摘要：利用有限元軟件模擬計算了拋丸機定向套淬火過(guò)程中的溫度場(chǎng)的變化；計算時(shí)考慮了非線(xiàn)性的材料比熱 容、熱導率的影響。結果顯示：在淬火過(guò)程中定向套各部位溫度分布不同，平板邊緣降溫速率大于半圓筒壁處，在定向套 不同部位存在溫度差。研究結果有助于拋丸機定向套淬火＿下藝制訂及淬火應力的分析。
關(guān)鍵詞：有限元；淬火；比熱容；導熱率 中圖分類(lèi)號：ＴＧｌ５６．３；ＴＰ３９１ 文獻標識碼：Ａ

拋丸機定向套長(cháng)期處于苛刻的環(huán)境中運行。主 要受到鋼丸噴射沖擊、被加工試件碰撞和磨損等， 失效形式主要是磨損、變形和斷裂。是整個(gè)機構運行 中較薄弱的環(huán)節，嚴重降低了拋丸機的使用壽命和 工作效率【ｌ】。其運行環(huán)境決定工件必須具有高的硬 度和足夠的淬硬深度。以保證良好的耐磨性和整體 剛度．因此對其熱處理特別是淬火工藝提出了極高 的要求。

定向套淬火后獲得的組織和性能取決于其淬火 過(guò)程中各部分溫度梯度分布。所以進(jìn)行溫度場(chǎng)有限 元分析．弄清各點(diǎn)的冷卻速度十分重要。由于目前 技術(shù)條件的限制。不能對實(shí)物的溫度場(chǎng)做在線(xiàn)測量． 主要依靠實(shí)驗測定和經(jīng)驗判斷。故傳統的方法不能 完整、全面、準確地分析和預測淬火過(guò)程的溫度場(chǎng)。 隨著(zhù)數值模擬的快速發(fā)展．熱處理過(guò)程的數學(xué)模型和計算方法不斷得到完善，熱處理過(guò)程的計算機模 擬日益受到人們的重視．用以指導實(shí)際生產(chǎn)已取得 良好的效益。本文應用大型通用有限元軟件對拋丸 機定向套的淬火過(guò)程溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬．可以顯示 任意時(shí)刻任意截面上的溫度場(chǎng)。能觀(guān)察到溫度等值 面、等值線(xiàn)隨時(shí)間推移的情況，也可以顯示任意點(diǎn)上 溫度一時(shí)間曲線(xiàn)，大大減少實(shí)際生產(chǎn)中的試驗次數， 從而縮短周期。

1、淬火冷卻過(guò)程數學(xué)模型
．１數學(xué)模型 淬火過(guò)程溫度場(chǎng)分析屬于典型的非瞬態(tài)熱傳導 問(wèn)題，其三維溫度場(chǎng)的控制方程為：

式中：T為溫度場(chǎng)分布函數；Ａ為熱導率；ｐ和ｃ分別為材料的密度和比熱容，ｑc為相變潛熱。對于淬火 過(guò)程來(lái)說(shuō)。比容和熱傳導系數與材料淬火過(guò)程的溫 度有關(guān)。式（１）為泛定方程，為了獲得定解，需要給出 定解條件即微分方程的邊界條件及初值條件。
１．２對流邊界條件
零件進(jìn)行淬火時(shí)。認為邊界條件為對流換熱邊 界條件：

式中：ｈ和丁分別表示表面換熱系數和換熱邊界，Ｚ為零件表面溫度，瓦為淬火介質(zhì)溫度。
２有限元模擬

圖１為拋丸機定向套三維結構示意圖．底部薄板 尺寸２９２ｍｉｌｌＸ３６０ｍｍ．半圓筒內半徑１２０ ｍｍ，高 ８４ｍｍ，定向套厚１４ｍｌＴｌ，材料為高鉻鑄鐵２Ｃ１５Ｃｒ， 密度７６２０ ｋｇ／ｍ３。將其加熱到９８０保溫，充分奧氏 體化后空冷。模擬其淬火過(guò)程定向套各部位溫度場(chǎng) 分布。
圖１拋丸機定向套三維結構示意圖
２．１模型網(wǎng)格劃分
模型采用８節點(diǎn)ｓｏｌｉｄ７０單元進(jìn)行智能網(wǎng)格劃 分．精度*別為６，考慮到半圓筒部分的結構特點(diǎn)可 能影響淬火過(guò)程此部位溫度場(chǎng)的分布，對其進(jìn)行重 新更高密度的網(wǎng)格劃分。
２．２材料物理參數 材料的物理性能參數和力學(xué)性能參數是溫度場(chǎng) 數值模擬過(guò)程中較重要的物理量，其選取的正確與 否，對模擬結果的準確起決定性的作用。高鉻鑄鐵 ２Ｃ１５Ｃｒ的密度與溫度變化關(guān)系不是很大，按常數處 理．對較后結果影響不大。這里對比熱容、熱導率這 些與溫度變化影響較大的熱物性參數必須看成溫度 的函數．以確保計算結果的準確性。研究所采用的參 數部分引用了文獻【７．８】的數據，如表1所示。
表1 高鑄鉻鐵2c15cr的材料性能參數
２．３初始條件及邊界條件

由于拋丸機定向套體積小、壁厚?。ㄆ骄诤?１４ｍｍ）且充分保溫，可把初始溫度場(chǎng)設為均勻溫度 場(chǎng)，本文選取初始溫度為９８０。在有限元模型的 邊界條件中主要考慮了對流散熱。根據傳熱學(xué)理論 及相關(guān)文獻中經(jīng)驗公式。試件與環(huán)境的對流換熱系 數?。玻啊矗?Ｗ／（ｍ２ ）唧。結合實(shí)測溫度，模擬計算 中對流換熱系數?。常担祝ǎ恚?），淬火終止溫度為 ２５。設置熱分析類(lèi)型為瞬態(tài)熱分析，淬火時(shí)間設 置為３０００Ｓ。

３結果及討論

在淬火過(guò)程中．定向套在不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)云 圖如圖２所示?？梢钥闯?，在淬火過(guò)程中隨著(zhù)時(shí)間 的延長(cháng)，定向套溫度迅速降低，而定向套各部分溫 度下降速率不同．平板處降溫速度大于半圓筒處。由 圖２）可知，淬火５００ｓ時(shí)在底部平板Ｆ點(diǎn)處溫度為 ５６０．在半圓筒壁Ｈ點(diǎn)的溫度為７２６。不同部位 的溫度差異是產(chǎn)生淬火應力及結構開(kāi)裂報廢的主要 原因。
圖2 不同淬火時(shí)刻定向套溫度場(chǎng)云圖
分別對圖１所示Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ結點(diǎn)進(jìn)行研究。 考察其溫度隨時(shí)間變化情況，結果如圖３所示。Ｂ點(diǎn) 由于處于底部平板的外邊緣上其降溫過(guò)程中受定向 套其他部分的熱影響小。在淬火過(guò)程中溫度下降較 快。因而在剛一淬火時(shí)，溫度下降極為迅速。Ｃ點(diǎn) 位于平板與半圓筒壁交匯處，其散熱受周?chē)鷺嫾?響較大，溫度下降比較緩慢。同樣的道理。Ａ與Ｄ的 溫度時(shí)間關(guān)系也存在較大的差別。
圖3 Ａ￣Ｅ五點(diǎn)處溫度隨時(shí)問(wèn)變化關(guān)系曲線(xiàn)
４結束語(yǔ)
應用大型有限元軟件模擬了定向套在空冷淬火過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布。為其改進(jìn)工 藝提供了可靠參考，模擬結果表明在淬火過(guò)程中定 向套不同部位存在著(zhù)較大的溫度差。其中在半圓筒 壁中部區域溫度下降速度較小。該模型能對２Ｃ１５Ｃｒ 鑄鐵定向套空冷淬火過(guò)程進(jìn)行了較準確的模擬．對 其淬火工藝及后續消除殘余應力工藝的制定都具有 參考價(jià)值和指導意義。

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