在齒輪工作時(shí)，其需要足夠的心部硬度來(lái)保證可以承受脈動(dòng)沖擊力和交變彎曲應(yīng)力，使齒輪在傳動(dòng)中具有足夠的強(qiáng)韌性。滲碳淬火工藝是提高齒輪表面硬度，強(qiáng)化齒輪承載能力的重要途徑。其中淬火工藝將奧氏體轉(zhuǎn)化為貝氏體、馬氏體，來(lái)滿(mǎn)足齒輪對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的要求。傳統(tǒng)的淬火工藝不僅污染嚴(yán)重且表面光潔度較差，不適合一些如汽車(chē)齒輪等高精密零部件。高壓氣淬工藝是利用高壓力的氣體通過(guò)風(fēng)機(jī)形成強(qiáng)制對(duì)流，使零部件溫度快速下降，達(dá)到組織相變目的，其具有以下優(yōu)點(diǎn): ①工件表面質(zhì)量好，無(wú)氧化; ②淬火均勻性好，工件畸變小; ③淬火強(qiáng)度可控性好，冷卻速度能通過(guò)改變氣體壓力和流速進(jìn)行控制; ④生產(chǎn)率高; ⑤無(wú)環(huán)境污染。
在氣淬過(guò)程中由于裝爐工件較多，高壓氣體無(wú)法均勻地與各個(gè)齒輪進(jìn)行換熱，因此會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)同爐工件心部組織、硬度不均勻，甚至部分齒輪心部各項(xiàng)指標(biāo)不合格、組織較差。提高氣淬能力的方式可以通過(guò)提高氣淬壓力、氣體流速等方式，但成本和周期較高。并且由于淬火介質(zhì)處于湍流狀態(tài)，零部件數(shù)量較多且內(nèi)部溫度難以測(cè)量，因此選擇數(shù)值模擬的方式分析氣淬過(guò)程中流場(chǎng)與溫度場(chǎng)，指導(dǎo)氣淬室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高氣淬較差區(qū)域的零部件硬度和組織質(zhì)量，達(dá)到提高同爐零部件組織與性能均勻性的目的。
本文以北京機(jī)電研究所有限公司生產(chǎn)的 WZSTQ- 60G 型滲碳高壓氣淬爐為研究對(duì)象，該爐具有 2 MPa 高壓氣淬能力，通過(guò)構(gòu)建氣淬室三維模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，分析氣淬時(shí)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)，并優(yōu)化氣淬室結(jié)構(gòu)與工裝，提高汽車(chē)齒輪氣淬工藝的均勻性。
一、汽車(chē)齒輪氣淬試驗(yàn)
氣淬試驗(yàn)
使用北京機(jī)電研究所有限公司研制的 2 MPa 高壓氣淬爐進(jìn)行滲碳?xì)獯阍囼?yàn)，試驗(yàn)零件為汽車(chē)齒輪，材料為 18CrNiMo7-6 鋼，模數(shù)為 5.556 mm，如圖 1 所示。試驗(yàn)試件要求心部硬度大于 380 HV10。
齒輪滲碳?xì)獯愎に嚾鐖D 2 所示，采用 930 ℃ 滲碳后 1.8 MPa 高壓氣淬。在氣淬室內(nèi)工件整體采用 9 層裝料方式，每層共兩個(gè)裝料盤(pán)，總共裝 18 個(gè)料盤(pán); 每料盤(pán)裝 65 個(gè)齒輪，共計(jì) 1170 個(gè)齒輪件，為具體分析每層工件的氣淬均勻性，試驗(yàn)件擺放位置如圖 3 所示。
試驗(yàn)結(jié)果分析
完成熱處理工藝后，使用 240 ～ 2000 目的碳化硅砂紙對(duì)滲碳后的試樣橫截面進(jìn)行研磨，并用金剛石拋光劑拋光，用 MH-60 型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試齒輪試樣心部的顯微硬度。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，加載 10 kg，每個(gè)點(diǎn)的保持時(shí)間為 15 s，每個(gè)深度的硬度值測(cè)試 3 次，取平均值。采用 Zeiss Axio ScopeA1 型金相顯微鏡 觀測(cè)齒輪心部組織。對(duì)齒輪試樣進(jìn)行切片制樣，心部硬度檢測(cè)結(jié)果如圖 4 所示。
根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，位置 1 和位置 2 的全部工件心部硬度遠(yuǎn)高于工藝要求值; 位置 3 與位置 4 第 1 層至第 3 層的心部硬度最低值在380 HV10 以上，也符合工藝要求，但其第 4 ～ 9 層齒輪件的心部硬度值較低，處于最低工藝要求硬度值附近。圖 5 是齒輪心部硬度合格與不合格的金相照片。可以看出，硬度合格的齒輪心部組織為馬氏體與貝氏體，而硬度不合格的齒輪心部組織除了馬氏體和貝氏體還分布了大量鐵素體。根據(jù) GB /T 38805—2020《重載齒輪熱處理技術(shù)要求》，汽車(chē)齒輪心部組織可以存在少量貝氏體，但不能存在游離鐵素體。
導(dǎo)致此問(wèn)題的原因是，在高壓氣淬過(guò)程中 1、2 位置不同層工件和 3、4 位置的第 1 和第 2 層工件由于與高壓氣體接觸較為充分，且受周?chē)ぜ肮ぱb的儲(chǔ)熱影響較小，因此冷卻速度較快。而位置 3 和位置 4 的第 3 層至第 9 層的工件則受儲(chǔ)熱影響較大，且高壓氣流被逐層削減，導(dǎo)致其冷卻速度較慢。本文將此兩區(qū)域稱(chēng)為易冷區(qū)和難冷區(qū)，兩個(gè)區(qū)域的冷卻速度不同導(dǎo)致了工件氣淬過(guò)程的不均勻性。本文將對(duì)氣淬室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以此來(lái)解決因冷速不均而產(chǎn)生的不均勻性。
二、氣淬室結(jié)構(gòu)優(yōu)化及數(shù)值模擬
氣淬室結(jié)構(gòu)優(yōu)化及三維模型
增加冷卻速度可以通過(guò)增加氣體壓力、增加氣體流速、選擇換熱系數(shù)高的氣體種類(lèi)等。其中增加氣體流速是較為簡(jiǎn)單和有效的方式，增加氣體流速的方法可以通過(guò)提高電機(jī)功率、優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)、優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)與增加導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)等方式實(shí)現(xiàn)，但前幾種方式對(duì)現(xiàn)有設(shè)備來(lái)說(shuō)成本較高、實(shí)施較為復(fù)雜，而增加導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)方式不僅成本較低、操作較為簡(jiǎn)單而且效果較為顯著。根據(jù)試驗(yàn)可知，易冷區(qū)的工件心部硬度遠(yuǎn)高于規(guī)定值，而難冷區(qū)的工件難以達(dá)到，因此可以將高壓氣流通過(guò)導(dǎo)風(fēng)裝置重新分配，將更多的高壓氣流導(dǎo)向難冷區(qū)。并且難冷區(qū)主要在中心和底層區(qū)域，因此在氣淬室的進(jìn)風(fēng)口增加斜向?qū)Я靼澹⑶以诠ぱb設(shè)計(jì)風(fēng)道，使高壓氣流能貫穿整體工件垛。
根據(jù)氣淬室有效區(qū)的尺寸建立三維模型，為簡(jiǎn)化模型復(fù)雜程度，將齒輪模型簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體，并忽略工裝等影響因素。用等效面積法將進(jìn)出風(fēng)口設(shè)為 4 個(gè)進(jìn)出口，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前和優(yōu)化后的氣淬室三維模型如圖 6 所示。本次模擬仿真過(guò)程屬于流固熱耦合分析，并且比例為 1∶1，因此模型尺寸較大，所以需要網(wǎng)格的質(zhì)量較高。使用 Icem 軟件對(duì)三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并設(shè)置相應(yīng)的計(jì)算域。網(wǎng)格質(zhì)量如圖 7 所示，使用軟件檢查網(wǎng)格質(zhì)量，結(jié)果顯示網(wǎng)格質(zhì)量良好。
數(shù)學(xué)模型
1) 連續(xù)性方程
式中: ρ 為流體密度; ux、uy、uz 為 x、y、z 方向分量。
2) 導(dǎo)熱方程
式中: ρ 為流體密度，T 為溫度，t 為時(shí)間，Cp 為流體比熱容，kx、ky 、kz 分別為 x、y、z 方向的導(dǎo)熱系數(shù)，Q 為源項(xiàng)。
3) 湍流動(dòng)能方程
式中: ui 為沿 i 方向的速度分量; pr 為湍動(dòng)能生成率; ηt 為湍流粘性系數(shù); η 為流體粘度系數(shù); xi 為 i 方向空間位置分量; k 為湍動(dòng)能; ε 為湍流耗散率; σk 為 k-ε方程的湍流普朗特?cái)?shù)。
結(jié)果分析
圖 8 和圖 9 分別是氣淬室結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后某時(shí)刻工件和氣流的溫度場(chǎng)云圖和高壓氣流的速度場(chǎng)云圖。從圖 9 可以看出，高壓氣流通過(guò)工件垛時(shí)速度下降較快，且受儲(chǔ)熱熱影響較大的內(nèi)層工件與受潛熱影響小的外層的區(qū)域間的流速相差不大。而從結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的氣流場(chǎng)云圖可以看到高壓氣流向中心靠攏，提高了中心區(qū)域的來(lái)流速度。根據(jù)兩速度云圖對(duì)比，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前中心區(qū)域氣體來(lái)流速度為 15 m /s，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后氣體來(lái)流速度為 18.5 m /s，增加導(dǎo)風(fēng)裝置難冷區(qū)來(lái)流速度提高了 24% 。
使用 JMatPro 軟件對(duì) 18CrNiMo7-6 鋼模擬 CCT 曲線，其結(jié)果如圖 10 所示。根據(jù)圖 10，如果在氣淬過(guò)程中避免珠光體轉(zhuǎn)變且硬度達(dá)到 380 HV10 以上，則需要滿(mǎn)足冷速在 60 ℃ /min 以上。在使用 fluent 對(duì)氣淬過(guò)程模擬時(shí)，間隔 1 s 輸出數(shù)據(jù) DAT 文件，采用后處理軟件 CFD-Post 對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)距離工件表面 20 mm 處( 約為齒輪心部硬度檢測(cè)位置) 溫度變化進(jìn)行模擬檢測(cè)，并計(jì)算冷卻速度如圖 11 所示。根據(jù)圖 11 氣淬室改進(jìn)后工件心部的冷卻圖，可以得出在難冷區(qū)的工件心部冷速均在 140 ℃ /min 以上，且易冷區(qū)的工件心部冷卻速度在 170 ℃ /min。可以推斷，增加導(dǎo)流裝置不僅可以提高難冷區(qū)的冷速，將難冷區(qū)的工件硬度提高至 380 HV10 左右，并且沒(méi)有由于減少易冷區(qū)的高壓氣體流量而導(dǎo)致易冷區(qū)的工件冷速不足。因此，此次仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)可以實(shí)施在相應(yīng)結(jié)構(gòu)上以解決實(shí)際問(wèn)題。
三、試驗(yàn)驗(yàn)證
氣淬室結(jié)構(gòu)改造
根據(jù)模擬優(yōu)化的結(jié)果，將氣淬室出風(fēng)口加設(shè)導(dǎo)流板。先將導(dǎo)流板連接塊焊接在氣淬室上，再使用螺栓將導(dǎo)流板固定在連接塊上，方便后期維護(hù)與拆卸，改造后如圖 12 所示。在工件垛增加導(dǎo)流風(fēng)道，使高壓氣體可集中在中間區(qū)域，提高中間區(qū)域的氣體流速。
改造后氣淬試驗(yàn)
采用與最初氣淬試驗(yàn)相同的試驗(yàn)條件與工藝曲線，試驗(yàn)件擺放位置也與初次試驗(yàn)相同。如圖 13 所示，結(jié)構(gòu)改造后試驗(yàn)齒輪心部硬度均在 400 HV10 以上，符合心部硬度大于 380 HV10 的指標(biāo)。對(duì)第 1、3、5、7、9 層的位置 4 齒輪進(jìn)行制樣，使用 Zeiss Axio ScopeA1 金相顯微鏡觀測(cè)心部組織，如圖 14 所示，組織為貝氏體與馬氏體，沒(méi)有鐵素體出現(xiàn)，符合組織合格要求。
四、結(jié)論
1) 當(dāng)出風(fēng)口流速小且工件層數(shù)過(guò)多時(shí)，部分置于氣淬室中心和底層工件受儲(chǔ)熱影響較大，其會(huì)因?yàn)槔渌俨蛔愠霈F(xiàn)大部分心部硬度不足，心部組織不合格。
2) 根據(jù)模擬仿真結(jié)果對(duì)氣淬室進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在進(jìn)風(fēng)口處增加導(dǎo)流板，并且在工裝上安裝相應(yīng)的風(fēng)道。中心區(qū)域的氣體來(lái)流速度較優(yōu)化前提高 24% 左右。
3) 對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的氣淬室進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論氣流增強(qiáng)區(qū)還是氣流削弱區(qū)的受檢工件心部硬度值均在 405 HV10 以上，滿(mǎn)足規(guī)定指標(biāo)，且心部硬度值整體較為均勻。
參考文獻(xiàn)略.