淬火槽加载工件前后介质流速场的数值模拟研究

论文摘要

淬火在金属学中的定义是加热工件“受控的放热”,是金属工件获得所需组织和性能的重要工艺手段。生产中因淬火引起的畸变和内在质量问题是导致工件返修和报废的重要原因。淬火畸变产生的因素很多,但淬火冷却的不均匀性是淬火畸变和开裂的主要原因。所以研究淬火槽内介质流速场不仅能对淬火槽槽体、搅拌和均流系统的优化设计具有指导意义,而且结合工件的形状和装炉方式还能有助于分析、预测畸变易发生的部位,指导工件的合理装夹,提高工件淬火冷却的均匀性和减少畸变,这对于热处理实际生产具有重要的应用价值。本文依据车间使用的淬火油槽DZC40(有效淬火区φ2500mm×3000mm)建立计算模型,应用大型计算流体力学软件Fluent6.2对淬火油槽空载和加载与实际尺寸一致的盘状齿轮、齿轮轴和齿圈三种典型工件进行了三维建模和数值计算,通过模拟计算和实验验证得到:1)淬火槽空载时,在槽体的中上部形成了大范围的流速均匀的“有效淬火区”,当加载工件后,流速场变化显著,介质根据工件形状和装夹方式介质形成了全新的流速场分布。2)当加载盘状齿轮叠放的工件串时,工件串的正上部和下部形成了明显的低速区,而位于工件串外层的齿面周边边沿处介质的流速却明显高于其余部位;3)加载多件齿轮轴立装于盘状夹具之上时,齿轮轴外侧流速较高且均匀,而内侧的底部流速却很低;4)加载齿圈叠放于盘状实心和空心夹具上时,中上层齿圈内外侧流速均较均匀,而下层齿圈内外侧的流速差别较大;5)本文对盘状齿轮的冷却模拟过程进行了试验验证。通过在流速场模拟的几个特征区放置40Cr棒状试棒,根据其心部硬度和端淬曲线找出其处的淬火烈度和介质流动状态,试验结果与模拟吻合较好。6)通过对淬火槽流速场的模拟,得到空载和加载后介质流场的分布及其特点,为淬火槽的设计及不同形状齿轮的装夹提供了理论上的参考依据,从而为提高齿轮淬火质量和减小热处理畸变起到有益的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 淬火冷却机理
• 1.2.1 介质流场与工件温度场
• 1.2.2 工件温度场、组织场和应力/应变场
• 1.2.3 工件组织场与应力应变场
• 1.2.4 工件碳含量对温度场、组织场、应力应变场的影响
• 1.3 淬火冷却过程的数字模拟研究现状
• 1.3.1 温度场的模拟
• 1.3.2 组织场转变量的计算模拟
• 1.3.3 应力应变场的模拟
• 1.3.4 介质流速场的模拟
• 1.4 本课题研究的目的、意义和主要内容
• 1.4.1 本课题研究的目的和意义
• 1.4.2 本课题研究的主要内容
• 第二章 淬火介质的流体特性及数学模型
• 2.1 淬火介质的流体特性
• 2.2 控制方程
• 2.3 湍流
• 2.3.1 零方程模型
• 2.3.2 一方程模型
• 2.3.3 标准K-ε两方程模型
• 2.3.4 雷诺应力方程模型
• 2.4 湍流近壁面边界层的处理
• 2.5 本文选用的数学模型
• 第三章 软件介绍
• 3.1 计算流体力学
• 3.2 软件FLUENT简介
• 3.2.1 FLUENT软件的特点
• 3.2.2 FLUENT软件的重要功能
• 3.2.3 FLUENT软件求解步骤
• 第四章 淬火槽的建模和槽内介质流速场的模拟
• 4.1 淬火槽三维模型的建立
• 4.2 建模假设
• 4.3 槽内介质流速场的模拟及相关参数的设置
• 4.3.1 网格划分
• 4.3.1.1 网格类型
• 4.3.1.2 网格单元
• 4.3.2 淬火槽网格的生成
• 4.3.3 边界条件的选择及其相关参数的计算
• 4.3.3.1 入口边界
• 4.3.3.2 出口边界
• 4.3.3.3 对称面边界条件
• 4.3.4 求解参数的设置
• 第五章 淬火槽加载前后介质流速场的变化模拟结果和分析
• 5.1 空载时槽内介质流速场的模拟研究
• 5.2 加载三个齿轮时淬火槽内介质流速场分布
• 5.2.1 加载三个盘状齿轮时槽内介质流速场的模拟
• 5.2.2 模拟结果的试验验证和数据统计分析
• 5.3 加载轴类工件时槽内介质流速场分布
• 5.4 加载齿圈时槽内介质流速场分布
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本课题的研究结论
• 6.2 不足与展望
• 6.2.1 不足
• 6.2.3 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及参与的项目
• 致谢