齿轮感应淬火过程的数值分析开题报告

1．课题意义及国内外研究现状

1.1 选题背景与意义：

齿轮是能够通过连续传动来传递运动和动力的机械元件，随着生产的发展，齿轮的平稳性越来越重要。但是我国的齿轮制造技术任然需要提高，中低端齿轮可以在国内得到自给自足，高端的齿轮还是要通过进口来满足生产的需要。在我们的生活中我们已经离不开齿轮了，无论是发动机，机械农具，还是我们现在打字的电脑等。特别是一些大型的工程机械，一旦离开齿轮的运转就无法开始工作了，齿轮的应用已经分布在我们的生活的方方面面了，其用途十分广泛。

在20世纪初期, 在工业领域中感应加热技术被初次应用, 在接下来的几十年里, 电力电子器件的发展迅速, 随着大功率管的出现将电磁感应加热技术的发展快速推进, 生产出了不同频率的感应加热设备, 促使电磁感应技术的应用范围越来越广阔。^[1]但是，感应加热技术仍有它的缺陷： 首先所要制造的零部件要有自己配套的感应器。感应热处理技术适合生产同一种型号规格且数量较多的零部件，因为，其为使得效率提高而需要为每种规格的工件设计专用的感应器，而传统的热处理设备，常用的热处理炉可装多种规格的零部件进行加热、氮化、渗碳等工艺； 其次感应热处理要消耗的成本与传统的热处理设备相比，价格偏高。例如一整套感应热处理的设备必须配备变频电源、淬火机床、专用的感应器、冷却水循环系统、淬火液循环系统等。从而使得投资的费用偏高。最后当遇到某些形状结构复杂或者对硬化区域有一定特殊要求的工件时，因为对感应器和导磁体的设置要求偏高，所以不适合运用感应加热技术。^[2]

数值分析是现代产品设计的重要方法, 通过电子计算机，数值计算以及图像显示相互配合的方法, 实现对工程、物理问题以及其他各类问题研究的目的。感应加热是一个复杂的多物理耦合过程, 涉及热学、电磁学等多学科综合知识, 很难用某一特定软件或理论来精确模拟该物理过程。因此, 其优化设计过程存在巨大的挑战。温度场是电磁感应淬火的基础, 准确计算出电磁感应淬火过程的温度场对其工艺优化具有重要意义^[3-4]。利用数值模拟方法对现有感应淬火工艺及淬火感应器进行校核及优化, 预估新工件感应淬火工艺参数及感应器结构参数, 从而避免感应淬火重复试验带来的费时、废料等问题。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 感应加热数值分析的发展现状

在感应加热淬火刚刚兴起时，表面感应淬火技术就应用在链轮表面处理上，工人们凭借着多次试验进行修改感应器参数，耗时耗力，效果一般。自从上个世纪 60年代开始有限元软件分析不断得到完善，到 80 年代前期，市场上已经出现了商用的分析软件，数值模拟在二维电磁场方面已经趋于成熟，90 年代后半段，当时三维电磁场技术不太完善，只能进行一些简单的三维有限元分析。直至本世纪，有限元软件快速发展，在感应热处理方面得到迅速的提升，为广大国内外研究学者提供了分析工具。

WANG^[5]成功建立了两种不同类型的感应加热数学模型。一种运用了独有的网格划分方法，第一步通过在被加热的圆柱体工件上移动被截取的单匝感应线圈，由于线圈的移动而产生变化，网格也随之变化，即可得出对应的感应加热温度场分布，第二步需要优化所模拟出的数值，优化可通过格林方法实现；第二种感应加热计算模型是选择长度相等的螺旋线圈和坯料来进行试验模拟，坯料和线圈间会处于相对静止的状态，模拟出残余应力的分布。

在钢管的感应加热方面，Karol Aniserowicz 也进行了相关研究^[6]，成功获得了其较准温度场分布，但仍有不完善的地方，就是他缺少钢管的端部效应会对结果产生部分影响，并且毛坯料表面会有辐射。

Chang-Doo Jang 通过研究提出了 3D 瞬态耦合以及热传导的分析方法，探索研究了钢板成形方面的高频感应加热过程^[7]，最后将模拟软件所得出的数值与真实的实验结果进行分析和比较。

Wang ^[8]等利用有限元数值模拟软件对工件进行了感应加热，对模拟过程中试件产生的感应涡流和磁介质的耦合温度场进行研究分析。并将傅里叶热传导方程及一组微分方程作为数值模拟分析的数学模型。

Е. Иевлев^[9]经过多次实验得出，如果试件进行感应加热时装入适当的形状及大小的导磁体，这样能够改善磁场分布，并有效的减小齿廓温差，以提高淬火质量。

Xiaobin Fu，Baoyu Wang，Xuefeng Tang^[10]对工字钢的感应加热过程进行了数值模拟，表明制作合适的线圈，可以调整电流密度和电流频率等电参数以获得完整的温度分布。

Yi Han，Huaiyu Wen^[11]对风电齿轮逐齿移动感应加热进行了模拟分析，得出在感应加热过程中，由于端部效应的影响，齿轮的表面出现温度不均匀的现象。

此领域上的研究国内也有很广泛的研究，例如在厚壁筒形件的连续感应加热过程方面，姜建华等人^[12]进行了大量模拟试验。实验过程中设定了多组不同的加热功率，实验结果便是相对应的工件温度场，通过大量的研究，对工件组织的变化关系进行预测，对工件的轴向热传导因素进行了简化，为感应热处理的研究提供了良好的平台。

王强^[13]通过模拟软件 ANSYS 中的物理环境法实现了静止工件感应加热数值模拟过程中的电磁－热耦合计算，且对不同的电流频率、电流密度和空气间隙对温度分布及温差变化进行了分析。

吴坤^[14]结合实际工作状况和电磁感应加热理论，并考虑添加不同的初始温度分布、不同的感应电流及外界环境温度等因素的影响，建立工件感应加热的物理模型，且对工件进行设置求解分析。

1.2.2淬火工艺模拟研究概述

Dughiero F 和 Battistetti M^[15]使用差分法仿真模拟了棒材的不间断加热淬火的过程，在模拟过程中使用了电磁场与温度场的耦合计算方法，最终得出很好的模拟结果，然后将工艺参数运用到感应淬火中并进行进一步优化。

陆海龙^[16]通过有限元软件仿真了锥形齿轮感应加热淬火过程中整体的温度场、齿廓齿形变化等，对实际冷却时不同影响因素之间的互相干涉进行了分析、探讨，得出各种因素对加热淬火的影响。

刘志强^[17]通过有限元软件模拟分析之后得出理想的齿轮感应硬化层应该像传统的渗碳淬火件一样，表面硬化层沿齿廓分布厚度均匀一致，提出如何将齿轮的淬硬层实现理想化是本研究内容的重点，并对各参数进行修正得出合理的电参数及几何参数。

王平，赵芸，唐跃飞^[18]通过实验的方法，改变电参数、热参数、感应线圈的几何参数及改变导磁体的安装形式进行研究，可以得到表层加热温度均匀，同时可以防止齿轮表层脆裂，使得淬硬层均匀化。

陈金明^[19]通过有限元软件分析了齿轮感应淬火后引起的应力和变形，计算和分析了淬火过程齿轮的温度，提出准确计算齿轮的温度场是计算齿轮热应力、控制其热变形的重要前提。

李丹、薛伟^[20]通过对较大尺寸的齿轮加热冷却的影响因素进行分析得出，确定电磁加热淬火时通入的电流频率、电源功率、感应线圈与试件的间隙等工艺参数来调节加热效率和淬火层深度。

A.Majored，H.Muller 和 B.Scholtes 等人^[21-23]全面的研究了一系列淬火时会出现的问题，其中包括温度场的变化、淬火试样冷却曲线的测试、应力场的耦合分析研究、淬火时可以导热的非线性因素、淬火后试样力学性能预测以及淬火时的相变。

综上所述：基于国内外研究现状，感应热处理及淬火的数值模拟具有很大的研究价值，仍有很大的探索空间，本文主要探寻齿轮感应淬火过程的数值分析。

1.3 参考文献

[1]袁静兰,张有忱,谭晶,非接触式电池感应加热及其应用.工业加热，2016，45（3）：33-37

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[4] 何进.电磁感应淬火温度场的非Fourier效应研究.北京理工大学, 2015:1-2.

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[16] 陆海龙. 锥齿轮模压淬火变形分析及淬火工艺研究[D]. 银川: 宁夏大学硕士论文. 2014.

[17] 刘志强. 单齿连续感应加热淬火工艺技术研究[D]. 郑州: 郑州大学硕士论文, 2006.

[18] 王平, 赵芸, 唐跃飞. 齿轮仿齿形连续感应加热淬火工艺研究[C]//2009 海峡两岸机械科技论坛, 中国海南海口, 2009:8.

[19] 陈金明. 齿轮淬火过程的温度场、热应力与热变形的有限元分析[J]. 热加工工艺, 2004(06):181-184.

[20] 李丹, 薛伟. 影响大模数齿轮感应淬火硬化层的因素分析[J]. 金属加工(热加工), 2014(11):34-35.

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[22]A.Majorek,B.Scholtes,H.Muller,etal.Theinfluenceofheattransferonthe developmentofstress,residualstressanddistortionsinmartensiticallyhardened SAE1045andSAE4140.In:Proceedingsofthefirstinternationalconferenceon quenchingandcontrolofdistortions,Chicagolllinois.USA,ASMInternational, 1992:205~212

[23]A.Majorek,B.Scholtes,H.Muller,etal.Theinfluenceofheattransferonthe development of stresses, Steel Research, 1994,65(4):146~151

2．课题研究目标与研究内容

2.1 研究目标

感应淬火是直接在工件中产生热量的工艺进程,其所需的加热时间极短。此外，可以通过功率、频率和感应几何形状非常精确地控制感应加热。由此可实现工件变形最小化并确保工艺进程的高效性。齿轮淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。借助于数值分析计算，对感应加热和淬火过程的物理以及冶金过程进行建模，实现齿轮感应淬火过程温度场与组织场的耦合计算，从而为齿轮感应淬火的工艺制定与优化提供参考。基于此，本课题将通过有限元仿真软件simufact.forming对齿轮感应淬火过程进行建模仿真，获得其加工过程的温度场和组织场演变结果，并与实验结果进行对比验证。

2.2 研究内容

围绕本课题的研究意义，针对国内现有生产线所具有的问题，建立齿轮热处理过程温度/组织等参量的计算模型，实现齿条棒料感应加热及淬火过程的温度/组织分布预测，从以下几点研究内容进行展开：

（1）建立感应加热的电磁场和温度场耦合模型；

在深度分析齿轮感应加热原理后，建造模拟分析中所需的物理模型。按照齿轮所设计元件在有限元软件simufact.forming中建立物理模型，并进行划分网格。

（2）通过simufact.forming建立齿轮感应加热淬火的有限元模型；

建立了二种不同的数学模型，第一种为淬火冷却的过程中的三维温度场的数学

模型；第二种是关于应力与应场的耦合分析模型，此次模拟充分全面的考虑到了一些非线性因素对于结果的影响，如众所周知的边界换热系数和相变潜热，还有涉及到的热物性参数，通过之前较为充分的准备有效的减小了工件在淬火时可能会发生的非线性问题，这一方法所产生的模拟量误差。

（3）进行实验和模拟结果对比验证，评估不同工艺参数对齿轮淬硬层轮廓的影响。

通过模拟得出合理的线圈结构参数，通过实验室的感应加热设备对齿轮进行加热，并利用热电偶测温装置对加热中的齿轮表面进行测温，根据实验中使用的工艺参数进行相对应的模拟，提取齿轮轮廓 5 个点的温度进行对比，分析温度误差大小，从而校核模拟的准确性。

3．拟采取的研究方法、技术路线及可行性分析

3.1 拟采取的研究方法与技术路线

本文采用多种研究方法，包括理论和实证分析，系统科学方法，具体如下：

（1）文献研究。本文主要通过网络资源和图书馆馆藏，获得较为全面的关于感应热处理方向的相关文献。将所有收集到的资料经行整合以获取本文的理论研究基础。其中，网络资源主要是知网研学。

（2）系统科学方法研究。通过有限元仿真软件simufact.forming对齿轮感应淬火过程进行建模仿真，获得其加工过程的温度场和组织场演变结果，并与实验结果进行对比验证。

3.2 可行性分析

本文的研究对象是齿轮感应淬火的数值模拟。首先理论基础通过阅读文献获得，获得渠道可以是网络和图书馆，接着在实验室的利用感应加热设备对齿轮进行加热，并利用热电偶测温装置对加热中的齿轮表面进行测温，最后借助有限元仿真软件simufact.forming进行数值模拟，获得其加工过程的温度场和组织场演变结果，并与实验结果进行对比验证。

4．本课题主要参考文献

[1]袁静兰,张有忱,谭晶,非接触式电池感应加热及其应用.工业加热，2016，45（3）：33-37

[2]. Fang, X., et al., Parameter Optimization and Prediction Model of Induction Heating for Large-Diameter Pipe. Mathematical Problems in Engineering, 2020. 2020.

[3] 张月红.感应加热温度场的数值模拟.无锡:江南大学, 2008:8-9.

[4] 何进.电磁感应淬火温度场的非Fourier效应研究.北京理工大学, 2015:1-2.

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[6]. Li, G., et al., Finite element simulation and experiments on a new induction heating bearing replacer. Journal of mechanical science and technology, 2011. 25(8): p. 1987.

[7]. Naar, R. and F. Bay. Induction Heating Process: 3D Modeling and Optimisation. in AIP Conference Proceedings. 2011. AIP.

[8]. 齐文亮, 带钢感应加热磁—热耦合场数值模拟研究. 2014, 沈阳: 东北大学.

[9]. 张建林, et al., A335P92 钢厚壁管局部感应加热温度场的数值模拟. 材料热处理学报, 2020(10): p. 20.

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[11].安伟驰，et al,高精度齿条棒料连续感应热处理的数值模拟研究.2017，北京机电研究院。