基于ANSYS的等离子弧表面淬火过程温度场的数值模拟.pdf

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1、应用与i式验·机械研究与应用·基于ANSYS的等离子弧表面淬火过程温度场的数值模拟金珍，王硕桂(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安微合肥230027)摘要：用ANSYS软件建立并模拟了等离子弧表面淬火过程的温度场，由此得出工件任意点的温度分布和淬硬层的分布，根据淬硬相变温度预测离子柬淬火的最大硬化深度和各节点到达最高温度时间，并通过45钢的淬火试验验证了模拟结果与试验结果的一致性。关键词：ANSYS温度场淬硬层硬化深度节点温度中图分类号：TG156．33文献标识码：A文章编号：1006—4414(2011)03一o093—03Numericalsimulationontempe

2、raturefielddu~ngplasmaarcsurfacequenchbasedonANSYSJinZhen，WangShuo-gui(Departmentofprecisionmachineryandprecisionimtrument，universityofsciel~eandtechnologyofChina，HefeiAnhui230027，China)Abstract：Inthispaper，thetemperaturefieldofplasmasurfacequenchingissimulatedwi山ANSYS．Accordingtotheresult，thet

3、emperaturedistributionontheworkpieceandthehardenedlayercallbeobtained．Basedonthemaximumphasetransfor-mationdepthandthetimeofeachnodereachingthehighesttemperature，theconsistencyofsimulationandexperimentisprovedthroughexperimentalresultsforplasmaquenchhardeningof45stee1．Keywords：ANSYS；tempemt~efi

4、eld；hardenedlayer；phasetransformationdepth；nodetemperature1前言合适的淬火热源模型，根据实际的等离子弧淬火特等离子弧表面淬火是一种利用高能热流密度热点，本文的计算中设定等离子弧的热源传播过程，是源对材料进行热处理的方法。它以等离子弧作为热渐进呈高斯分布热源的传播过程。故在计算中可以源加热工件表面，使被加热部位的温度在很短的时间近似认为等离子弧的热流密度是按高斯定律分布在内(

5、和耐腐蚀性。由于等离子弧表面淬火加热和q=(k／v)q(2)冷却速度极快，用实验方法很难直接测定处理过程的式中：g(r)为半径r处的表面热流，W／m；q为热源温度分布及冷却速度。故计算机计算模拟其温度场的有效热功率，w；r为加热区某一点距等离子电弧加的变化成为首选。热斑点中心的距离r=j(x一。)+(Y—Y0)，m；．j}基于有限元方法的ANSYS数值模拟软件是解决为高斯热源分布曲线形状系数，1／m。温度场等工程问题的大型常用软件。ANSYS热分析2．2表面淬火过程的热传导方程最强大的功能之一就是分析相变问题，如凝固和熔化等离子弧表面淬火的导热是个非常复杂的问题，等。笔者所模拟的淬火

6、过程温度场模型，不仅考虑了其热传导过程的数学模型已经有很多文献做过介绍。材料热物性的变化对温度场的影响，同时也考虑到相本文采用的是被描述为半无限体非稳态热传导模型，变潜能对温度场的影响。同时考虑相变潜热的影响，其热传导偏微分方程在直通过模拟得到的温度场分布可以预测硬化带的角坐标系中为J：形状和硬化带的最大深度和宽度分布规律，进而改进工艺参数，提高工件的淬火质量。通过对45钢的表A(害+雾+=警㈩面淬火试验，试验结果与模拟结果一致性很好。式中：T为温度，℃；c为比热，J／(kg·℃)；P为密度，2模型的建立kg／m；A为导热系数，W／(m·℃；q为相变潜热，2．1高斯热源模型淬火过程的

7、温度场模拟和仿真中，需要找到一种收稿日期：201l-03-28作者简介：金珍(1985一)。女。安徽长丰县人，在读硕士，研究方向：等离子弧表面淬火热处理的数值分析。·93·应用与试验·机械研究与应用·W／m；t为时间(s)；，)，，z为点的坐标。布和横截面上的等温线分布。从图1中可以看出由2．3有限元模型热源中心出发，热源前方的温度下降最为剧烈，而热现在建立工件尺寸为200mmx2OOmmxlOmm，材源后方则最为缓慢，热源两边为中等梯度。同时取表料为45