基于CAE技术的弧形推杆热处理工艺分析及优化

2014-04-21常江唐汉薇卢桂荣

机械工程师 2014年2期

常江，唐汉薇，卢桂荣

（中国航天科工集团第四研究院，湖北孝感432100）

0 引言

金属材料的热处理工艺是在固态条件下将金属或合金加热到一定的温度，保持一定的时间，然后用不同的冷却方法冷却下来，使其发生金属相的转变而获得所需性能的一种热加工工艺。一般来说，只要选择的金属材料合适，热处理工艺得当，就能使机械零件的使用寿命成倍、甚至几十倍地提高，收到事半功倍的效果，因此，热处理是机械零件和工模具制造过程中的关键工序，也是机械工业的一项重要基础技术。

随着机电产品对零部件的力学性能要求越来越高，各种结构零件基本上都已采用了成品热处理工艺，当结构零件尺寸较小、形状机构复杂且精度要求较高时，如在成品热处理环节产生质量问题则容易产生批次性报废，最终造成制造成本的上升，不利于产品的研制及生产的顺利进行。由于热处理是一个微观组织变化的过程，对于过程的分析理论性要求较强，零件经热处理工艺后，其最终的性能受材料原始状态、加热方式、冷却方式以及零件形状等多种因素影响，任何一个因素的变化都会对材料的力学性能带来巨大的变化。正是由于热处理工艺的这种特殊性，单纯依靠技术人员及操作工人的现有经验，难以精确预测热处理过程中的各种质量问题，导致热处理过程质量控制水平较低，而应用CAE技术，对热处理工艺过程进行分析，可及早发现问题，并通过计算机模拟优化工艺参数，从而大大减少试验的次数。

1 产品特点及工艺难点

本文研究的弧形推杆是船用液压马达中的传动零件，根据液压原理可知，液压传动过程中的能量损耗与传动件之间的间隙的立方成正比，因此液压设备的机械零件精度普遍较高。本产品的技术特点如下：1）零件加工精度高，制造公差基本都在IT6级左右；2）零件材料为QT500，两端部要求10 mm左右的局部硬度45HRC，同时两端深孔作为另一零件的配合面，要求较小的变形量；3）零件上、下平面有较高的平行度要求，侧面与底面之间有较高的垂直度要求，以保证装配时较小的配合间隙。

图1 弧形推杆三维图

零件三维设计图如图1所示。

对于零件的端面硬度要求，如果采用局部热处理的工艺方式，由于QT500材料热传导系数低，在加热过程中材料自身传导热量较慢，则加热时间要很长才能保证零件内部达到奥氏体转变温度，而此时零件表面已经处于较高的温度，由于QT500本身熔点较低，因此极易导致与热源相接触的部位局部熔化；如加热过程时间较短，则零件内部还不能达到组织转变温度，在冷却过程中难以获得较大比例的马氏体，因此难以达到设计要求的硬度。

基于以上分析，在考虑零件的初步工艺方案时，考虑采用使用整体加热，局部冷却的工艺方法，通过整体加热可以保证零件能够较快地获得材料内外温度的一致性，同时通过局部冷却的方式使零件端面获得需要的硬度。

零件的工艺路线为：下料→粗车成环状→切断→热处理→磨零件外形。

2 初次试验结果及工艺过程仿真分析

2.1 初次试验结果及质量问题

根据初步的工艺方案，生产车间按照图纸进行生产，零件经过粗加工后进行热处理工序，然后用平磨磨平上下面，再用工装夹紧磨平的上下面进行定位后，磨削零件的内外圆，内外圆尺寸精度靠工装尺寸保证。进行完整套加工工序后，对零件的成品进行检测，发现弧形推杆两端面的硬度达到要求，但弧形部位的内外圆尺寸不符合图纸要求，同时平行度及垂直度均超差。

由于磨削工装的尺寸通过检测符合设计尺寸，因此零件超差可排除工装的原因，同时，因为磨削工序的上一道工序为热处理工序，因此热处理过程的质量对磨削有着直接的影响。基于以上分析，采用国际上先进的工艺仿真软件DEFORM对零件的热处理过程进行模拟，通过仿真分析研究热处理过程中弧形推杆的热力学行为。

2.2 热处理工艺过程仿真分析

将弧形推杆的CAD模型直接导入DEFORM-3D系统，使用热力耦合单元进行有限元网格化分，并根据实际的工艺参数设置模拟边界条件。弧形推杆热处理工艺参数为：加热温度为850℃，保温时间为20 min，工件两端油冷，中间空冷。

仿真分析时，以弧形推杆中部为原点，即模拟淬火时夹具接触位置，同时以此点为参考分析其他各部位的变形量。建立的有限元模型及热处理工艺参数如图2所示。

图2 弧形推杆有限元模型及热处理工艺参数

按照此工艺方案进行设置后，零件的硬度分布及金相组织分布分析结果如图3所示，淬火后工件两端硬度为52～54.7HRC，中间硬度30HRC，符合实际的试验结果，同时符合设计要求。工件两端为100%马氏体，中间段为100%珠光体，在过渡区是马氏体和珠光体的混合物，获得了良好的晶相组织。

图3 硬度分布及金相组织分布分析结果

零件的热处理变形分析结果如图4所示，从分析结果可以看出，以工件中间段为原点，在零件两端的Z轴方向上，其中一端向上偏移0.11mm，另一端向下偏移0.37mm，产生了较大的扭转变形。通过研究图5中零件内部的应力分布可以看出，零件中间夹持部位的应力最高达到230 MPa，淬火分界点应力也比较集中，大约150 MPa。由于零件两端冷却时中间部位还处于较高的温度，材料抵抗应力变形的能力较差，因此淬火应力直接导致了零件的扭曲变形。