運行ANSYS軟件，【File】→【Import】→【PARA】,彈出窗口中查找到之前保存的*.x_t文件,選中，【OK】，導入完成，

16、現在看到的是線框，接著【Ploctrls】→【Style】→【Solid Model Facets】,下拉框中選擇【Normal Faceting】→【OK】,接著鼠標右鍵，選擇【Replot】即可看到實體，如圖3-1： 圖3-1 ANSYS建模分析圖 3.3 淬火仿真方案及其相關參數 依賴有限元方法可以仿真淬火齒輪內部溫度變化過程，這樣可以得到齒輪內部的仿真溫度場，然后計算、仿真齒輪的淬火變形情況。但是，首先需要確定初始的溫度邊界條件和對流換熱系數。 齒輪齒面在油性介質中淬火，其介質主要在上下深度方向流動（既齒寬方向），其流速一般取0.7-1.5m/s的中間值，將粗車齒輪放入電

17、熱爐中加熱到780-820℃，接著通過行車將工件立即置入室溫淬火油井中，冷卻2小時后取出，根據長期經驗數據取淬火油平均溫度30℃。 數據：淬火油為AN32淬火油，使用溫度為30℃，淬火前齒輪加熱溫度800℃；AN32淬火油：黏度=32X10-6（Pa·s）,熱導率=0.1276W（m·K）,密度=882.5㎏／m3。 我們根據研究需要將淬火分為2個階段：淬火變形期和淬火冷卻期。本文使用經典傳熱理論進行相似計算獲得淬火變形期不同階段（我們根據研究需要取0-15秒）的平均對流換熱系數紅hl,隨著淬火冷卻的進行,齒輪和淬火油溫差的減少, hl開始衰減【 】。齒輪的變

18、形主要發(fā)生在淬火變形期,這期間齒輪和淬火油溫差最大,對流劇烈(且可能存在相變時，流體吸收或放出汽化潛熱，其局部對流換熱系數有可能大于hl)，因此齒輪內部將產生較大的內應力，導致齒輪的不規(guī)律的變形。我們把有限元方法引入齒輪淬火的應力應變分析中，結合最優(yōu)化方法中的試探法，逐步掌握齒輪淬火變形趨勢，為生產加工提供數據參考和改良依據。 第四章 圓柱齒輪淬火過程的計算機仿真 4.1 溫度場分布的仿真 4.1.1 瞬態(tài)傳熱的數學模型 當齒輪淬火時，會發(fā)生組織轉變（奧氏體可能分解為鐵素體、珠光體、貝氏體、馬氏體）同時釋放潛熱，雖然釋放潛熱不像熔化或凝固時潛熱那么大，但也是不可忽略的因素，潛熱釋放將

19、使得整個仿真過程波動和非線性變化，為研究帶來難度。根據Fourier定律，運用能量守恒原則，對于物體溫度隨時間而變（非穩(wěn)態(tài)問題） 4.1.2 齒輪淬火溫度場的仿真 ANSYS能夠很好地完成瞬態(tài)熱分析，瞬態(tài)傳熱分析計算一個系統地隨時間變化的溫度場及其他熱參數，在工程上一般用其計算溫度場并作為熱載荷進行應力分析。瞬態(tài)傳熱分析中的載荷是隨時間變化的，必須將載荷-時間曲線分為載荷步，載荷-時間曲線中的每一個拐點為一個載荷步，如圖所示對于每個載荷步，必須定義載荷值及時問值，同時必須選擇載荷步為簡便或階越。ANSYS瞬態(tài)熱分析基本步驟包括構建模型、施加載荷、求解與后處理。步驟1 建模的基本流程如圖4-

20、1 圖4-1 ANSYS建模流程圖 圖4-2 熱力學模型的網格劃分圖 根據以上步驟，設置工件名為chilundanchi，定義材料密度,比熱，熱傳導率取800℃時，，為得到較精確的仿真結果，劃分網格密度為2，經以上步驟，得出模型的網格劃分圖如圖4-2 步驟2 載荷求解的基本流程： 圖4-3 ANSYS仿真載荷求解流程圖 根據步驟，定義分析類型為模型三維實體的溫度場仿真，設置初始溫度為800℃，淬火介質溫度為30℃，載荷設置為30秒，每

21、載荷步為1秒。 步驟3 后處理的基本流程： 圖4-4 ANSYS仿真數據后處理流程圖 由于齒輪滲碳后淬火的特殊性，整個瞬態(tài)過程的不穩(wěn)定結果，使得我們無法給出確切的即時溫度場，所有的仿真都是對可能持續(xù)時間的估計和推斷，也就是說，我們只能仿真出淬火溫度場出現的趨勢和范圍，而無法給出某點的即時溫度。 通常淬火是為了強化齒面硬度、增加耐磨性，同時增加齒輪內部應力，產生應變。淬火增效強化的時間通常在開始淬火的幾十秒內，但由于淬火冷卻的實際情況比較復雜，淬火增效強化的時間范圍難以把握，為了研究需要，我們選取0～5秒、0～10秒、

22、0～15秒為可能出現的淬火增效強化范圍，逐一進行溫度場仿真。淬火增效進行之后的溫度場變化對齒輪齒面性能影響較小，產生的內應力及應變小于前者，基本上屬于典型的熱脹冷縮類型，故不作為研究對象。以下僅列出0～5秒，0～10秒和0～15秒的溫度場、應力場仿真分析。 4.1.3 溫度場仿真 齒廓和內圈邊界受淬火油作用，從被加熱的780～820℃驟冷至與淬火油邊界的平衡溫度（不等于平均溫度），考慮到液體流動速度，冷卻時間和平衡溫度需要根據計算過程設定，輪齒兩側結合邊界屬于對稱邊界。這樣即可建立相應的溫度場計算模型，通過2～3次迭代計算，求出輪齒與淬火油邊界的平衡溫度，然后進行最后的溫度場計算。圖4-5

23、、4-6、4-7分別為圓柱齒輪5秒,10秒和15秒淬火溫度場。隨著時間延長，冷卻層深入輪齒內部。 圖4-5 圓柱齒輪5秒淬火溫度場 圖4-6 圓柱齒輪10秒淬火溫度場 圖4-7 圓柱齒輪15秒淬火溫度場 由仿真圖可以看出齒心與齒面的溫差變化，在5秒時，△T1=53℃；在10秒時，△T2=79℃；在15秒時，△T3=87℃。隨著溫度的推移，齒心與齒面的溫差逐漸增大，其熱應力也隨之增大，所以在淬火剛開始的這個時間段內，是累積熱應力的主要過程。 由于在淬火的過程中，齒面與齒心的溫差較大，就整個齒輪而言，尺寸較小的輪齒部分淬

24、火過程中受作用最為明顯，會引起不同程度的尺寸和形狀誤差，所以在齒輪的加工過程中，要根據仿真的結果，分析其綜合變形量，應用到實際的生產加工中，為齒輪的下一步工藝加工，取一個合適的叫加工余量。 通過對溫度場仿真結果進行分析，我們可以清晰地得出齒輪淬火過程中各時間段的溫度變化，各部分間的溫差范圍，推算出齒輪的各部分的淬火變形方式和形變量，同樣，根據對仿真結果個時間段的對比分析，可以較快捷準確地確定齒輪淬火過程中的最佳時間，為齒輪淬火分析提供理論依據。 4.2 淬火應力分布的仿真 由于齒輪的不同部分之間的熱膨脹系數不匹配，在淬火的急速冷卻過程中，彼此的收縮不一致，從而導致熱應力的產生，同時也達到

25、了齒面增效強化的目的。熱應力問題實際又是兩個物理場之間的相互作用，故屬于耦合場問題。ANSYS提供了兩種分析熱應力的方法：直接法和間接法。 分析1 分析2 結果1 結果2 圖4-8 間接法分析數據流程圖 使用間接法的步驟基本上是先進行熱分析，重新進入前處理，然后設置結構分析，讀入熱分析的節(jié)點溫度后再設置參考溫度，最后進行求解和后處理。我們采用后者，先進行熱分析獲得淬火溫度場分布，然后將求得的節(jié)點溫度作為體載荷加到結構應力分析中。淬火過程產生不均勻的應力分布，齒廓應力變化明顯，應力集中在齒根部位，圖4-9、4-10、4-11分別為5秒、1

26、0秒和15秒輪齒增效強化的應力分布。 圖4-9 圓柱齒輪5秒淬火熱應力 圖4-10 圓柱齒輪10秒淬火熱應力 圖4-11 圓柱齒輪15秒淬火熱應力 通過對圖4-9進行分析，可以得到以下幾點結論： 1）齒廓應力變化明顯，應力集中在齒根部位，且齒根部位應力最大，極大值為530.4Mpa,齒頂最小,極小值為2.7Mpa; 2）兩側齒面應力較芯部大，形成狹窄齒面張力的集中區(qū)域，且由齒根向齒 頂衰減，變化幅度較大； 3）內圈應力集中明顯，內圈到齒頂應

27、力變化平穩(wěn)； 4）其它時間段的輪齒增效強化情況與圖4-9類似，隨著時間段拉長，應力向 輪齒內部擴散。 第五章 結論 5.1 結論 本課題采用了ANSYS有限元分析計算軟件，對圓柱齒輪進行溫度場—應力場的耦合、溫度場、應力分布和應變的仿真計算。在此期間，我根據齒輪參數，用SolidWorks三維繪圖軟件繪制出了圓柱齒輪的三維造型圖，并把數據導入ANSYS軟件，建立了圓柱齒輪淬火過程熱力學模型，接著用計算機仿真了圓柱齒輪淬火的過程，并簡要分析了大模數圓柱齒輪淬火的變形。 首先根據參數，用SolidWorks三維繪圖軟件進行了圓柱齒輪的三維造型，并利用SolidWorks軟件和ANSYS軟件的的數據傳輸功能，將齒輪的三維造型圖導入了ANSYS軟件，并采用了ANSYS有限元分析計算軟件，完成了對圓柱齒輪淬火過程中溫度場和應力場的有限元仿真分析，并通過對仿真結果的分析，得出了淬火過程中的各項數據。 通過此次對大模數齒輪的淬火過程進行計算機仿真和分析，所揭示的規(guī)律和結果，對以后的深入研究都有一定的參考價值和意義。 參考文獻