基于ANSYS的丝锥淬火冷却过程计算机模拟

以现有的丝锥淬火工艺规程为依据，使用ANSYS软件对丝锥淬火冷却过程进行了模拟，得出了温度场以及应力场的等值线分布图，为正确预测刀具温度场、应力场，解决高硬度刀具温度场难于在线测量问题提供了比较可行、可靠而且简便的办法。该方法对于同类型刀具具有普遍意义。

    热处理是保证制造业产品的内在质量，提高其使用性能和可靠性的重要环节。传统的热处理是一种依靠经验型技术实现的热处理，经验型的技术很难溶人以信息化为主导的先进制造技术之中。因此迫切需要将热处理改造为基于知识的热处理技术，从而减弱热处理信息化在制造业中的瓶颈问题。

    对热处理过程的计算机模拟是保证热处理信息化的关键。金属切削刀具是制造业中最基本的生产要素，丝锥则属于金切刀具中复杂刀具的一种，对其热处理过程的计算机模拟一旦有所突破，将会最终带动整个刀具制造行业，从而影响到整个制造业的热处理信息化进程。由于淬火过程直接影响到刀具的最终使用性能，而且属于热处理过程中温度和应力变化最大的一个环节，组织变化复杂，所以以此作为研究的依据。

    热处理过程还具有“瞬息万变”的特性，欲实时获取某瞬时、某特定冷却条件下的温度场、应力场分布情况，在现有的测试手段、试验方法以及测试仪器下还显得难度较大。

    随着计算机软、硬件水平的提高，伴随着数值计算方法、计算传热学、热弹塑性理论、相变动力学、计算流体力学等学科的同步跟进，对于丝锥的淬火过程计算机模拟已成为可行、可靠的技术手段。

    1 淬火过程计算机模拟的客观依据

    计算机模拟只是一种手段，其模拟结果的可靠程度要通过试验或现行热处理工艺进行检验。此处严格按照某工具厂M24丝锥淬火工艺规程进行：对于W9Mo3Cr4V材料制成的丝锥，加热过程采用在400℃、800℃、1200℃三级加热，每个温度保温20min，然后以90S的时间用盐浴冷却的方式降至室温。

    2 淬火过程计算机模拟的理论依据

    该问题属于瞬态热分析问题。与丝锥相接触的硝盐水溶液的温度和换热系数是已知的，所以该问题属于第三类边界条件的问题。第三类边界条件是指与物体相接触的流体介质的温度和换热系数a均为已知，这样物体与流体介质之间的换热量就为已知。用公式表示为:

    其中：和α可以是常数，也可以是随时间和空间变化的函数。

    又由于材料温度将在一个较大的温度区间变化，材料热性能随温度变化的非线性因素不能忽略，因此该问题属于比较复杂的瞬态非线性热分析问题。

    3 丝锥模型的创建以及有限元模型的导入

    3.1 原始模型的建立

    精确建模是正确分析的前提。ANSYS软件在创建丝锥表面的螺纹、容屑槽等结构要素时非常麻烦，甚至不可能。为此采用当前流行的三维实体造型软件Solidworks2006，按照GB967-83的标准精确建模，由此产生的实体能够保证足够的模拟精度。创建出的模型如图1所示。

    3.2 ANSYS分析模型的建立

    在丝锥实际淬火过程中，出现的废品多缘于切削刃尖角处应力过大造成开裂。所以模拟时，关注的是含有螺纹部分的切削刃。为了抓主要矛盾，合理利用计算机资源，提高计算速度，所以选取切削刃部分1／2长度，同时截取径向的1／4进行分析，截取的时候保证容屑槽的对称性，这样，可以将分析部位的网格划分的更细，既可以提高计算精度，又不至于使计算负荷过重，同时还能方便地利用ANSYS的后处理功能，从轴向、径向对于各种场量的分布进行直观的观察判断。ANSYS模型如图2所示。

图2 M24丝锥有限元分析模型

    4 模拟过程中相关参数的设置

    在对温度场求解的过程中，必要的热物性参数是导热系数、比热、对流换热系数、以及材料的密度。其中，因为密度随温度变化较小，模拟时采用恒定值来近似，其余参数则根据热处理手册获取。根据需要，对于起始和终止温度点处的热物性参数，使用Origin7.5软件进行必要的插值后获取。

    在进行应力场分析的过程中，材料的弹性模量、泊松比以及线膨胀系数是必要参数。泊松比随温度变化的影响较小，采用恒定值来处理。弹性模量和线膨胀系数则在已有值的基础上作插值补充。

    5 ANSYS模拟实现过程

    5.1 定义单元类型

    模拟时一次求解完成两种场的分析，所以必须采用耦合单元。这里采用了ScalarTet98耦合单元，该单元可以很好地用于曲面模型的模拟。

    5.2 定义材料性能参数

    依次选择MainMenu→Processor→MaterialProps→MeterialModels命令，出现DefineMaterialModelBe.havior对话框。在MaterialModelAvailable列表框中依次输入淬火温度区间需要的导热系数、弹性模量、泊松比、线膨胀系数、比热容、密度等所有参数。如图3、4。

图3 淬火过程热导事值输入

图4 淬火过程弹性模量和泊松比输入

    模拟过程中，高温部分比热变化不大，取值480J／(kg·K)，密度取值，线膨胀系数在已有资料的基础上，使用Origin7.5软件外插值后取值。

    5.3 加载求解

    (1)设置分析类型

图5 淬火过程时阔步长设置

    分析类型设置为Transient，为了完成瞬态分析，打开自动时间积分项。按图5进行时间步长的设置。

    (2)定义初始条件

    点击Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Temperature→Uniform Temp菜单，在[TUNIF]Uniform temperature输人框中输入1200，表示冷却过程开始时丝锥具有各个部位一致的均匀初始温度。

    (3)定义载荷

    淬火过程中所受到的热载荷是处于室温下的淬火油(工艺规程规定是硝盐水溶液)和高温下的丝锥之间的对流换热载荷，因此分析时要将对流系数和冷却介质初始温度作为对流载荷施加给丝锥。此处所用到的硝盐水溶液的对流换热系数值可以从热处理手册获得，并按照定义数组参数的形式输入到ANSYS中，如图6所示。载荷设置完毕选择所有表面，加载求解。

图6 定义对流边界条件

    6 模拟结果及分析

    6.1 查看温度场结果

    求解结束后，打开通用后处理器，读入最后一步计算结果，可以得到淬火冷却过程结束温度场分布等值线图，如图7所示。

图7 淬火结束芯部温度场等值线图

    从图中可看到，经过90s冷却后，刀尖点温度最低为20℃，芯部的温度相对比较高。此处假设介质的温度为20℃左右，所以模拟结果和实际比较吻合。打开时间历程后处理器，选取图2中的四个特征点为变量，得到温度随时间变化的温度曲线，如图8。

    可以发现，丝锥冷却过程中，选定各点的冷却规律和趋势基本是一致的，差别仅仅在于一个时间上的推移。

图8 淬火过程选定点温度变化历程

    6.2 查看应力场结果

    打开通用后处理器，选择查看应力项，得到等效应力等值线图，如图9所示。

图9 淬火结束等效应力场等值线图

    从图9中可以发现，等效应力最大的部位出现在切削刃槽底部位和中心部位，选取淬火后等效应力最大的一个牙底处作为考察点(模型中的1115单元以及该单元包含的178节点区域)，得到图10所示的牙底淬火过程中的应力变化曲线。

图10 淬火过程牙底最大等效应力点应力变化曲线

    从图10中可以看出，随着淬火时间的延长，牙底部位的应力值在开始阶段出现波动，40S以后开始出现快速上升，直到淬火结束时等效应力值达到最大。这一结果和实际生产中的结论也是比较吻合的。

    7 结论

    (1)通过上述模拟过程可以看出：使用ANSYS软件对丝锥淬火冷却过程的模拟是可行的，无论从模拟所得的温度场分布云图，还是应力场分布云图来看，基本上和实际(该课题有相应的试验测定了温度场)比较吻合，由此可以推广到别的热处理过程甚至别的切削工具的热处理模拟中去，只要能够测定出材料的热物性参数，即可获得比较满意的结果；

    (2)ANSYS软件可以比较直观地把淬火冷却过程中的温度、应力变化情况显示出来，可以为热处理信息化实现过程中合理选择热处理参数提供参考，从而为推动热处理信息化的发展创造条件；

    (3)为了验证模拟的可靠性，先前做过相应的试验，但是由于应力场测量难度较大，存在一定的误差，而且模拟过程中做了一定的简化，比如：没有考虑组织转变引起的相变潜热的影响，也会产生一定的误差。随着后续的进一步努力，必将在热处理计算机模拟方面有所突破。