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1、2008年2月沈阳航空工业学院学报Feb.2008第25卷第1期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringVol.25No.1文章编号:100721385(2008)0120029204工件淬火过程表面综合换热系数的测算宋广胜孟庆华王洪顺(沈阳航空工业学院材料工程系,辽宁沈阳110034)摘要:表面换热系数是温度场计算中一个重要参数,它的取值将直接影响到温度场计算的精度。为了得到表面换热系数与温度变化的关系,采用非线性估算法,编制计算程序,基于工件淬火过程的实测温度值,对工件在不同淬
2、火介质中冷却过程的表面换热系数值随温度的变化进行了测算,得出了换热系数在冷却过程不同阶段的变化规律。关键词:淬火;温度场;差分法;表面换热系数中图分类号:TG154.4文献标识码:A工件在淬火过程中,其表面与淬火介质间进整个系统的温度采集范围为0～1700℃,采集精行换热,这种换热过程是对流、辐射及沸腾换热综度最高可达0.01℃。淬火工件及热电偶分布如合作用的结果。在淬火过程的温度场、应力场及图1所示,热电偶用来测量距表面1mm的中截面组织场的数值模拟中,需要建立热交换边界条件,上任一点(如图1所示的测量点)的温度,工件为而表面综合换热系数是
3、建立换热边界条件的最关22CrMo钢圆柱体,尺寸为Φ20×60mm,工件被放键参数,它的选择对淬火过程数值模拟的计算精到电阻炉内加热到860℃,保温20分钟,以保证度有决定性影响。显然,在计算中,必须选择符合工件被充分奥氏体化。保温结束后,将工件迅速实际条件的换热系数值,那种往往在计算中将换放入淬火介质中,淬火过程中,测量点的温度变化热系数以常数值或经验公式形式代入的方式,其由热电偶测量,由温度采集系统采集,采集频率为计算结果是不可靠的。而由于换热过程的复杂60/s,并将采集结果实时存入数据库。为保证淬性,换热系数受淬火介质的性质(粘度、温度
4、、导火介质温度在淬火处理过程中升温最小,盛装淬热系数等)、流动状态、淬火工件的性质(导热系火介质的容器要足够大。数、比热、相变等)、工件的形状、尺寸及表面状态[1]等众多因素影响,直接测定表面综合换热系数很困难,需采用合理的计算方法并结合一定的测[2-5]试技术进行测算。本文在文献[6]中所述的非线性估算法测算换热系数的算法基础上,编制计算程序,根据淬火工件内部温度的实测结果,估算了工件在淬火油、水中冷却过程的表面换热系数值。图1工件及热电偶分布1温度的测量2换热系数的测算原理温度采集系统的硬件组成为:具有ISA插槽换热系数测算的基础是导热偏
5、微分方程的求的PC机、PCL-812PG型数据采集卡、带CJC电解,有限差分法是将热传导方程中的微分用差分代路的接线端子板、数据线及K型热电偶组成。温替,其公式推导简便。差分方程所具有的共同特点度采集系统的软件能够实现采集温度的实时显是简便易行,误差也较小,编程也较容易,所以对形示,并能将所设定时间步内所测温度存入数据库。状规则的工件温度场的求解多用差分法求解。根据图1中工件尺寸,在计算中,工件可视为收稿日期:2007211213足够长的圆柱体,可以假定在轴向中截面上,热流作者简介:宋广胜(19712),男,辽宁丹东人,副教授量具有沿径向的单
6、向性,对应的热传导方程为30沈阳航空工业学院学报第25卷25T5T15T则进入下一个时间步长,否则,修改表面换热系数ρc==k(2+)(1)5t5rr5r值h,即式中,ρ—材料密度;c—材料比热;k—材料导热系h=h0+Δh(13)数。式中的Δh值可按式(11)计算,以新的h值对流换热边界条件方程为为基础,重复上述迭代过程,直至式(12)得到满k5T=h(T-T)+ρc5T(2)足。在不同的时间步内重复上述过程,直到所有s∞5rΓ5rΓ时间步长之和等于总的淬火时间。在计算结束式中,Ts—工件的表面温度;T∞—淬火介质后,我们可以得到随淬火工件
7、表面温度变化的表的温度。根据非线性热传导方程的有限差分离散面换热系数。法,采用显式有限差分格式,方程(1)、(2)变为根据上述分析过程,采用VisualC++6.0编jjj+1jj-1jj-1Ti-Ti-1Ti-2Ti+Ti1Ti-Ti写了求淬火工件表面换热系数的计算程序。ρc=k2+kΔtΔrrjΔr(3)3测算结果及分析2111Ti-Ti11Ti-Ti-1k=h(Ti-T∞)+ρc3.1油中淬火过程表面换热系数的测算结果Δr2Δt图2和图3分别为所测得工件在静态油中淬(4)火过程测量点的温度随时间变化曲线和冷却速度1j式中,Ti—工件表面
8、温度;Ti—i时刻j节点处的随温度变化曲线,油温为20℃,根据所测得的温温度,在rj=0处,令度变化过程,采用上述换热系数计算程序计算所j+1j-1Ti=Ti(5)
