基于DEFORM软件对机车牵引主动锥齿轮的热处理的模拟分析研究

焦健

摘 要：基于DEFORM软件V6.1版本，对机车牵引主动锥齿轮进行计算机热处理模拟分析，优化热处理工艺。利用UG软件对机车牵引主动锥齿轮建立三维非线性有限元模型，建立热处理过程中温度场、应力、相变等相互作用的数学模型，结合材料学、传热学、弹塑性力学和数学等多学科的理论知识，通过计算机模拟获得对内燃机机车牵引主动锥齿轮热处理工艺过程的变化规律的认识，使其热处理质量的精确控制和工艺优化，并有助于开发创新性工艺和设备。

关键词：热处理 有限元分析 DEFORM软件

内燃机车主动齿轮采用20CrMnTi材料制成，齿廓面进行渗碳淬火处理，渗碳层深1.3mm～1.9mm，齿面硬度大于60HRC，为了保证主从动齿轮在工作状态下有很好的接触区域，锥面及齿面进行磨削加工，主动齿轮采用齿向修正，从动齿轮采用齿顶修缘。

20CrMnTi齿轮钢作为机车牵引主动齿轮的选材，要使其达到加工、使用所需性能，必须经过热处理。齿轮毛坯采用锻造毛坯，经锻造以后晶粒变成流线型，即晶粒细小了。从而提高了钢的力学性能例如提高了硬度。但同时锻造也会产生应力，所以在机械加工前需预备热处理[1]。

20CrMnTi齿轮在传统热处理工艺下易产生的缺陷，而通过计算机软件技术，可以预测实际生产中的金属变化情况，可以减少昂贵的试验成本核算，提高效率，降低生产和材料成本，缩短新产品的研究开发周期。

1 单个轮齿的DEFORM渗碳淬火分析

圆锥齿轮的结构复杂，不适合整体研究。所以将单个齿作为研究对象。

齿轮的失效多数与渗碳齿轮在热处理过程中的许多缺陷有关，如表层和心部硬度不够，表层过度渗碳与硬化层偏浅，渗碳层深度不均匀，表层内氧化等[2]。

2 热分析

由图1-3可知，整个渗碳淬火过程，齿轮温度分布是不均匀的。而这种不均匀是造成齿轮热变形和冷淬裂的主要原因之一。通过观察齿轮中央部分温度变化速度可以了解渗碳淬火后得到的组织的差别。

在整个淬火过程中，心部铁素体生成时受到表层高碳奥氏体区的压应力的影响。会增加零件的变形。尤其是大型齿轮由于模数大、渗层深，渗碳时间较长，还会受到自身重量变化的影响使其产生变形。

那么如何来减小这种变形呢？

通过Deform软件对20CrMnTi的滲碳淬火过程的模拟可知，齿轮各部位组织转变的不同时是造成变形的主要原因。所以可以通过提高淬火环节中的均匀性来实现减小变形。

3 20CrMnTi齿轮重点热处理工艺及试验

热处理工艺，见表1。

4 热处理质量检验

（1）外观检测。

（2）硬度检测：选取三点进行硬度测试，根据原理HB=F/S（淬火钢球），用硬度实验测试。

（3）力学性能检测：利用实验仪器进行抗拉强度和屈服强度的测试。

（4） 进行组织检验：在金相显微镜下进行观察试样的金相组织。

通过以上质量检验，发现利用DEFORM软件对机车牵引主动锥齿轮的热处理进行模拟分析是可行的，可以缩短实际调整热处理温度、介质、冷却方式等的时间，也可为机车牵引主动齿轮材料的选择上提供依据。

内蒙古交通职业技术学院的院级课题：基于DEFORM软件对机车牵引主动锥齿轮的热处理的模拟分析研究。

参考文献：

[1]刘宗昌等.热处理工程师必备理论基础 [M] 北京：机械工业出版社，2013.

[2]阎承沛.典型零件热处理缺陷分析及对策480例[M].北京：机械工业出版社，2008.