点式感应淬火过程有限元模拟研究

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点式感应淬火是一种新型的局部感应淬火工艺,该工艺不仅具有传统感应淬火工艺的加热速度快、加热效率高、热处理质量好、易于实现机械化及自动化、环保节能等优点,还可通过与五轴联动数控伺服机构相结合,实现对大型汽车覆盖件模具型面等复杂曲面表面的均匀强化处理。基于这些特点,点式感应淬火技术在工业生产领域得到了越来越广泛的应用。本文根据点式感应淬火的原理及特点,研究并实现了该过程的有限元数值模拟计算,并结合通用有限元软件ANSYS的多物理场耦合计算流程,对实际工件的点式感应淬火过程的进行有限元模拟仿真。   首先,对点式感应淬火过程中电磁场和温度场问题的数值计算方法进行分析,为了实现高效的计算,在三维涡流场的数值计算中引入矢量磁位法,并对涡流场模型进行必要、合理的简化。通过与ANSYS多物理场耦合模块相结合,得到了三维非线性电磁-热耦合场的有限元计算模型。   其次,利用ANSYS软件对静态点式感应淬火工艺进行有限元模拟分析,得到了在该过程中电磁场和温度场变化规律,在综合考虑表面组织完全奥氏体化及感应加热设备工作效率的情况下,对工艺的加热时间进行优化,并对在不同冷却介质(冷却水及冷却油)作用下的表面淬硬深度进行预测。   再次,结合移动点式感应淬火的特点,通过ANSYS多物理场顺序耦合的方法在有限元模型中实现了感应线圈的移动,建立了点式移动感应淬火的三维有限元数值模型。并通过分析得到在不同的线圈移动速度下钢板表面及厚度方向上各点温度随时间的变化规律,结合临界冷却转变曲线,以实现表面自淬火为目的,对感应线圈的移动速度进行优化。   最后,进行45钢静态点式感应淬火实验,并采用ANSYS的APDL语言,结合ANSYS温度场数据库,编写工件表面组织及硬度预测程序。从温度及硬度等方面将实验结果和模拟结果进行对比,对比结果验证了计算模型和计算方法的正确性,证明了通过有限元模拟计算不但实现了点式感应淬火过程的计算分析,而且对工程实际具有一定的指导意义。
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