本文利用ANSYS/Multiphysics有限元分析軟件，采用磁—熱—固耦合分析法，模擬曲軸表面感應(yīng)淬火過程,得到溫度場及殘余應(yīng)力場分布，由實(shí)際測量結(jié)果和模擬計(jì)算結(jié)果的比較可知計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果是可信的。

　　1 引言

　　曲軸是內(nèi)燃機(jī)中最重要的零件之一，它與氣缸、活塞和連桿等零件組成了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源裝置，并由曲軸向外輸出功率。曲軸形狀復(fù)雜、應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，特別在曲柄至軸頸的圓角過渡區(qū)、潤滑油孔附近以及加工粗糙部位應(yīng)力集中現(xiàn)象尤為突出。

　　隨著內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展與強(qiáng)化，使曲軸的工作條件愈加苛刻。因此，曲軸的強(qiáng)度和剛度問題就變得更加嚴(yán)重。表面感應(yīng)淬火能使曲軸表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，可顯著提高工件彎曲疲勞強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度。在以后的使用狀態(tài)中，由于淬火而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，其大小和分布對材料的機(jī)械性能均有影響，并成為產(chǎn)生各種缺陷的原因。殘余應(yīng)力的控制與淬火造成的應(yīng)變都是設(shè)計(jì)上的重要問題。

　　感應(yīng)加熱過程非常復(fù)雜。通常需要模擬一組復(fù)雜的非線性多維耦合問題包括電磁場、溫度場、淬火過程，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變、變形、輔助電路等等。本文利用ANSYS/Multiphysics有限元分析軟件，模擬曲軸表面感應(yīng)淬火過程,得到感應(yīng)加熱和淬火溫度和殘余應(yīng)力分布，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了比較。

　　2 曲軸表面感應(yīng)加熱淬火問題描述與簡化

　　文中模擬計(jì)算所用到的曲軸是某柴油機(jī)廠生產(chǎn)的六缸柴油機(jī)曲軸，曲軸的材料是42CrMoA，采用中頻感應(yīng)加熱淬火裝置對曲軸表面進(jìn)行淬火。連桿軸頸淬火的加熱過程功率為90～120kw，電流頻率為10kHz，平均加熱時(shí)間是14s(由于感應(yīng)線圈是半圓形，因此在加熱過程中曲軸表面每一點(diǎn)的平均加熱時(shí)間是7s)。冷卻時(shí)通過感應(yīng)線圈上的孔向軸頸表面噴冷卻液(AQUATENSID BW)，冷卻時(shí)間為18～20秒。噴射冷卻液冷卻結(jié)束后，曲軸置于空氣中冷卻。

　　本文假設(shè)一種相對穩(wěn)定的情況。曲軸在感應(yīng)加熱過程中以一定速度旋轉(zhuǎn)，與感應(yīng)器之間有相對運(yùn)動(dòng)。本文中將計(jì)算模型簡化，將連桿軸頸沿軸向切成薄片，通過追蹤其中一片的溫度變化歷程來實(shí)現(xiàn)對工件整體溫度變化情況的了解。圖1為簡化后的曲軸感應(yīng)淬火示意圖。

圖 1曲軸感應(yīng)淬火示意圖
Fig 1 scheme of induction hardening of a crankshaft

　　3 感應(yīng)加熱溫度場模擬計(jì)算

　　3.1 有限元模型

　　曲軸中頻淬火是各軸頸分段進(jìn)行的，曲軸連桿軸頸部分是軸對稱形狀的，所施加的載荷以及工件上的電磁場、感生渦流和溫度場等的分布也都是軸對稱的，因此取淬火部分截面的1/2部分做計(jì)算。

　　工作狀態(tài)下連桿軸頸圓角處所受應(yīng)力最大，本文取一個(gè)連桿軸頸進(jìn)行建模。考慮到漏磁現(xiàn)象，需對軸頸周圍的部分空氣建模，計(jì)算模型中包含曲軸、感應(yīng)器及周圍空氣。【1】雖然實(shí)際中感應(yīng)線圈為方形截面的空心銅管，但由于在計(jì)算中施加的是電流密度載荷，因此用實(shí)心代替空心并不會(huì)影響對線圈電流值的比較驗(yàn)證。采用二維實(shí)體單元plane13建立感應(yīng)加熱物理場模型。圖2為物理場單元?jiǎng)澐謭D。共有5910個(gè)單元，4398個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖 2 物理場單元?jiǎng)澐謭D

　　3.2 感應(yīng)加熱溫度場計(jì)算結(jié)果

　　感應(yīng)加熱時(shí)間為7秒，本文用直接磁熱耦合法計(jì)算感應(yīng)淬火過程中加熱溫度場。首先進(jìn)行諧波電磁分析，然后進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，在不同時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)進(jìn)行電磁場分析來修正其對溫度的影響。【2】圖3為感應(yīng)加熱過程結(jié)束后的曲軸溫度分布圖。由計(jì)算結(jié)果的溫度分布云圖可以看出感應(yīng)加熱表面最高溫為992℃，在這些熱量還未來得及傳入內(nèi)部時(shí)，受熱的表層迅速升溫至奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以上奧氏體化。曲軸心部溫度為室溫25℃。

圖3感應(yīng)加熱7秒時(shí)溫度場
Fig 3 The temperature field of induction hardening in 7 seconds

　　3.3 冷卻溫度場計(jì)算

　　本文的模擬計(jì)算中，不考慮冷卻過程初始階段冷卻液在曲軸表面生成的蒸氣膜，換熱條件可簡化為冷卻液與曲軸表面的換熱條件，在沒有噴到冷卻液的表面，按空氣與曲軸表面的換熱條件計(jì)算。【3】本文用瞬態(tài)熱分析法計(jì)算淬火冷卻溫度場。采用二維實(shí)體單元plane55建立淬火冷卻溫度場模型。共有2800個(gè)單元，2926個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖4為淬火冷卻溫度場有限元模型。

圖 4淬火冷卻溫度場有限元模型
Fig 4 The FE model of hardening coolant temperature field

　　圖5為噴射冷卻液冷卻18秒的溫度場，由計(jì)算結(jié)果的溫度分布云圖可以看出曲軸在噴射冷卻液冷卻18秒后，表面溫度降至25℃，心部溫度為197℃。在冷卻過程中表面熱量向心部傳導(dǎo)使曲軸心部溫度升高。由于表面冷卻速度很快，超過了臨界冷卻速度，表面組織就轉(zhuǎn)變成馬氏體而心部組織不變。

圖 5 冷卻18秒的溫度場
Fig 5 The temperature field of cooling in 18 seconds

　　圖6為在空氣中長時(shí)間冷卻至室溫時(shí)的溫度場分布，在空氣中冷卻的時(shí)間約為2300秒。經(jīng)過長時(shí)間在空氣中冷卻，曲軸表面和心部都已回復(fù)到室溫25℃。此時(shí)的瞬態(tài)應(yīng)力可近似的作為殘余應(yīng)力。

圖6 空氣中冷卻2300秒后的溫度場
Fig 6 The temperature field of air cooling in 2300 seconds

　　4 殘余應(yīng)力場模擬計(jì)算

　　近幾年來國內(nèi)外對構(gòu)件在制成之前預(yù)測其殘余應(yīng)力的要求越來越迫切，計(jì)算金屬工件淬火過程殘余應(yīng)力，在力學(xué)上屬于分析一類熱彈塑性問題。

　　4.1 有限元模型

　　由于本文采用間接法計(jì)算應(yīng)力場，因此模型建立與網(wǎng)格剖分必須與溫度場的計(jì)算模型相同，將空氣與感應(yīng)線圈單元設(shè)為無效(NULL)單元，溫度場所用單元PLANE55轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元PLANE42，保持單元數(shù)與結(jié)點(diǎn)數(shù)不變。有限元模型與計(jì)算曲軸冷卻溫度場的有限元模型相同(見圖4)。

　　4.2 計(jì)算結(jié)果

　　圖7為淬火后連桿軸頸上軸向殘余應(yīng)力場的分布，平直段軸頸表面的殘余應(yīng)力達(dá)到了-666Mpa，曲軸心部殘余應(yīng)力值達(dá)到-369 MPa。

圖 7軸向殘余應(yīng)力分布圖
Fig 7 The axial residual stress distribution

　　圖8為軸頸平直段隨深度變化的軸向殘余應(yīng)力分布。橫坐標(biāo)表示曲軸內(nèi)的點(diǎn)到曲軸中心的距離，縱坐標(biāo)表示應(yīng)力值大小。從圖中可以直觀的看出曲軸表面集中很大的殘余壓應(yīng)力。離表面越遠(yuǎn)壓應(yīng)力越小，達(dá)到一定距離時(shí)，壓應(yīng)力為零，轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力。拉應(yīng)力先是增大，然后逐漸減小，中間出現(xiàn)極大值，曲軸心部為殘余壓應(yīng)力。

圖 8軸頸平直段隨深度變化的軸向殘余應(yīng)力分布
Fig 8 The axial residual stress distribution of journal with depth change

　　4.3 實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果比較分析

　　采用盲孔法對該曲軸的連桿軸頸進(jìn)行了殘余應(yīng)力測試。鉆孔時(shí)會(huì)引起附加應(yīng)變，因此測量結(jié)果有一定誤差。表1 為模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得到的殘余應(yīng)力比較。

表1 殘余應(yīng)力結(jié)果比較

　　由表1可以看出，計(jì)算模擬結(jié)果和實(shí)測值是基本吻合的，這說明采用計(jì)算機(jī)模擬淬火溫度場和殘余應(yīng)力場具有可行性，可以為優(yōu)化已處在開發(fā)階段的曲軸幾何形狀和殘余應(yīng)力分布提供參考。

　　5 結(jié)論

　　通過對曲軸感應(yīng)加熱淬火的溫度場數(shù)值模擬，可以更深入的分析感應(yīng)加熱及淬火過程中曲軸的溫度變化，以利于淬火工藝的深入分析及設(shè)計(jì)。由殘余應(yīng)力的計(jì)算模擬結(jié)果和實(shí)測值比較可知，采用計(jì)算機(jī)模擬淬火溫度場和殘余應(yīng)力場具有可行性，可以為優(yōu)化已處在開發(fā)階段的曲軸幾何形狀和殘余應(yīng)力分布提供參考。