直齿圆柱齿轮淬火残余应力分析

张京辉

摘要：直齿圆柱齿轮的使用很广泛，作为机械零部件中最重要部件，齿轮的应用寿命对机械零件的寿命有很深的影响。因此研究齿轮的使用寿命非常重要。基于ABAQUS有限元软件对齿轮进行淬火残余应力分析。

Abstract： Straight tooth cylindrical gear is widely used， as the most important part of machinery parts ， the service life of gear has a deep impact on the life of machinery parts.So it is very important to study the service life of gear.The quenching residual stress of gear was analyzed based on ABAQUS finite element software.

关键词：淬火介质;残余应力;数值模拟;ABAQUS

Key words： hardening agent;residual stress;numerical simulation;ABAQUS

中图分类号：TG162.73                                  文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）02-0041-02

0  引言

20crmnti是低碳钢，常用来作为制造汽车、摩托车、各种工程机械的传动齿轮。正常工艺下齿轮需要经过淬火工艺处理增加其性能强度，但由于淬火过程中工件形状导致不同部位的冷却速率不均匀，会产生淬火残余应力及工件变形问题[1-4]。淬火残余应力会导致齿轮产生裂纹，甚至减少齿轮使用周期。

1  有限元模型分析

1.1 几何模型

分析的齿轮几何模型如图1所示。小齿轮齿数为36，大齿轮齿数为45，模数为2，齿宽30mm，压力角20度。

1.2 约束边界条件和初始条件定义

齿轮内侧受到主轴影响，约束其法向的位移。齿轮侧面约束法向位移。

齿轮进行分级淬火：①油淬：初始条件为齿轮淬火的初始温度（C860度），载荷为对流系数1HF （随温度变化而变化），边界条件为油的温度（80度），大约时间600s;②空气中冷却：初始条件为齿轮油淬结束后的溫度，载荷为对流系数2HF （空气中为常数），边界条件为空气的温度（取25度），大约时间为1800s[5-7]。

2  齿轮数值分析

2.1 温度结果分析

淬火过程中，齿轮内侧温度相比外部温度较高，这是由于外部与环境接触面积较大，因此散热较快。当淬火10s时，齿轮内侧最高温度仍保持860度初始温度，而外温度已降低至约400度。当淬火60s时，最高温度约为410度。当淬火600s时，最高温度约为79度。当淬火1800s时，最高温度约为74.5度，大齿轮比小齿轮的温度略高。（图2）

齿轮内沿径向温度场分布逐渐降低，当淬火时间较短时，沿径向的温度差异越大，当淬火时间较长时，沿径向的温度差异较小。

2.2 残余应力结果分析

为了观察齿轮内部沿径向的应力变化，绘制了如图3所示的应力分布曲线。由图3可知，随着时间的增加，齿轮内沿径向的应力分布趋势会发生改变，在600s内时，齿轮外侧应力比内侧应力大，在600s后，这种变化趋势正好相反。

为了进一步观察齿轮最大应力随时间的变化，绘制如图4所示曲线。由图4可知，随着淬火时间的增加，一开始，结构的应力增大，当历时50s后，应力迅速降低，随即在200s后又迅速增加，在500s后，应力逐渐趋于平稳。当历时1800s后，齿轮的最大应力约为1.2GPa。

3  结论

①淬火温度沿径向方向缓慢降低，淬火温度越低，径向温度梯度越大，反之而越小。②齿轮应力变化随时间变化存在差异，600s内，外侧应力比内侧应力大，600s以后反之外比内小，主要原因是温度的变化导致的。③应力先增大后降低再升高，后趋向于平稳。导致这样的原因是齿轮在淬火过程中相的不同变化引起的，因此我们研究残余应力时必须考虑相变的影响。

参考文献：

[1]陈国民.对我国齿轮渗碳淬火技术的评述[J].金属热处理，2008，33（1）.

[2]方博武.金属冷热加工残余应力[M].北京：高等教育出版社，1991：5-47.

[3]宋广胜，刘相华，王国栋，等.22CrMo钢渗碳淬火过程组织与应力变化的数值模拟[J].钢铁研究学报，2006，18（10）：36-40.

[4]袁美玲，张立娟，刘毅，等.42CrMo钢热处理过程数值模拟研究[J].热加工工艺.2013，42（2）：182-184.

[5]杨志强.渗碳圆柱齿轮淬火过程的数值模拟[J].工程力学，2013，30（1）：407-412.

[6]张桂霞，夏双林，李强.等.圆柱齿轮淬火过程温度场的计算机模拟[J].装备制造技术，2009（11）：16-18.

[7]刘燕波，陈文琳，王梁，等.20CrMnTiH钢奥氏体晶粒长大规律及有限元模型[J].材料热处理学报，2016，37（3）：235-240.