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十字軸加熱過程有限元模擬

2018-07-20

馬繼堂　劉輝
（泰爾重工股份有限公司）

　　熱處理加熱保溫時間一般是根據(jù)鋼的牌號、裝爐數(shù)量與方式、工件的尺寸形狀與有效截面、工件的性能要求等，利用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式確定。實(shí)際生產(chǎn)中，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和工件有效厚度（mm）來計(jì)算保溫時間，在空氣爐中淬火加熱保溫時間大約是儀表顯示溫度到溫后，按有效厚度1mm/min確定。本文采用有限元法模擬了十字軸加熱保溫過程溫度場的變化，并在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行了測溫驗(yàn)證，為優(yōu)化不同規(guī)格十字軸加熱保溫工藝提供了參考依據(jù)。

　　1.十字軸建模
　　十字軸建模，十字軸軸頭直徑225mm，如圖1所示，對稱結(jié)構(gòu)，取一個圓柱軸頭的1/12建模，如圖2所示。

　　2.十字軸加熱保溫模擬及驗(yàn)證
　　十字軸采用了20Cr2Ni4W滲碳鋼的熱物參數(shù)。初始條件為升溫階段實(shí)測十字軸的溫度340℃。邊界條件用第三類邊界條件，即對流邊界加輻射邊界。加熱過程較為緩慢，爐內(nèi)綜合換熱系數(shù)采用文獻(xiàn)中所述的計(jì)算方法。環(huán)境加熱條件設(shè)置為爐內(nèi)加熱氣氛的溫度。

　　十字軸裝入加熱爐內(nèi)加熱保溫（見圖3），在其心部插入一支熱電偶，石棉堵塞中心通孔?？拷州S表面粘貼了一支熱電偶，測其表面溫度。加熱保溫溫度850℃，保溫時間以實(shí)測心部到溫后結(jié)束。十字軸加熱過程模擬見圖4。

　　3.結(jié)果分析
　　十字軸表面和心部的模擬和實(shí)測結(jié)果如圖5所示。

　　從圖5可以看出：心部的模擬和實(shí)測溫度曲線相符，心部在升溫階段，模擬升溫比實(shí)際升溫快，主要因?yàn)閾Q熱系數(shù)是依據(jù)公式計(jì)算確定，雖然公式的適應(yīng)性在工程中得到認(rèn)可[2]，與真實(shí)的換熱系數(shù)仍然存在一定偏差；表面模擬結(jié)果與實(shí)測溫度誤差很大，分析認(rèn)為貼近十字軸表面的熱電偶測的并非本體表面溫度，而是介于爐內(nèi)氣氛溫度和工件表面溫度之間的溫度。表面實(shí)測的溫度跟爐子溫控儀表測的爐內(nèi)氣氛溫度更相符。

　　4.結(jié)語
　　對十字軸加熱過程進(jìn)行了模擬，并在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行了測溫驗(yàn)證。十字軸心部的升溫曲線，模擬與實(shí)測相吻合，為今后優(yōu)化十字軸的加熱工藝優(yōu)化提供了參考。

來源：《金屬加工(熱加工)》2016年17期