機(jī)械創(chuàng)新實(shí)習(xí)報(bào)告

1、目錄第一章 緒論錯(cuò)誤!未定義書簽。齒輪的淬火處理錯(cuò)誤!未定義書簽。有限元方法錯(cuò)誤!未定義書簽。齒輪有限元仿真的現(xiàn)狀錯(cuò)誤!未定義書簽。課題意義錯(cuò)誤!未定義書簽。研究內(nèi)容錯(cuò)誤!未定義書簽。第二章 圓柱齒輪的幾何特征和模型建立錯(cuò)誤!未定義書簽。圓柱齒輪的幾何特征錯(cuò)誤!未定義書簽。圓柱齒輪的三維模型建立錯(cuò)誤!未定義書簽。第三章圓柱齒輪滲碳淬火過程熱力學(xué)模型錯(cuò)誤!未定義書簽。相關(guān)材料熱力學(xué)參數(shù)錯(cuò)誤!未定義書簽。熱學(xué)性能參數(shù)錯(cuò)誤!未定義書簽。力學(xué)性能參數(shù)錯(cuò)誤!未定義書簽。建立齒輪模型錯(cuò)誤!未定義書簽。淬火仿真方案及其相關(guān)參數(shù)錯(cuò)誤!未定義書簽。第四章圓柱齒輪淬火過程的計(jì)算機(jī)仿真錯(cuò)誤!未定義書簽。溫度場分布的

2、仿真錯(cuò)誤!未定義書簽。瞬態(tài)傳熱的數(shù)學(xué)模型錯(cuò)誤!未定義書簽。齒輪淬火溫度場的仿真錯(cuò)誤!未定義書簽。溫度場仿真錯(cuò)誤!未定義書簽。淬火應(yīng)力分布的仿真錯(cuò)誤!未定義書簽。第五章 結(jié)論錯(cuò)誤!未定義書簽。結(jié)論錯(cuò)誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤!未定義書簽。第一章緒論齒輪的淬火處理齒輪傳動是機(jī)器中最常見的一種機(jī)械傳動，是傳遞機(jī)器動力和運(yùn)動的一種主 要形式，是各種機(jī)械產(chǎn)品的重要基礎(chǔ)零部件。它與帶、鏈、摩擦、液壓等機(jī)械傳 動相比，具有功率范圍大、傳動效率高、圓周速度高、傳動比準(zhǔn)確、使用壽命長、 結(jié)構(gòu)尺寸小等一系列特點(diǎn)。因此，它已成為許多機(jī)械產(chǎn)品不可缺少的傳動部件也 是機(jī)器中所占比重最大的傳動形式。齒輪的設(shè)計(jì)與制造水平

3、將直接影響到機(jī)械產(chǎn) 品的性能和質(zhì)量。由于齒輪在工業(yè)發(fā)展中的突出地位，致使齒輪被公認(rèn)為工業(yè)化 的一種象征。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，作為國家基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的機(jī)械設(shè)備也相應(yīng)朝著大 型化方向發(fā)展。作為機(jī)械設(shè)備的重要元件一齒輪傳動裝置的傳遞功率也越來越 大，產(chǎn)品規(guī)格尺寸也越來越大。為了滿足機(jī)械設(shè)備傳遞動力的需要，同時(shí)減少齒 輪傳動的結(jié)構(gòu)尺寸和重量、提高齒輪的承載能力以及克服熱處理技術(shù)和加工機(jī)床 帶來的限制，最大化提升齒輪裝置的綜合性能指標(biāo)，要求應(yīng)用于機(jī)械中的齒輪等 機(jī)械零部件具有高強(qiáng)度、高可靠性。因此，為提高機(jī)械零部件的材料強(qiáng)度，大多 數(shù)采用各種熱處理及表面處理等方法。目前，常常是通過淬火實(shí)施表面硬化處理

4、， 以取代傳統(tǒng)的齒輪調(diào)質(zhì)處理。有限元方法ANSYS是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的有限元分析軟件，不僅適用于常規(guī)工程問題的 靜態(tài)或動態(tài)有限元分析，還能在諸如流體力學(xué)、熱力學(xué)、溫度場、電磁場等方面 進(jìn)行有限元計(jì)算。ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算物體內(nèi)部各 點(diǎn)的溫度、并導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)。運(yùn)用ANSYS軟件可以進(jìn)行熱傳導(dǎo)、熱對流、 熱輻射、相變、熱應(yīng)力及接觸熱阻等熱問題的分析求解。ANSYS不僅能解決純粹的熱分析問題，還能解決與熱相關(guān)的其它諸多問題， 如熱一應(yīng)力分析、熱一電分析、熱一磁分析等。一般稱這類涉及兩個(gè)或多個(gè)物理 場相互作用的問題為耦合場分析。ANSYS提供了兩種分析耦合

5、場的方法：直接耦 合法和間接耦合法。齒輪有限元仿真的現(xiàn)狀傳統(tǒng)的齒輪淬火都是利用表面硬化處理，或進(jìn)行鋼的調(diào)質(zhì)處理，其分析過程 大都是通過實(shí)際測量，或經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對結(jié)果的處理和對比，并沒有成熟的理論和數(shù) 據(jù)分析說明，存在很大的偶然性，而且由于實(shí)驗(yàn)條件的不穩(wěn)定性，結(jié)果有時(shí)會出 現(xiàn)很大的偏差，所以必須通過大量的實(shí)驗(yàn)，才能得出相對穩(wěn)定的結(jié)果，耗時(shí)又耗 力。從有限元仿真分析的理論建立開始，經(jīng)過很短的時(shí)間，便被各領(lǐng)域進(jìn)行了參 數(shù)化分析和改進(jìn)，目前，有限元分析仿真已經(jīng)發(fā)展成為了一套成熟的理論，應(yīng)用 到機(jī)械、建筑、電子等各個(gè)領(lǐng)域中，取得了很好的研究成果。目前，在國外，通過對齒輪進(jìn)行有限元仿真分析來獲得齒輪進(jìn)行熱處理

6、時(shí)的 各項(xiàng)參數(shù)和數(shù)據(jù)，已成為一種主流的求解參數(shù)的方法，特別是針對ANSYS分析軟 件，不僅可以得到詳細(xì)的數(shù)據(jù)和參數(shù)，而且可以看到清晰的仿真過程，便于我們 對整個(gè)過程進(jìn)行分析控制，所以在國外普及化程度很高；在國內(nèi)，在齒輪加工過 程中，大都依然沿用傳統(tǒng)的制作工藝，又加上對ANSYS軟件的接觸較晚，普及率 相對較低，總體上還在一種學(xué)習(xí)的過程中，相信隨著國內(nèi)外技術(shù)的交流和進(jìn)步， 齒輪有限元分析會很快運(yùn)用到國內(nèi)的生產(chǎn)技術(shù)中，取得很大的發(fā)展。課題意義采用齒面硬化處理制成硬齒面齒輪，是提高齒輪強(qiáng)度及承載能力的有效途 徑，也是齒輪傳動的主要發(fā)展趨勢，目前大多數(shù)齒輪制造業(yè)發(fā)達(dá)國家已普遍采用 了硬齒面齒輪。在實(shí)現(xiàn)

7、硬齒面的各種熱處理工藝（滲碳淬火、氮化、表面淬火等） 中，滲碳淬火工藝雖然比較復(fù)雜，但在傳遞相同功率（扭矩）的情況下，齒輪的 減速器體積最小、重量最輕，整機(jī)價(jià)格最低，是生產(chǎn)應(yīng)用中最主要的工藝方法。 為得到硬齒面齒輪，各國至今仍然采用機(jī)械加工（或塑性成形）一滲碳一熱處理 的傳統(tǒng)工藝存在如下問題：齒輪表面滲碳層厚度不一致，不利于齒輪綜合性能的提高。滲碳處理是在齒 輪切削或塑性成形后進(jìn)行，由于沒有確立滲碳層控制技術(shù)，齒根與齒面在同一滲 碳氛圍中進(jìn)行滲碳處理，齒面、齒頂及齒根的滲碳層濃度、梯度、厚度大致相同。 然而由于齒面與齒根的工作特性不同，要求齒面滲厚、齒根滲碳層薄。為了保證 齒面的耐磨性，使含碳

8、量達(dá)到或超過。滲碳層深度與模數(shù)之比，而有效硬化層 與齒輪模數(shù)之比為時(shí)，齒曲疲勞強(qiáng)度最高；因此為了保證齒根彎曲強(qiáng)度，則滲碳 層的含碳量和滲碳層深度就滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度的要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，很難 二者兼顧，達(dá)到理想狀態(tài)。為了防止輪齒硬化層的剝落，有效硬化層深度應(yīng)不小 于最大剪應(yīng)力深度的倍。研究內(nèi)容1）選擇汽車圓柱齒輪為研究對象，獲取其工藝尺寸參數(shù)，為建立數(shù)學(xué)模型 提供參考；2）根據(jù)其尺寸參數(shù)，利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，再把模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中，建立熱力學(xué)參考模型；3）查閱必要的資料，獲取齒輪材質(zhì)20CrNi2MoA在201000C的熱、力學(xué)參 數(shù)，為后繼的熱、力學(xué)分析提供依

9、據(jù)；4）對圓柱齒輪實(shí)體在淬火過程中的模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，簡要地對大模數(shù) 圓柱齒輪淬火變形進(jìn)行分析。第二章 圓柱齒輪的幾何特征和模型建立圓柱齒輪的幾何特征本課題選用齒輪的幾何特性如下：圖2-1圓柱齒輪示意圖表2-1：圓柱齒輪參數(shù)及技術(shù)要求技術(shù)要求齒面淬火處理，有效硬化層深度;齒面硬度HRC57-64；齒心硬度HRC35-40；機(jī)械性能。b z 1080Mpa； q N785Mpa；6 N8%；甲 N35%； Ax47J/cm2；淬火后對齒部進(jìn)行噴丸處理；進(jìn)行探傷檢查，齒部進(jìn)行磁粉探傷，不允許存在線性磁痕顯示，整體進(jìn) 行超聲波探傷，內(nèi)部不允許有白點(diǎn)、裂痕，同時(shí)內(nèi)部質(zhì)量應(yīng)符合GB/標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 的III

10、級要求；圓柱齒輪的三維模型建立首先，根據(jù)齒輪的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和參數(shù)，利用SolidWorks軟件對齒輪進(jìn)行三維 模型的建造，圖2-2即為該齒輪的三維模型。圖2-2用SolidWorks創(chuàng)建的齒輪三維模型圖由于齒輪各輪齒參數(shù)相同，熱處理的邊界條件相同，生產(chǎn)中對大模數(shù)齒輪一 般采用逐步淬火的方法，即對齒輪單齒進(jìn)行逐一淬火，為了能夠準(zhǔn)確和方便地建 立幾何模型，可選取齒輪的1/54部分，即單齒進(jìn)行模型建立，這樣可以簡化計(jì) 算模型，節(jié)省內(nèi)存空間，提高仿真速度，其仿真結(jié)果與實(shí)際完整齒輪基本一致。 圖2-3即為用SolidWorks創(chuàng)建的單齒的三維模型。圖2-3用SolidWorks建立的齒單齒的三維模型生成模型

11、后，將當(dāng)前模型另存為*.x_t格式，留作之后導(dǎo)入ANSYS軟件。第三章 圓柱齒輪滲碳淬火過程熱力學(xué)模型20CrNi2MoA低碳合金鋼是大模數(shù)齒輪首選的滲碳鋼之一，長期以來具有穩(wěn) 定的化學(xué)成分、成熟的冶煉工藝過程。其熱力學(xué)性能參數(shù)已作為標(biāo)準(zhǔn)列入國家滲 碳鋼材料手冊。相關(guān)材料熱力學(xué)參數(shù)熱學(xué)性能參數(shù)圓柱齒輪材料選用20CrNi2MoA，當(dāng)利用ANSYS軟件對其淬火過程進(jìn)行溫度 場仿真時(shí)，需要提供材料密度、比熱容、熱傳導(dǎo)率等參數(shù)，其對應(yīng)的參數(shù)數(shù)值如 表3-1【8】：力學(xué)性能參數(shù)同樣的，當(dāng)利用ANSYS軟件對齒輪的淬火過程進(jìn)行應(yīng)力場仿真時(shí)，也需要提 供在不同溫度下的彈性模量、屈服強(qiáng)度、切變模量、泊松比、

12、線膨脹系數(shù)等力學(xué) 性能參數(shù)，見表3-2：表3-2 20CrNi2MoA力學(xué)性能參數(shù)溫度t (C)彈性模量E (Pa)屈服強(qiáng)度b(Pa)切變模量仔 (Pa)泊松比線膨脹系數(shù)1 /C20500100015002000建立齒輪模型利用ANSYS建立分析模型最常用的方法有兩種：一種是利用ANSYS的繪圖功 能，生成分析模型，再進(jìn)行仿真模擬；另外一種，就是利用ANSYS與其它三維繪 圖軟件，如AutoCAD，SolidWorks，Pro/E等強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸能力，本課題就是 利用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入ANSYS軟件中，具體步驟為:運(yùn)行ANSYS 軟件，【File】f【Import】f【

13、PARA】，彈出窗口中查找到之前保存的*.x_t文 件,選中，【OK】，導(dǎo)入完成，現(xiàn)在看到的是線框，接著【Ploctrls】f【Style】 f【Solid Model Facets，下拉框中選擇【Normal Faceting】f【OK】，接著 鼠標(biāo)右鍵，選擇【Replot】即可看到實(shí)體，如圖3-1：圖3-1 ANSYS建模分析圖淬火仿真方案及其相關(guān)參數(shù)依賴有限元方法可以仿真淬火齒輪內(nèi)部溫度變化過程，這樣可以得到齒輪內(nèi) 部的仿真溫度場，然后計(jì)算、仿真齒輪的淬火變形情況。但是，首先需要確定初 始的溫度邊界條件和對流換熱系數(shù)。齒輪齒面在油性介質(zhì)中淬火，其介質(zhì)主要在上下深度方向流動(既齒寬方 向)

14、，其流速一般取的中間值，將粗車齒輪放入電熱爐中加熱到780-820C，接 著通過行車將工件立即置入室溫淬火油井中，冷卻2小時(shí)后取出，根據(jù)長期經(jīng)驗(yàn) 數(shù)據(jù)取淬火油平均溫度30C。數(shù)據(jù)：淬火油為AN32淬火油，使用溫度為30C，淬火前齒輪加熱溫度800C；AN32淬火油：黏度門=32X10-6 (Pas)，熱導(dǎo)率杼=(mK)，密度p二kg/ m3。我們根據(jù)研究需要將淬火分為2個(gè)階段：淬火變形期和淬火冷卻期。本文使 用經(jīng)典傳熱理論進(jìn)行相似計(jì)算獲得淬火變形期不同階段(我們根據(jù)研究需要取0-15秒）的平均對流換熱系數(shù)紅外隨著淬火冷卻的進(jìn)行，齒輪和淬火油溫差的減 少，開始衰減【。齒輪的變形主要發(fā)生在淬火變形

15、期，這期間齒輪和淬火油溫 差最大，對流劇烈（且可能存在相變時(shí)，流體吸收或放出汽化潛熱，其局部對流換 熱系數(shù)有可能大于h），因此齒輪內(nèi)部將產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致齒輪的不規(guī)律 l的變形。我們把有限元方法引入齒輪淬火的應(yīng)力應(yīng)變分析中，結(jié)合最優(yōu)化方法中 的試探法，逐步掌握齒輪淬火變形趨勢，為生產(chǎn)加工提供數(shù)據(jù)參考和改良依據(jù)。第四章 圓柱齒輪淬火過程的計(jì)算機(jī)仿真溫度場分布的仿真瞬態(tài)傳熱的數(shù)學(xué)模型當(dāng)齒輪淬火時(shí)，會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變（奧氏體可能分解為鐵素體、珠光體、貝氏 體、馬氏體）同時(shí)釋放潛熱，雖然釋放潛熱不像熔化或凝固時(shí)潛熱那么大，但也 是不可忽略的因素，潛熱釋放將使得整個(gè)仿真過程波動和非線性變化，為研究帶 來

16、難度。根據(jù)Fourier定律，運(yùn)用能量守恒原則，對于物體溫度隨時(shí)間而變（非 穩(wěn)態(tài)問題）齒輪淬火溫度場的仿真ANSYS能夠很好地完成瞬態(tài)熱分析，瞬態(tài)傳熱分析計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)地隨時(shí)間變 化的溫度場及其他熱參數(shù)，在工程上一般用其計(jì)算溫度場并作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力 分析。瞬態(tài)傳熱分析中的載荷是隨時(shí)間變化的，必須將載荷-時(shí)間曲線分為載荷 步，載荷-時(shí)間曲線中的每一個(gè)拐點(diǎn)為一個(gè)載荷步，如圖所示對于每個(gè)載荷步， 必須定義載荷值及時(shí)問值，同時(shí)必須選擇載荷步為簡便或階越。ANSYS瞬態(tài)熱分 析基本步驟包括構(gòu)建模型、施加載荷、求解與后處理。步驟1建模的基本流程如 圖4-1圖4-1 ANSYS建模流程圖圖4-2熱力學(xué)模型的

17、網(wǎng)格劃分圖根據(jù)以上步驟，設(shè)置工件名為chilundanchi，定義材料密度p = 7820Kg /m3, 比熱Cp = 460J/(Kg K),熱傳導(dǎo)率取800C時(shí)，人二26.3W/(m K),為得到較 精確的仿真結(jié)果，劃分網(wǎng)格密度為2,經(jīng)以上步驟，得出模型的網(wǎng)格劃分圖如圖 4-2步驟2載荷求解的基本流程：圖4-3 ANSYS仿真載荷求解流程圖根據(jù)步驟，定義分析類型為模型三維實(shí)體的溫度場仿真，設(shè)置初始溫度為 800C，淬火介質(zhì)溫度為30C，載荷設(shè)置為30秒，每載荷步為1秒。步驟3后處理的基本流程：圖4-4 ANSYS仿真數(shù)據(jù)后處理流程圖由于齒輪滲碳后淬火的特殊性，整個(gè)瞬態(tài)過程的不穩(wěn)定結(jié)果，使得

18、我們無法 給出確切的即時(shí)溫度場，所有的仿真都是對可能持續(xù)時(shí)間的估計(jì)和推斷，也就是 說，我們只能仿真出淬火溫度場出現(xiàn)的趨勢和范圍，而無法給出某點(diǎn)的即時(shí)溫度。通常淬火是為了強(qiáng)化齒面硬度、增加耐磨性，同時(shí)增加齒輪內(nèi)部應(yīng)力，產(chǎn)生 應(yīng)變。淬火增效強(qiáng)化的時(shí)間通常在開始淬火的幾十秒內(nèi)，但由于淬火冷卻的實(shí)際 情況比較復(fù)雜，淬火增效強(qiáng)化的時(shí)間范圍難以把握，為了研究需要，我們選取0 5秒、010秒、015秒為可能出現(xiàn)的淬火增效強(qiáng)化范圍，逐一進(jìn)行溫度場仿真。 淬火增效進(jìn)行之后的溫度場變化對齒輪齒面性能影響較小，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力及應(yīng)變 小于前者，基本上屬于典型的熱脹冷縮類型，故不作為研究對象。以下僅列出0 5秒，010秒

19、和015秒的溫度場、應(yīng)力場仿真分析。溫度場仿真齒廓和內(nèi)圈邊界受淬火油作用，從被加熱的780820C驟冷至與淬火油邊界 的平衡溫度（不等于平均溫度），考慮到液體流動速度，冷卻時(shí)間和平衡溫度需 要根據(jù)計(jì)算過程設(shè)定，輪齒兩側(cè)結(jié)合邊界屬于對稱邊界。這樣即可建立相應(yīng)的溫 度場計(jì)算模型，通過23次迭代計(jì)算，求出輪齒與淬火油邊界的平衡溫度，然后 進(jìn)行最后的溫度場計(jì)算。圖4-5、4-6、4-7分別為圓柱齒輪5秒，10秒和15秒淬火 溫度場。隨著時(shí)間延長，冷卻層深入輪齒內(nèi)部。圖4-5圓柱齒輪5秒淬火溫度場圖4-6圓柱齒輪10秒淬火溫度場圖4-7圓柱齒輪15秒淬火溫度場由仿真圖可以看出齒心與齒面的溫差變化，在5秒

20、時(shí)，T1=53C；在10秒時(shí)， T2=79C ；在15秒時(shí)，T3=87C。隨著溫度的推移，齒心與齒面的溫差逐漸增 大，其熱應(yīng)力也隨之增大，所以在淬火剛開始的這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，是累積熱應(yīng)力的 主要過程。由于在淬火的過程中，齒面與齒心的溫差較大，就整個(gè)齒輪而言，尺寸較小 的輪齒部分淬火過程中受作用最為明顯，會引起不同程度的尺寸和形狀誤差，所 以在齒輪的加工過程中，要根據(jù)仿真的結(jié)果，分析其綜合變形量，應(yīng)用到實(shí)際的 生產(chǎn)加工中，為齒輪的下一步工藝加工，取一個(gè)合適的叫加工余量。通過對溫度場仿真結(jié)果進(jìn)行分析，我們可以清晰地得出齒輪淬火過程中各時(shí) 間段的溫度變化，各部分間的溫差范圍，推算出齒輪的各部分的淬火變形

21、方式和 形變量，同樣，根據(jù)對仿真結(jié)果個(gè)時(shí)間段的對比分析，可以較快捷準(zhǔn)確地確定齒 輪淬火過程中的最佳時(shí)間，為齒輪淬火分析提供理論依據(jù)。淬火應(yīng)力分布的仿真由于齒輪的不同部分之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，在淬火的急速冷卻過程中， 彼此的收縮不一致，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，同時(shí)也達(dá)到了齒面增效強(qiáng)化的目的。 熱應(yīng)力問題實(shí)際又是兩個(gè)物理場之間的相互作用，故屬于耦合場問題。ANSYS提 供了兩種分析熱應(yīng)力的方法：直接法和間接法。圖4-8間接法分析數(shù)據(jù)流程圖使用間接法的步驟基本上是先進(jìn)行熱分析，重新進(jìn)入前處理，然后設(shè)置結(jié)構(gòu) 分析，讀入熱分析的節(jié)點(diǎn)溫度后再設(shè)置參考溫度，最后進(jìn)行求解和后處理。我們 采用后者，先進(jìn)行熱分析獲得淬火溫度場分布，然后將求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載 荷加到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中。淬火過程產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布，齒廓應(yīng)力變化明顯， 應(yīng)力集中在齒根部位，圖4-9、4-10、4-11分別為5秒、10秒和15秒輪齒增效強(qiáng)化 的應(yīng)力分布。圖4-9圓柱齒輪5秒淬火熱應(yīng)力圖4-10圓柱齒輪10秒淬火熱應(yīng)力圖4-11圓柱齒輪15秒淬火熱應(yīng)力通過對圖4-9進(jìn)行分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：1）齒廓應(yīng)力變化明顯，應(yīng)力集中在齒根部位，且齒根部位應(yīng)力最大，極大 值為，齒頂最小，極小值為；2）兩側(cè)齒面應(yīng)力較芯部大，形成狹窄齒面張力的集中區(qū)域，且由齒根向齒 頂衰減，變化幅度較大；3）內(nèi)圈應(yīng)力集中明顯，內(nèi)圈到齒頂應(yīng)