冷滚打成形表层残余应力模型建立

为提高冷滚打成形工件的表面性能,实现对冷滚打成形过程中残余应力的控制,以渐开线花键为研究对象,采用轮廓法测量冷滚打成形花键齿廓不同位置的残余应力,依据实验结果采用响应曲面法建立冷滚打成形花键齿廓齿根处、分度圆处和齿顶处的残余压应力峰值和残余压应力层深与冷滚打成形参数的关系模型,对比分析了实验结果与模型的预测结果。研究表明所建立的残余压应力峰值模型的最大预测误差为3.3%,残余压应力层深模型的最大预测误差为6.1%,预测结果具有较高的可信度,可以进行不同冷滚打成形参数的齿廓空间残余应力和残余压应力层深度的预测。     

42CrMo钢输出法兰感应淬火的数值模拟及验证

基于电磁-热-组织-应力耦合模型,采用数值模拟研究了42CrMo钢输出法兰感应淬火过程中的温度、组织和应力的变化规律,同时采用硬化轮廓对比和硬度检测验证了模拟的可靠性。研究表明,在加热阶段,输出法兰圆弧过渡区的上、下尖角比中间位置先到达奥氏体化温度,感应区域温度到达材料居里点后加热效果逐渐减小;随着温度升高,法兰表面的组织由原始组织向奥氏体组织转变;法兰表面应力在加热阶段为压应力状态,加热开始阶段迅速增大,随着内部温度升高逐渐减小;在淬火阶段,温度迅速降低,表层奥氏体快速转变成马氏体,表层处应力经过短暂拉应力时刻,然后转变成压应力(轴向、径向和切向应力都为压应力),其中径向压应力最大,约为460 MPa。     

轴孔超声冲击强化及有限元模拟研究

目的提高渗碳淬火轴使用寿命。方法针对渗碳淬火轴关键部位孔口,采用超声冲击处理工艺对其进行表面强化处理,利用电子显微镜、硬度计结合有限元模拟对处理后的微观组织、硬度、残余应力等进行分析。结果在孔口处理区,材料产生了明显的加工硬化,形成了梯度硬化层,硬化层厚度达到80μm,表层硬度约60HRC。对超声冲击孔孔口部分的表面残余应力值进行测量,最小残余应力值为-374 MPa,最大残余应力值为-530 MPa,采用上述超声冲击处理后,样品的残余应力平均值在-450 MPa。利用有限元模拟了孔口附近沿轴向深度的残余应力分布,其残余压应力层深约1.4 mm,最大残余应力-891 MPa,疲劳危险点处的残余应力平均值约-760 MPa。轴孔边缘第三主应力基本上沿轴线方向。结论通过超声冲击处理工艺对渗碳淬火轴孔口进行处理后,在孔角处形成硬化层,同时产生残余压应力,上述处理后可有效降低工作应力造成的疲劳载荷幅。     

船用柴油机凸轮轴中频淬火工艺数值模拟分析

针对凸轮轴零件中的凸轮部位感应淬火工艺淬硬层不均匀、局部残余应力过大的问题,采用SYSWELD软件中的热处理模块,建立凸轮感应淬火工艺有限元模型,基于可变换热系数及奥氏体动力学理论,对GCr15凸轮轴中频感应淬火过程进行仿真分析,获得淬硬层厚度、硬度以及凸轮残余应力场分布规律。结果表明,在加热功率为110~120 kW,频率为5 600 Hz,加热时间为6 s时,过渡轮廓面淬硬层最薄处为1.34 mm,表面硬度均达到700 HV以上,桃尖表面残余压应力为-50 Pa,过渡轮廓面达到-350 MPa。     

18CrNiMo7-6钢渗碳淬火齿轮不同喷丸处理后的齿根表层应力分布

对模数20 mm的18CrNiMo7-6钢渗碳淬火齿轮经不同喷丸处理后的齿根表层应力分布进行测试,并与未喷丸时进行了对比。结果表明,在喷丸前后18CrNiMo7-6钢渗碳淬火齿轮齿根最表层均为压应力状态,从表至里均呈先升高后降低的变化趋势。未喷丸时最表层残余应力约为-75 MPa,最大残余应力出现在次表层110~120 μm处,约为-250 MPa;喷丸处理可使齿根表层残余压应力提高4~5倍,最表层残余应力在-350 MPa左右,最大残余应力出现在次表层90～110 μm处,为-900~-1000 MPa。     

47Mn钢齿圈的感应淬火

大马力推土机终传动齿圈材料为47Mn钢,模数为8,采用500kW／2500Hz电源沿齿廓整体中频感应加热、自来水埋水喷淬,在齿圈的齿顶或齿根处常常出现淬火裂纹。后采用PAG水溶性聚合物喷淬,并进行了加热工艺和聚合物浓度方面的试验,既达到了齿圈的技术要求,又消除了淬火裂纹。经过批量生产,齿圈的质量非常稳定,提高了推土机的可靠性。     

圆角淬火加热时间与回火温度对曲轴残余应力和疲劳强度的影响

研究了感应淬火加热时间及回火温度与圆角强化曲轴残余应力和劳强度的关系。结果表明,淬火加热时间增加,硬化层深度增加,表层残余压应力和疲劳弯曲极限均呈先增大后减小化。国火温度的提高,降低强化效果。与只强化轴颈、未圆角淬火曲轴相比,疲劳强度提高85％以上。     

感应淬火前预热可以解决尺寸稳定问题

淬火前预热处理可以解决由于残余压应力增加带来的各种问题，改善淬硬层的分布并获得最佳的组织结构。我们在对轮辊等工件进行感应淬火时，偶然发现，感应淬火前预热处理可以解决各种尺寸稳定性问题例如可以减少变形；改善形状不规则的工件淬硬层的分布，增加淬硬层浓度，改善感应淬火硬化层的显微组织，获得恰当的残余应力并避免了裂纹。     

发动机飞轮齿圈的失效分析

45钢制发动机飞轮齿圈在使用了约2 000 h时发生断齿故障。为了揭示断齿的原因,对失效的飞轮齿圈进行了宏观检验、金相检验、化学成分分析和硬度检测。结果表明,飞轮齿圈断齿的主要原因是齿根处未被感应淬火和齿根圆半径偏小,前者导致由于产生拉应力而大大降低齿根处的弯曲疲劳强度,后者加剧了齿根处的应力集中,导致裂纹的萌生。通过加大齿根角和改进感应淬火装置,飞轮齿圈的断齿问题已得到解决。     

厚板齿形零件精冲成形数值模拟与缺陷分析

运用有限元分析软件对厚板齿形零件的精冲过程进行了数值模拟,对比分析了齿顶、齿根部位主要变形区静水应力及应变的分布情况。结果显示,齿顶处静水压应力小于齿根处;齿顶应变区的宽度大于齿根应变区的宽度,齿顶剪切区变形程度大,硬化程度严重。齿根、齿顶处的应变分布与精冲试验所得零件的硬化程度相吻合。探究了齿顶处形成大塌角和易产生撕裂的原因。研究结果为厚板齿形零件的精冲工艺提供了理论指导。     

大尺寸渐开线齿圈精冲技术

针对大尺寸渐开线齿圈的结构特点,结合精冲工艺特征分析了精冲制齿工艺的技术难点,设计了精冲模具。为了满足精冲工艺过程所需的三向压应力,针对性地开发了凸起式反压板结构和窄边凹模结构。结合凸起式反压板结构和窄边凹模结构特点,开展了大尺寸渐开线齿圈零件数值模拟实验和精冲制齿工艺实验,并对所加工的零件进行了检测。采用精冲工艺加工的大尺寸渐开线齿圈剪切面无撕裂,齿部变形区材料在三向压应力作用下,发生了较大的塑性变形,产生了加工硬化,齿部硬度值有了很大提升,提高了齿部耐磨性。所加工的齿圈零件齿根部表面硬度可达384 HV,齿侧部表面硬度相对于齿根部较低,硬度最大处为344 HV。通过精冲加工的齿圈零件齿部具有较高的残余压应力,能够提高零件齿部的耐疲劳性能,有效地增加了零件的使用寿命。零件齿部切向残余压应力为290.4 MPa,轴向残余压应力为455.6 MPa。     

齿轮激光淬火硬化层数值模拟

建立了采用轴向扫描工艺对渐开线齿轮进行激光淬火时的三维温度场数值模型,采用ANSYS软件模拟激光束扫描过程中齿面及轮齿横截面的温度分布。结果表明,激光淬硬层深度模拟结果与试验结果相吻合,可以通过该温度场模型对各种模数和齿数的齿轮激光淬火过程进行模拟,快速得到与实际相近的硬化层深度分布曲线。建立该数值模型的一些思路和方法也适用于各种曲面类零件激光淬火的数值模拟。     

成形磨齿温度场的有限元分析与验证

通过试验得到成形磨齿切向磨削力,基于有限元分析理论,采用矩形移动热源模型对成形磨齿温度场进行了瞬态分析,得到了某种工况下的温度分布图和温度梯度分布图。研究表明:成形磨齿加工过程中,齿面末端靠近齿根处温度最高,非常容易出现烧伤情况。对齿面最高温度进行了理论计算与仿真,得到了不同磨削深度下的温度曲线图,通过对比磨削温度的理论值与仿真值,证明了仿真结果的可靠性。     

齿轮钢30CrMnTi磨削强化试验

30CrMnTi钢广泛应用于齿轮的生产制造中,为提高齿轮的抗疲劳性能及探讨磨削工艺参数对其表面强化的影响,开展了齿轮钢30CrMnTi的磨削试验,分析了磨削速度和磨削深度对磨削表面强化层显微组织、强化层深度、表面显微硬度和强化层残余应力的影响规律。结果表明,齿轮钢30CrMnTi磨削加工后得到一定强化层,表面显微组织为针状马氏体、碳化物和少量残余奥氏体,且强化层马氏体组织由磨削表面到心部呈"细—较粗"的变化趋势,硬度先增大后减小,强化层深度随磨削深度或磨削速度的增大而增加,磨削后表面显微硬度提高2%~13%,随磨削速度降低或磨削深度增大而增大。磨削过程对残余应力的影响在表面表现为拉应力,沿层深向内逐渐转化为压应力。磨削表面残余压应力的值随磨削速度或磨削深度的增大而降低。通过合理的磨削参数可实现齿轮钢30CrMnTi的表面磨削强化。     

铍环激光束钎焊过程的数值模拟

采用MARC软件对铍环激光束钎焊过程的温度场和应力场进行有限元分析，温度场分析得到与铍环实际激光束钎焊基本一致的焊缝形状，应力场分析表明，焊接后轴向应力和环向应力在焊缝中心的钎料上为压应力，在铍玻外表面热影响区的内表面均为拉应力，径向应力为压应力，焊接残余应力主要分布在离焊缝2mm的范围内，焊接后铍环内外表面发生径向收缩，将有限元分析得以的铍坏外形面的轴向残余应力结果与实测结果进行了比较，二者所反映的应力变化趋势基本一致。     

20CrMnMo钢不同渗碳淬硬层深度的组织与应力分布

以三种渗碳淬硬层深度不同的20CrMnMo齿轮钢试样为研究对象,对其显微组织和硬度梯度进行检测,采用电化学剥层技术,借助X-350A型X射线应力仪,测量各试样深层渗碳淬硬层的残余应力及其分布,将硬度梯度与残余应力的分布进行对照,认为20CrMnMo钢渗碳淬硬层硬度小于400 HV1,均为残余压应力,之后才转换为残余拉应力,这一结果为确保齿面具有可靠的抗接触疲劳性能,合理地确定重载大模数齿轮有效硬化层深度提供技术支撑。     

感应淬火对42CrMo钢曲轴连杆轴颈组织性能的影响

采用OM、SEM、X射线应力分析、力学性能测试等手段,分析了感应淬火处理对42CrMo钢曲轴连杆轴颈截面组织和残余应力的影响,探讨了不同淬火功率对淬硬层形貌、显微组织和力学性能的影响。结果表明,42CrMo钢曲轴连杆轴颈截面由淬硬层、过渡层和基体3部分组成,淬硬层组织为均匀细小的马氏体,过渡层组织为马氏体和回火索氏体的混合组织,基体组织为回火索氏体。经感应淬火处理,42CrMo钢曲轴连杆轴颈表面残余应力由拉应力变为压应力,随着感应淬火功率的增加,淬硬层深度增加,组织不断细化,当感应淬火功率为2500 W,组织最为均匀细小,表面硬度达到了751.3 HV0.1,耐磨性大幅提升;但是淬火功率过高会导致组织粗化,当感应淬火功率为2600 W时,组织有所粗化,硬度也有所降低。     

齿轮副几何参数对直线共轭内啮合齿轮泵流量脉动特性的影响

流量脉动是引起齿轮泵自身振动及产生流体噪声的根本原因。为了得到流量脉动特性,以某型直线共轭内啮合齿轮泵为研究对象,基于MATLAB软件分析不同重合度所对应的理论瞬时流量曲线,研究齿轮副几何参数对流量脉动率的变化规律。结果表明:齿轮副退出啮合,理论瞬时流量最小。脉动率递增时几何参数影响程度由大到小排列为:齿轮分度圆半径齿轮齿顶圆半径传动比(两齿齿差)齿圈齿顶圆半径;递减时由大到小排列为:齿轮齿数齿轮分度圆半径齿轮齿形半角。为了减少脉动率,对于满足计算的传动比,齿轮齿数确定,齿圈齿数取较小值,而齿圈齿数确定,齿轮齿数取较大值;齿形半角取较大值;齿轮及齿圈齿顶圆半径取较小值;齿轮分度圆半径在33.5～35 mm之间取值。     

旋回破碎机4Cr13钢主轴套激光淬火后的磨削裂纹分析

旋回破碎机4Cr13钢主轴套在激光淬火后磨削阶段发现多处裂纹,且与外圆轴向呈约15°夹角。通过宏观分析、化学成分分析、硬度、有效淬硬层深度检测及显微组织观察等,确认了4Cr13钢主轴套裂纹为磨削裂纹。裂纹的产生主要是由于砂轮磨削过程中存在切向与轴向两个方向的运动,切向转速远大于轴向移动速度,两个方向产生的磨削拉应力合力造成裂纹与轴向呈约15°的夹角。同时,激光熔凝产生的放射状柱状晶降低了晶体间的结合力,加之采用激光淬火余温自回火的方式,使淬硬层应力分布较复杂,使其在磨削过程中易出现裂纹。