曲轴电磁感应淬火强化影响数值模拟研究

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1、曲轴电磁感应淬火强化影响数值模拟研究李继山2015年1月中图分类号：TK402UDC分类号：621.4曲轴电磁感应淬火强化影响数值模拟研究作者姓名李继山学院名称机械与车辆学院指导教师廖日东教授答辩委员会主席左正兴教授申请学位工学博士学科专业动力机械及工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月NumericalStudiesontheInductionQuenchingProcessofCrankshaftCandidateName:JishanLiSchoolorDepartment:MechanicalEngi

2、neeringFacultyMentor:Pro.RidongLiaoChair,ThesisCommittee:Pro.ZhengxingZuoDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:PowerMachineryandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January,2015北京理工大学博士学位论文摘要电磁感应淬火是曲轴广泛采用的表面强化技术之一。本文在深入研究电磁感应淬火原理和实际淬火工艺的

3、基础上，开展了曲轴电磁感应淬火相关理论分析、数值仿真和实验研究工作。主要内容包括：（1）从Maxwell基本方程组出发，通过理论分析获得了半无限大体电磁感应加热过程电磁场和生热率的解析解，讨论了有关参数对生热率的影响。工件内的生热率正比于电流密度以及感应器宽度的平方。生热率随空气间隙的增大成指数形式衰减。电源频率对最大生热率和生热率的分布规律都有影响。当空气间隙对生热率的影响可以忽略时，最大生热率正比于电源频率；当空气间隙的影响不可忽略时，存在着一个临界电源频率，当电源频率小于临界频率时，最大生热率正相关于电源频率；当电源频

4、率大于临界频率时，最大生热率负相关于电源频率。工件内生热率沿深度方向的衰减与电源频率满足指数型关系。（2）利用热膨胀实验数据，考虑加热速度对奥氏体化过程的影响，得到了42CrMo奥氏体化过程的扩展解析动力学模型，拟合数据与实验数据能够很好地吻合。奥氏体化开始温度与加热速度的对数值满足线性关系，奥氏体化时间与加热速度满足双对数线性关系。奥氏体化开始温度随着加热速度的增大而增大，奥氏体化时间随着加热速度的增大而减小。利用扩展动力学解析模型和叠加原理，预测了曲轴加热速度连续变化的电磁感应加热过程中的奥氏体化过程，为淬火过程预测提供

5、了组织准备。（3）利用梅尼尔模型对淬火冷却后曲轴的淬硬层分布和硬度进行预测，讨论了材料成分、换热系数和加热时间对淬火后硬度分布的影响。当加热时间足以保证表面完全奥氏体化时，延长加热时间，表面硬度略有降低，但可以增加淬硬层厚度。其它条件相同时，材料成分取上限值时，淬火后的硬度高于材料成分取常用值和下限值时的硬度。水淬时，取不同的换热系数，淬火后的表面硬度差别很小，但是高于设计值，采用水作为冷却介质不能满足要求。比较了传统的根据加热温度预测奥氏体化过程与本文建立的奥氏体化动力学模型预测奥氏体化过程后，淬火冷却后淬硬层分布的差异，

6、采用奥氏体化动力学模型预测奥氏体化过程淬火冷却后圆角区域淬硬层过渡更为平缓，为了精确预测电磁感应淬火材料奥氏体化必须使用奥氏体化动力学模型。（4）利用二维轴对称热弹塑性模型研究了淬火后残余应力分布。轴颈区域表面为残余压应力，随着距离表面深度的增加，残余压应力逐渐减小，直至转变为残余拉I北京理工大学博士学位论文应力状态。然后，随着距离表面深度的进一步增加，拉应力值先增大后减小直至转变为残余压应力状态。最后，随着距离表面深度的进一步增加，压应力值先增大后减小最终趋向于0。轴颈表面残余应力随着加热时间的延长近似具有逐渐减小的趋势。

7、X射线衍射法测量结果表明圆角表面为残余压应力。（5）考虑电磁感应淬火曲轴表层材料性能的非线性，建立了曲轴强度分析有限元模型，得到了考虑弹性模量空间分布不均匀性的电磁感应淬火曲轴工作状态Mises应力分布规律。研究了材料性能变化对工作状态应力分布的影响。Mises应力最大值随着表层和基体弹性模量的比值增大而增大，并且近似满足线性关系。过渡层内弹性模量的分布形式对Mises应力最大值的影响很小，可以将过渡层内的弹性模量用表层或者基体的弹性模量代替。关键词：曲轴；电磁感应淬火；奥氏体化；扩展解析动力学；淬硬层；残余应力；材料非线性

8、II北京理工大学博士学位论文AbstractInductionquenchingisoneofthewidelyusedsurfacehardeningmethodsofthecrankshaft.Sometheoreticalanalyses,numericalsimulationsan