机械创新实习报告
目录 绪 论。
齿轮淬火处理 有限元方法 3 齿轮有限元仿真现状 课题义 3 5 研究容 3 二 圆柱齿轮几何特征和模型建立。
圆柱齿轮几何特征 圆柱齿轮三维模型建立 5 三 圆柱齿轮渗碳淬火程热力学模型 5。
3 相关材热力学参数 6 3 热学性能参数 6 3 力学性能参数 6 3 建立齿轮模型 6 33 淬火仿真方案及其相关参数 7 四 圆柱齿轮淬火程计算机仿真 8。
瞬态传热数学模型 8 齿轮淬火温场仿真 8 3 温场仿真 9 淬火应力分布仿真 五 结论。
5 结论 参考献 3。
精选库 绪 论 齿轮淬火处理 齿轮传动是机器常见种机械传动是传递机器动力和运动种主要形式是各种机械产品重要基础零部件。
它与带、链、摩擦、液压等机械传动相比具有功率围、传动效率高、圆周速高、传动比准确、使用寿命长、结构尺寸等系列特。
因它已成许多机械产品不可缺少传动部件也是机器所占比重传动形式。
随着我国国民济快速发展作国基础产业机械设备也相应朝着型化方向发展。
作机械设备重要元件齿轮传动装置传递功率也越越产品规格尺寸也越越。
了满足机械设备传递动力要减少齿轮传动结构尺寸和重量、提高齿轮承能力以及克热处理技术和加工机床带限制化提升齿轮装置综合性能指标要应用机械齿轮等机械零部件具有高强、高可靠性。
因提高机械零部件材强多数采用各种热处理及表面处理等方法。
有限元方法 是功能十分强有限元分析软件不仅适用常规工程问题静态或动态有限元分析还能诸如流体力学、热力学、温场、电磁场等方面进行有限元计算。
热分析基能量守恒原理热平衡方程用有限元法计算物体部各温、并导出其它热物理参数。
运用软件可以进行热传导、热对流、热辐射、相变、热应力及接触热阻等热问题分析。
不仅能纯粹热分析问题还能与热相关其它诸多问题如热应力分析、热电分析、热磁分析等。
般称这类涉及两或多物理场相作用问题耦合场分析。
提供了两种分析耦合场方法直接耦合法和接耦合法。
3 3 齿轮有限元仿真 现状 传统齿轮淬火都是利用表面硬化处理或进行钢调质处理其分析程都是通实际测量或验进行对结处理和对比并没有成熟理论和数据分析说明存很偶然性而且由实验条件不稳定性结有会出 精选库 3 现很偏差所以必须通量实验才能得出相对稳定结耗又耗力。
从有限元仿真分析理论建立开始很短便被各领域进行了参数化分析和改进目前有限元分析仿真已发展成了套成熟理论应用到机械、建筑、电子等各领域取得了很研究成。
目前国外通对齿轮进行有限元仿真分析获得齿轮进行热处理各项参数和数据已成种主流参数方法特别是针对 分析软件不仅可以得到详细数据和参数而且可以看到清晰仿真程便我们 对整程进行分析控制所以国外普及化程很高；国齿轮加工程都依然沿用传统制作工艺又加上对 软件接触较晚普及率相对较低总体上还种学习程相信随着国外技术交流和进步齿轮有限元分析会很快运用到国生产技术取得很发展。
课题义 采用齿面硬化处理制成硬齿面齿轮是提高齿轮强及承能力有效途径也是齿轮传动主要发展趋势目前多数齿轮制造业发达国已普遍采用了硬齿面齿轮。
实现硬齿面各种热处理工艺（渗碳淬火、氮化、表面淬火等）渗碳淬火工艺虽然比较复杂但传递相功率（扭矩）情况下齿轮减速器体积、重量轻整机价格低是生产应用主要工艺方法。
得到硬齿面齿轮各国至今仍然采用机械加工（或塑性成形）渗碳热处理传统工艺存如下问题 齿轮表面渗碳层厚不致不利齿轮综合性能提高。
渗碳处理是齿轮切削或塑性成形进行由没有确立渗碳层控制技术齿根与齿面渗碳氛围进行渗碳处理齿面、齿顶及齿根渗碳层浓、梯、厚致相。
了保证齿面耐磨性使含碳量达到或超08%。
渗碳层深与模数比0~05而有效硬化层与齿轮模数比0齿曲疲劳强高；因了保证齿根弯曲强则渗碳层含碳量和渗碳层深就满足齿面接触疲劳强要。
实际生产很难二者兼顾达到理想状态。
了防止轮齿硬化层剥落有效硬化层深应不剪应力深5倍。
5 研究容 ）选择汽车圆柱齿轮研究对象获取其工艺尺寸参数建立数学模型提供参考； ）根据其尺寸参数利用lrk软件进行三维建模再把模型导入软件建立热力学参考模型； 精选库 3）必要获取齿轮材质0r0～000℃热、力学参数继热、力学分析提供依据； ) 对圆柱齿轮实体淬火程模型进行计算机仿真,简要地对模数圆柱齿轮淬火变形进行分析。
二 圆柱齿轮几何特征和模型建立 圆柱齿轮几何特征 课题选用齿轮几何特性如下 图 圆柱齿轮示图 表 表 圆柱齿轮参数及技术要 技术要 齿面淬火处理有效硬化层深 556；齿面硬 R576；齿心硬 R350； 机械性能b 080； 785； 8%； 35%； X 7／ ； 精选库 5 3淬火对齿部进行喷丸处理； 进行探伤检齿部进行磁粉探伤不允许存线性磁痕显示整体进行超声波探伤部不允许有白、裂痕部质量应合 GB／50005988 标准规定Ⅲ级要； 圆柱齿轮三维模型建立 首先根据齿轮各项数据和参数利用 lrk 软件对齿轮进行三维模型建造图 即该齿轮三维模型。
图 图 用 用 l rk 创建齿轮三维模型图 由齿轮各轮齿参数相热处理边界条件相生产对模数齿轮般采用逐步淬火方法即对齿轮单齿进行逐淬火了能够准确和方便地建立几何模型可选取齿轮 5 部分即单齿进行模型建立这样可以简化计算模型节省存空提高仿真速其仿真结与实际完整齿轮基致。
图 3 即用 lrk 创建单齿三维模型。
图 图 3 用 用 lrk 建立齿单齿三维模型 生成模型将当前模型另存x_ 格式留作导入 软件。
三 圆 柱齿轮渗碳淬火程热力学模型 0r低碳合金钢是模数齿轮首选渗碳钢长期以具有稳 精选库 6 定化学成分、成熟冶炼工艺程。
3 相关材热力学参数 3 热学性能参数 圆柱齿轮材选用 0r当利用 软件对其淬火程进行温场仿真要提供材密、比热容、热传导率等参数其对应参数数值如表 3【8】 表 表 3 3 0r 热学性能参数 密 （Kg3 ） 0℃ 7850 比 热 容 【(Kg K)】 60 温 (℃) 0 00 00 00 600 800 000 热传导率 【／（ K）】 7 66 8 08 35 63 8 3 力学性能参数 样当利用 软件对齿轮淬火程进行应力场仿真也要提供不温下弹性模量、屈强、切变模量、泊松比、线膨胀系数等力学性能参数见表 3 表 表 3 3 0r 力学性能参数 温 (℃) 弹性模量 （） 屈强 （） 切变模量 G （） 泊松比 线膨胀系数 ／℃ 0 93 09 930 09 785 500 5 09339 50 000 07 0359 070 500 0 0079 00 000 00 00079 000 3 建立齿轮模型 利用 建立分析模型常用方法有两种种是利用 绘图功能生成分析模型再进行仿真模拟；另外种就是利用 与其它三维绘 精选库 7 图软件如 lrkr 等强数据传输能力课题就是利用 lrk 软件进行建模然导入 软件具体步骤运行 软件【l】【r】【R】,弹出窗口到前保存x_ 件,选【K】导入完成现看到是线框接着【lrl】【l】【l l 】,下拉框选择【rl g】【K】,接着鼠标右键选择【Rl】即可看到实体如图 3 图 图 3 3 建模分析图 33 淬火仿真方案及其相关参数 依赖有限元方法可以仿真淬火齿轮部温变化程这样可以得到齿轮部仿真温场然计算、仿真齿轮淬火变形情况。
但是首先要确定初始温边界条件和对流换热系数。
齿轮齿面油性介质淬火其介质主要上下深方向流动（既齿宽方向）其流速般取075值将粗车齿轮放入电热炉加热到78080℃接着通行车将工件立即置入室温淬火油井冷却取出根据长期验数据取淬火油平温30℃。
数据淬火油3淬火油使用温30℃淬火前齿轮加热温800℃；3淬火油黏 3X06 （）,热导率 076（K）,密 885㎏／3。
使用传热理论进行相似计算获得淬火变形期不阶段（我们根据研究要取05秒）平对流换热系数红 l ,随着淬火冷却进行,齿轮和淬火油温差减少, l 开始衰减【】。
齿轮变形主要发生淬火变形期,这期齿轮和淬火油温差,对流剧烈(且可能存相变流体吸收或放出汽化潜热其局部对流换热系数有可能 l )因齿轮部将产生较应力导致齿轮不规律 精选库 8 变形。
我们把有限元方法引入齿轮淬火应力应变分析结合优化方法试探法逐步掌握齿轮淬火变形趋势生产加工提供数据参考和改良依据。
四 圆柱齿轮淬 火程计算机仿真 温场分布仿真 瞬态传热数学模型 当齿轮淬火会发生组织变（奥氏体可能分铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体）释放潜热虽然释放潜热不像熔化或凝固潜热那么但也是不可忽略因素潜热释放将使得整仿真程波动和非线性变化研究带难。
根据rr定律运用能量守恒原则对物体温随而变（非稳态问题） 齿轮 淬火 温 场 仿 真 能够很地完成瞬态热分析瞬态传热分析计算系统地随变化温场及其他热参数工程上般用其计算温场并作热荷进行应力分析。
瞬态传热分析荷是随变化必须将荷曲线分荷步荷曲线每拐荷步如图所示对每荷步必须定义荷值及问值必须选择荷步简便或阶越。
步骤 建模基流程如图 图 建模流程图 图 热力学模型格划分图 根据以上步骤设置工件名l定义材密3 780 Kg ,比热 K Kg 60 热传导率取800℃ K 3 6 得到较精确仿真结划分格密以上步骤得出模型格划分图如图 精选库 9 步骤 荷基流程 图 3 仿真荷流程图 根据步骤定义分析类型模型三维实体温场仿真设置初始温800℃淬火介质温30℃荷设置30秒每荷步秒。
步骤3 处理基流程 图 仿真数据处理流程图 由齿轮渗碳淬火特殊性整瞬态程不稳定结使得我们无法给出确切即温场所有仿真都是对可能持续估计和推断也就是说我们只能仿真出淬火温场出现趋势和围而无法给出某即温。
淬火增效强化通常开始淬火几十秒但由淬火冷却实际情况比较复杂淬火增效强化围难以把握了研究要我们选取0～5秒、0～0秒、0～5秒可能出现淬火增效强化围逐进行温场仿真。
淬火增效进行温场变化对齿轮齿面性能影响较产生应力及应变前者基上属型热胀冷缩类型故不作研究对象。
3 温场仿真 齿廓和圈边界受淬火油作用从被加热780～80℃骤冷至与淬火油边界平衡温（不等平温）考虑到液体流动速冷却和平衡温 精选库 0 要根据计算程设定轮齿两侧结合边界属对称边界。
这样即可建立相应温场计算模型通～3次迭代计算出轮齿与淬火油边界平衡温然进行温场计算。
随着延长冷却层深入轮齿部。
图 5 圆柱齿轮5 5 秒淬火温场 图 6 圆柱齿轮 0 秒淬火温场 图 7 圆柱齿轮 5 秒淬火 温场 由仿真图可以看出齿心与齿面温差变化5秒△53℃；0秒△79℃；5秒△387℃。
随着温推移齿心与齿面温差逐渐增其热应力也随增所以淬火刚开始这段是累积热应力主要程。
由淬火程齿面与齿心温差较就整齿轮而言尺寸较轮齿部分淬火程受作用明显会引起不程尺寸和形状误差所以齿轮加工程要根据仿真结分析其综合变形量应用到实际生产加工齿轮下步工艺加工取合适叫加工余量。
通对温场仿真结进行分析我们可以清晰地得出齿轮淬火程各段温变化各部分温差围推算出齿轮各部分淬火变形方式和形变量样根据对仿真结段对比分析可以较快捷准确地确定齿轮淬火程佳齿轮淬火分析提供理论依据。
精选库 淬火应力分布仿真 由齿轮不部分热膨胀系数不匹配淬火急速冷却程彼收缩不致从而导致热应力产生也达到了齿面增效强化目。
热应力问题实际又是两物理场相作用故属耦合场问题。
图 8 接法分析数据流程图 使用接法步骤基上是先进行热分析重新进入前处理然设置结构分析入热分析节温再设置参考温进行和处理。
我们采用者先进行热分析获得淬火温场分布然将得节温作体荷加到结构应力分析。
淬火程产生不匀应力分布齿廓应力变化明显应力集齿根部位图9、0、分别5秒、0秒和5秒轮齿增效强化应力分布。
图 9 圆柱齿轮5 5 秒淬火热应力 分析 分析 结 结 精选库 图 0 圆柱齿轮 0 秒淬火热应力 图 圆柱齿轮 5 秒淬火热应力 通对图9进行分析可以得到以下几结论 ）齿廓应力变化明显应力集齿根部位且齿根部位应力极值530,齿顶,极值7; ）两侧齿面应力较芯部形成狭窄齿面张力集区域且由齿根向齿 顶衰减变化幅较； 3）圈应力集明显圈到齿顶应力变化平稳； ）其它段轮齿增效强化情况与图9类似随着段拉长应力向 轮齿部扩散。
五 结论 5 结论 课题采用了 有限元分析计算软件对圆柱齿轮进行温场应力场耦合、温场、应力分布和应变仿真计算。
期我根据齿轮参数用 lrk 三维绘图软件绘制出了圆柱齿轮三维造型图并把数据导入 软件建立了圆柱齿轮淬火程热力学模型接着用计算机仿真了圆柱齿轮淬火程并简要分析了模数圆柱齿轮淬火变形。
首先根据参数用 lrk 三维绘图软件进行了圆柱齿轮三维造型并利用 lrk 软件和 软件数据传输功能将齿轮三维造型图导入了 软件并采用了 有限元分析计算软件完成了对圆柱齿轮淬火程温场和应力场有限元仿真分析并通对仿真结分析得出了淬火程各项数据。
通次对模数齿轮淬火程进行计算机仿真和分析所揭示规律和结对以深入研究都有定参考价值和义。
精选库 3 参考献 【】 纪名刚机械设计八版高等教育出版社[]。
006 【】王焕琴杜熙马孝琴机械工程材与热加工[]电子科技学出版社000 【3】王勖成．有限单元法[]．清华学出版社．005 【】 薛守义．有限单元法[]．国建材出版社．005 【5】 胡德林．金属学及热处理[]．西北工业学出版社995 【6】关鼎肖平阳lrk 三维造型型实例教程[]机械工业出版社006 【7】 李强淬火程计算机模拟与试验研究[]．燕山学 003 【8】 工程材实用手册编委会工程材实用手册[]北京国标准出版社988