凸轮轴氩弧重熔淬火温度的计算机仿真

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欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 作为发动机配气机构中的主要零件—凸轮轴的主要作用是保证气阀按一定的时间开启和关闭，凸轮与气阀挺杆组成一对摩擦副。凸轮轴在工作过程中除受一定的弯曲和扭转载荷外，主要是凸轮部分承受变化的挤压应力以及挺杆的摩擦。凸轮轴的主要损坏形式是凸轮表面因挤压应力的反复作用而造成的麻点或表面剥落现象。所以，要求凸轮轴具有相应的强度和刚度外，还应具有良好的耐接触疲劳和耐磨性能。近些年来，国内一些汽车厂已相继采用钨极氩弧重熔淬火处理，强化凸轮表面。 钨极氩弧重熔淬火是提高汽车发动机凸轮轴表面强度和耐磨性的重要工序，但在企业生产过程中也发现淬火后加工部件存在缩孔、塌边、表面凹陷等质量缺陷。目前国内外研究消减重熔淬火缺陷的手段主要有理论分析和实验测试两种方法。 本文建立在重熔淬火温度计算模型基础上，利用MatLab工程软件，通过计算机仿真手段改变影响淬火温度变化的各参数来分析氩弧重熔淬火这一热处理过程。重熔淬火温度模型的建立凸轮轴由于其工作条件及结构特征，淬火区域一般分为如图1所示的A、B两区，由于A、B两区的形状差异较大，同时淬火后对A、B两区重熔层的质量检验标准不同，故而在课题研究中，把B区重熔淬火过程近似简化为如图2，长平板的重熔淬火过程；A区外轮廓和圆弧极为相似，用如图3所示的部分圆柱模型来模拟A区淬火过程。 得到了凸轮轴重熔淬火工艺的简化模型后，进一步建立淬火热源模型。实际热源一般并非理想分布，经过比较，采用与实际热源分布最为接近的双椭圆高斯热源模型，将热源模型代人热传导方程。得到热源数值模型后进一步建立整个重熔淬火温度场的数学模型。熔枪在A、B两区的运动轨迹存在差异，故而需先分别建立A区部分圆柱温度场模型和B区（左、右B区情况相似）平板温度场模型，再进行叠加得到整体淬火温度场模型。 模型建立之后经初步仿真检验，发现B区、A区在各自范围内的重熔淬火表面各点的温度是连续的，但在两个不同区域的连接处温度发生突变，且跳跃幅度比较大。这说明在建立数学模型时，各个区域之间缺乏相互有效衔接系数。为了得到不同区域交界处的温度连续性，引入C1、C2、C3三个修正参数，其中C1=270-［（t-35）/10］X 25，C2=[（t-30）/10］x 26，分别使左B区与A区、A区与右B区之间温度场连续变化，C3=exp[-0.197（30-t）/10]，使得整体温度场的仿真结果更接近实际数值。 重熔淬火温度计算机仿真 得到经过修正的温度模型后，借助Matlab工具软件，编制温度场数值程序并凭借Matlab的仿真环境可以得到凸轮上任意一点的热循环曲线和任意时刻的凸轮轴重熔淬火温度分布（表1）同时，通过对模型主要参数的不同取值和比较，也能定性验证淬火过程中各主要参数对淬火温度仿真结果的影响。 1、凸轮轴表面热循环曲线 分别取凸轮左B区上坐标值为x=12，y=7 5的点E和凸轮A区坐标值为x=34，y=9的点F，根据凸轮轴温度场数学表达式分别计算得到在重熔淬火时间间隔区间内的温度热循环曲线图4和图5。熔枪运动lls后仍停留在左B区，经过40s后运动到右B区。由热传导理论，P点处于淬火起始处，初始温度即达到最高值，后随着熔枪远离，温度逐渐下降；Q点位于桃尖A区范围，熔枪相对于该点形成先逐步靠近再逐渐远离的运动，故而温度先升高再逐渐冷却。图4和图5反映出的由MatLab计算得到的这两类点的温度变化趋势符合热传导理论的规律。 2、凸轮轴表面局部淬火温度分布 以重熔淬火开始后第处为例。当熔枪从初始位置经过到达凸轮A区某一位置时，我们以凸轮左B区域中，的正方形范围作为研究对象，方向和方向取值间隔均为0.5mm，通过温度场数值模型分别计算该区域内121个点在时的温度值，然后利用MatLab生成凸轮左B区域的局部温度场图6。由局部温度场图可以看出，该区域内的点的x坐标随着沿凸轮周向方向逐步靠近熔枪在第28s时所在的位置，其温度呈现升高明显趋势；同时随着点的Y坐标的变化，其沿轴向的温度变化情况虽然不如周向那么显著，但同样也有不断上升的趋势，即凡是靠近熔枪所在位置的该区.域内的点的温度均高于远离熔枪位置的该区域内的其他点的温度。 3、热流密度对淬火温度的影响 重熔淬火的电流强度影响淬火后的硬度和深度，而由的关系，可知，对热流密度的研究也在一定程度上反映电流强度对温度变化的影响。 取凸轮左B区点H（x=17，y=6.5）为例，分别计算该点在不同热流密度值（值以3%的比例递增）的影响下，从熔枪运动第los处开始，每间隔los的温度值，结果如表2所示。由表可知，在时间不变的情况下，该点处的温度随热流密度值的增加而增加。而根据热传导理论，热流密度的增大，将使凸轮局部范围内热量增加，熔池深度加深，热影响区扩大。分析表的最后一行，当t=50s时，熔枪早已远离M点所在的左B区，此时该区域内的点的温度均呈现冷却趋势，而在不同热流密度的作用下，冷却幅度不尽相同，热流密度越高，冷却越慢，温度下降范围越小，这也再一次证明了热流量对重熔淬火过程具有重要影响。 4、热源参数对淬火温度的影响 双椭圆高斯模型参数中的ff、f'，分别为总的输入功率在熔池前后二部分的分配指数，它们之间存在ff＋fr=2的关系；Wxl、wx2.WY为热源分布参数。凸轮轴氩弧重熔淬火过程虽然与钨极氢弧焊有相类似之处，但无论从I.件形状、加工要求和温度变化等方面而言都有本质的区别。在重熔淬火过程中，钨电极产生的电弧将凸轮表面灰铸铁加热产生的温度高达，这一要求是我们在选择热源参数时特别要注意的。在我们的温度场模型中，分别取wx=1，wx2=2，wy＝1，ff＝0.7，fr=1.3，在模型仿真过程中一般最高温度接近1300℃，最低温度在500℃左右，高于加工件的预热温度，能比较准确的反映实际重熔淬火情况。 结束语 氨弧重熔淬火数学模型的仿真结果能为企业在进行具体技术改造前提供一个参考依据。当然，数学模型只是抓住了主要的技术参数而忽略一些次要的影响因素，而往往一些不重要的因素在实际生产过程中却在一定程度影响淬火质量和缺陷的形成。模型的仿真的根本目的在于从总体趋势上定性反映重熔淬火的热处理过程，有条件情况下，可以与现场实际测试工作相结合，使仿真效果更为理想。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/30/2008)