Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Фрикционная поверхностная закалка сталей вращающимся инструментом. Учебное пособие
.pdf
3.2. Теплофизическое конечно-элементное моделирование фрикционной поверхностной закалки
Величины удельной теплоемкости и плотности для применяемых
при ФПЗ инструментальных материалов приведены в марочнике ста‑
лей и сплавов [32]. Так, для твердого сплава из карбида вольфрама с ко‑
бальтом удельная теплоемкость составляет 400 Дж/(кг·°C), плотность
равняется 14 700 кг/м 3.
На основе приведенных исходных данных и зависимостей в рабо‑
те [8] выполнено теплофизическое моделирование процесса для сле‑
дующих сочетаний технологических параметров: Fн равна 2500; 3000;
3500 Н, n равно 2000; 3000; 4000; 5000; 6000 об/мин и коэффициент
трения µ равен 0,2 и 0,3.
По завершении расчетов ANSYS выдает трехмерную карту темпе‑
ратурных зон, представляющую собой совокупность изотерм для по‑
степенно снижающейся температуры. Зоны нагрева в зависимости
от температуры на таких картах отображаются в виде закрашенных
участков разного цвета, сопоставляя который с легендой, можно по‑
лучить полное представление о форме и расположении зоны терми‑
ческого влияния. Для понимания того, как тепло распространяется
внутри заготовки на трехмерной модели температурных карт, может
быть выполнено сечение, отделяющее сегмент поверхностного слоя.
Для рассматриваемого примера обработки стали марки 20Х13 про‑
веденный расчет показывает, что наибольший нагрев поверхности про‑
исходит под инструментом в области, прилежащей к краю контактной
зоны (рис. 3.5). При этом в центральной области контактной зоны тем‑
пература примерно на 20 % ниже, чем на периферии. Кроме того, тем‑
пературные карты позволили определить, что на глубине 1 мм материал
нагревается до температуры, которая на 22 % ниже средней температу‑
ры в контактной зоне. Основываясь на полученных результатах, можно
предположить, что для прогрева материала на глубине 1 мм до темпе‑
ратуры закалки необходимо, чтобы температура поверхностного слоя
превышала критическую точку AC3 не менее чем на 28 %. Таким обра‑
зом, при значении критической точки AC3 стали марки 20Х13 порядка
850 °C для прогрева материала на глубине 1 мм потребуется обеспе‑
чить нагрев поверхности до температуры выше 1090 °C.
Основываясь на установленном критерии нагрева контактной зоны,
можно проанализировать температурно‑временные характеристики пе‑
реходного процесса предварительного разогрева для выявления допу‑
стимых величин технологических параметров ФПЗ, обеспечивающих
нагрев контактной зоны до требуемой температуры закалки (рис. 3.6).
61
3. Теплофизическое моделирование фрикционной поверхностной закалки
а б
Рис. 3.5. Распределение температуры в системе инструмент‑заготовка (а)
и в упрочняемой заготовке (б) при предварительном разогреве с технологически‑
ми параметрами Fн = 3500 Н; n = 4000 об/мин; µ = 0,3 [8]
Определяем следующее: во‑первых, обеспечивает ли анализируе‑
мый режим фрикционной поверхностной закалки нагрев контактной
зоны до температуры выше 1090 °C; во‑вторых, при какой мощности
фрикционного тепловыделения может быть обеспечен разогрев до тем‑
пературы выше 1090 °C; в‑третьих, в течение какого времени проис‑
ходит разогрев контактной зоны?
Для примера выполнен анализ предварительного разогрева стали
марки 20Х13. Согласно полученным в результате моделирования дан‑
ным, установлено, что каждый из переменных технологических па‑
раметров (нормальная сила Fн, скорость вращения n и коэффициент
трения µ) оказывает существенное влияние на изменение температу‑
ры за время разогрева поверхностного слоя в контактной зоне. Так,
при коэффициенте трения 0,2 и нормальной силе 2500 Н минимально
необходимого разогрева до 1090 °C можно добиться только при ско‑
рости вращения 6000 об/мин в течение 16,5 с (см. таблицу на с. 64).
Повышение нормальной силы до 3500 Н при тех же значениях коэф‑
фициента трения µ = 0,2 и скорости вращения n = 6000 об/мин по‑
зволяет достичь минимально необходимой температуры 1090 °C все‑
го за 4,1 с. Время разогрева существенно изменяется при повышении
коэффициента трения до 0,3. Так, предварительный разогрев стали
марки 20Х13 в контактной зоне до 1090 °C при воздействии с нормаль‑
ной силой 2500 Н при частоте вращения 6000 об/мин обеспечивает‑
ся за время 3,3 с.
62
3.2. Теплофизическое конечно-элементное моделирование фрикционной поверхностной закалки
2500
2000
1500
1000
500
Температура, °С
0
2500
2000
1500
1000
Температура, °С
500
0
2500
2000 об/мин 3000 об/мин
4000 об/мин 5000 об/мин
6000 об/мин
0 5 10 15 20
Время разогрева, с
0 5 10 15 20
Время разогрева, с
2500
2000
1500
1000
Температура, °С
2500
2000
1500
1000
Температура, °С
2500
500
0
0 5 10 15 20
Время разогрева, с
500
0
0 5 10 15 20
Время разогрева, с
2000
1500
1000
Температура, °С
500
0
0 5 10 15 20
Время разогрева, с
2000
1500
1000
Температура, °С
500
0
0 5 10 15 20
Время разогрева, с
Рис. 3.6. Изменение температуры в контактной зоне поверхностного слоя
от времени предварительного разогрева в зависимости от частоты вращения
инструмента при коэффициенте трения µ = 0,2 (а, б, в) и µ = 0,3 (г, д, е)
и нормальной силе Fн = 2500 Н (а, г), Fн = 3000 Н (б, д) и Fн = 3500 Н (в, е)
63
3. Теплофизическое моделирование фрикционной поверхностной закалки
Время разогрева поверхностного слоя до 1090 °C в зависимости от сочетания
технологических параметров и мощности фрикционного тепловыделения
Fн, Н n, об/мин µ Pµ, Вт Время разогрева до 1090 °C, с
0,2 331,6 –
0,3 497,4 –
0,2 497,4 –
0,3 746,1 –
0,2 663,2 –
0,3 994,8 16,5
0,2 829 –
0,3 1243,5 5,9
0,2 994,8 16,5
0,3 1492,3 3,3
0,2 397,9 –
0,3 596,9 –
0,2 596,9 –
0,3 895,4 –
0,2 795,9 –
0,3 1193,8 6,8
0,2 994,8 16,5
0,3 1492,3 3,3
0,2 1193,8 6,8
0,3 1790,7 1,9
0,2 464,3 –
0,3 696,4 –
0,2 696,4 –
0,3 1044,6 12,1
0,2 928,5 –
0,3 1392,8 4,1
0,2 1160,6 7,5
0,3 1741 2,1
0,2 1392,8 4,1
0,3 2089,2 1,1
2500
3000
3500
2000
3000
4000
5000
6000
2000
3000
4000
5000
6000
2000
3000
4000
5000
6000
По результатам выполненного анализа можно заключить, что ра‑
зогрев обрабатываемой поверхности до температуры выше 1090 °C
при фрикционной поверхностной закалке стали марки 20Х13 возмо‑
жен при мощности тепловыделения в контактной зоне, превышаю‑
щей 1000 Вт. Однако при мощности 1000 Вт на разогрев необходимо
64
3.2. Теплофизическое конечно-элементное моделирование фрикционной поверхностной закалки
затратить порядка 16,5 с, что существенно ограничивает производи‑
тельность обработки. При обеспечении мощности тепловыделения
1500 Вт разогрев контактной зоны до температуры выше 1090 °C обе‑
спечивается уже в течение всего 3 с, но такой уровень тепловыделе‑
ния приводит к чрезмерному росту контактной температуры и может
вызвать расплавление материала поверхностного слоя. Оптимальным
с точки зрения скорости разогрева и недопущения расплавления по‑
верхности может быть режим, обеспечивающий мощность тепловы‑
деления на уровне 1400 Вт.
Таким образом, конечно‑элементное моделирование фрикцион‑
ной поверхностной закалки на этапе предварительного разогрева ин‑
струмента и заготовки позволяет определить взаимосвязь теплофи‑
зических и технологических параметров. Прежде всего, может быть
определена необходимая температура нагрева поверхности во взаимос‑
вязи с сочетанием технологических параметров процесса. Кроме того,
может быть установлено время разогрева поверхностного слоя стали
до момента достижения необходимой температуры, а также необходи‑
мая мощность фрикционного тепловыделения и допустимые величи‑
ны нормальной силы Fн и частоты вращения инструмента n.
3.2.2. Теплофизическое моделирование фрикционной поверхностной
закалки при прямолинейном движении инструмента
Для прогнозирования температурных полей в поверхностном слое
стали при прямолинейном движении инструмента требуется постро‑
ение особой геометрической модели. Упрочняемую заготовку мож‑
но представить в виде бруска, к поверхности которого приложен ци‑
линдрический инструмент. Для сокращения времени моделирования
геометрическую модель представляют таким образом, чтобы инстру‑
мент и заготовка были рассечены на две равные части вдоль траекто‑
рии движения (рис. 3.7). Это позволяет по сечению инструмента и за‑
готовки применить граничное условие симметрии (symmetry).
Для проведения теплофизического моделирования на геометриче‑
скую модель инструмента и заготовки необходимо наложить гексаэдри‑
ческую сетку конечных элементов типа SOLID226, обеспечивающую
возможность выполнения теплофизических расчетов относительно‑
го движения контртел. Для сокращения времени моделирования при
65
3. Теплофизическое моделирование фрикционной поверхностной закалки
обеспечении высокой точности вычисления температуры рекомен‑
дуется наносить уплотненную сетку конечных элементов в зоне кон‑
такта. Ввиду меньшей скорости распространения тепла вдали от кон‑
тактной зоны на остальные участки геометрической модели контртел
может быть наложена существенно более крупная сетка конечных эле‑
ментов. Так, например, размер ячеек сетки конечных элементов в кон‑
тактной и прилегающей к ней зоне может составлять 1 мм, в то время
как на остальной части модели — 5 мм.
Инструмент
25 мм
100 мм
25 мм
Заготовка
Рис. 3.7. Геометрическая модель взаимодействия инструмента и упрочняемого
поверхностного слоя заготовки с наложенной сеткой конечных элементов
Для высокой точности теплофизического моделирования поверх‑
ностной закалки вращающимся инструментом рекомендуется при‑
менять формулировку асимметрического фрикционного контакта
(asymmetric frictional) с использованием конечных элементов типа
CONTA174 и TARGE170, нанесенных на контактную поверхность ин‑
струмента и заготовки соответственно. Для обеспечения теплопереда‑
чи между контактирующими телами необходимо задать коэффици‑
ент теплопроводности в контактной зоне. Рекомендуется применение
6
идеального контакта с теплопроводностью l = 10
Вт/(м 2·°C), который
не будет вносить искажения в распределение тепла между контртела‑
66
3.2. Теплофизическое конечно-элементное моделирование фрикционной поверхностной закалки
ми. В целях теплового уравновешивания на неконтактные поверхно‑
сти инструмента и заготовки наносятся элементы типа SURF152, с по‑
мощью которых можно задать теплоотдачу естественной конвекцией.
Аналогично предыдущей модели разогрева, в качестве гранич‑
ного условия в контактной зоне необходимо задать источник фрик‑
ционного тепловыделения мощностью Pµ, определяемой по фор‑
муле (2.1). Также устанавливается начальная температура контртел:
T(x, y, z, t = 0) = +22 °C.
Для примера выполнено теплофизическое моделирование ФПЗ
с предварительным разогревом в течение 5 с и последующим прямо‑
линейным движением инструмента на расстояние 50 мм со скоростя‑
ми подачи f равными 50, 75, 100, 125 и 150 мм/мин и коэффициента‑
ми трения µ равными 0,2; 0,22; 0,24; 0,26; 0,28 и 0,3.
На основе результатов конечно‑элементного моделирования уста‑
новлено, что в процессе предварительного разогрева в течение 5 с тем‑
пература в контактной зоне достигает 65…80 % от установившейся ве‑
личины (рис. 3.8). При линейной подаче инструмента стабилизация
температуры в контактной зоне происходит в течение последующих
5…10 с. В дальнейшем изменение контактной температуры составля‑
ет не более 10 %. При этом наибольшая температура нагрева возни‑
кает позади контактной зоны относительно движения инструмента.
Для оценки изменения температуры нагрева и охлаждения мате‑
риала поверхностного слоя при движении инструмента удобно вос‑
пользоваться инструментарием ANSYS, позволяющим снять узловые
характеристики. Для этого в узле сетки конечных элементов, распола‑
гающемся на траектории движения инструмента в ее середине, необ‑
ходимо установить температурную пробу. С помощью такого инстру‑
ментария можно установить влияние технологических параметров,
например подачи инструмента и коэффициента трения, на температур‑
но‑временные характеристики термического цикла закалки (рис. 3.9).
На основе анализа полученных характеристик может быть сделан
целый ряд выводов о влиянии на нагрев поверхностного слоя коэффи‑
циента трения и величины подачи. Если провести границы температу‑
ры нагрева, необходимой для закалки (1000…1090 °C), можно устано‑
вить допустимые величины технологических параметров фрикционной
поверхностной закалки. Так, при коэффициенте трения µ = 0,2 необ‑
ходимая температура нагрева может быть обеспечена только при малых
подачах 50 и 75 мм/мин. При коэффициенте трения µ = 0,22 необхо‑
67
3. Теплофизическое моделирование фрикционной поверхностной закалки
димая для закалки температура нагрева обеспечивается при движении
инструмента с подачами от 50 до 125 мм/мин. Необходимый нагрев
при коэффициенте трения µ ≥ 0,24 обеспечивается во всем диапазоне.
Однако при коэффициенте трения µ = 0,26 и подаче 50 мм/мин проис‑
ходит чрезмерный нагрев материала до температуры плавления. При
µ = 0,28 чрезмерный нагрев до температуры плавления имеет место
при подачах 50 и 75 мм/мин, а в случае µ = 0,3 температура плавления
достигается уже при подачах от 50 до 100 мм/мин. С целью сохранить
целостность обрабатываемой поверхности при фрикционной закал‑
ке важно избегать использования указанных выше сочетаний техно‑
логических параметров, приводящих к чрезмерному нагреву, расплав‑
лению поверхности и ее разрушению.
а в
б г
Рис. 3.8. Температурные поля в инструменте и поверхностном слое спустя 5 с (а),
25 с (б), 45 с (в) и 65 с (г) моделирования ФПЗ при f =50 мм/мин и коэффициенте
трения µ = 0,28 [8]
С точки зрения поверхностной закалки, помимо нагрева упрочня‑
емой стали до требуемой температуры, важно также обеспечить ско‑
68
3.2. Теплофизическое конечно-элементное моделирование фрикционной поверхностной закалки
рость охлаждения, превышающую критическую для данной марки ста‑
ли. Скорость охлаждения определяется на основе термокинетических
диаграмм, построенных по результатам моделирования температур‑
но‑временных характеристик термического цикла закалки до полно‑
го охлаждения упрочняемой стали (рис. 3.10).
а г
2000
1500
1000
50 мм/мин 75 мм/мин
100 мм/мин 125 мм/мин
150 мм/мин
μ = 0,20
2000
1500
1000
μ = 0,26
500
Температура T, °С
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Время, с
б д
2000
1500
1000
Температура T, °С
500
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Время, с
μ = 0,22
в е
2000
1500
1000
μ = 0,24
Температура T, °С
2000
1500
1000
Температура T, °С
2000
1500
1000
500
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Время, с
μ = 0,28
500
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Время, с
μ = 0,30
Температура T, °С
500
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Время, с
Температура T, °С
500
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Время, с
Рис. 3.9. Температурно‑временные характеристики термического цикла закалки по‑
верхностного слоя стали марки 20Х13 при перемещении инструмента на 50 мм [8]
69
3. Теплофизическое моделирование фрикционной поверхностной закалки
900
800
А
700
A
С3
600
Ф+К
П
500
400
Температура, °C
300
f = 150 мм/мин; μ = 0,2
200
100
М
0
f = 150 мм/мин; μ = 0,3
f = 100 мм/мин; μ = 0,2
f = 100 мм/мин; μ = 0,3
f = 50 мм/мин; μ = 0,2
f = 50 мм/мин; μ = 0,3
1 10 100 1000 10000
Время, с
Рис. 3.10. Термокинетические диаграммы непрерывного охлаждения стали марки
20Х13 по результатам конечно‑элементного моделирования ФПЗ:
А — аустенит; М — мартенсит; П — перлит; Ф — феррит; К — карбиды
Анализируя полученные термокинетические диаграммы, можно
определить, достаточна ли скорость охлаждения поверхности после
прохода инструмента для того, чтобы обеспечить образование мар‑
тенсита (М) и миновать зоны формирования перилита (П) или фер‑
рита (Ф) с карбидами (К). Полученные результаты показывают, что
скорость охлаждения чувствительна как к величине подачи, так и к ко‑
эффициенту трения. Однако для рассмотренных величин подачи ско‑
рость охлаждения v
значительно превосходит критическую скорость
охл
закалки стали марки 20Х13.
В рамках рассматриваемого примера моделирования ФПЗ ста‑
ли марки 20Х13 и построения термокинетических диаграмм охлаж‑
дения показано, что охлаждение обработанного материала проис‑
ходит быстрее 20 с. Таким образом, можно утверждать, что скорость
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]