曲面結構廣泛的應用于汽車、航天、船舶等各個領域,如車身覆蓋件的成形模具、大型齒輪和飛機的渦輪葉片等。這些零件龐大的體積和復雜的曲面結構不僅增加了加工成形難度,而且使得后期的表面強化非常困難。為了實現(xiàn)這些曲面工件易磨損區(qū)域的表面強化,本文采用了一種局部連續(xù)移動感應淬火強化方法。在強化過程中,電磁場、溫度場、應力場以及金屬相變之間存在著復雜的耦合關系,材料物性參數(shù)也隨溫度呈非線性變化。當該工藝應用到曲面工件時,工件的曲面結構、感應器與工件之間相對空間位置及運動的復雜性使得理論分析和驗證更加困難。為了揭示三維曲面局部連續(xù)移動感應淬火強化機理,建立該強化過程的工藝設計理論和方法,本文以曲面工件為研究對象,對其強化過程開展理論分析,數(shù)值模擬和實驗研究,具體的研究內容包括以下幾個方面:首先從電磁場基本理論出發(fā),結合導磁體的槽口效應,運用解析法得到了導磁體作用下的電磁場控制方程和相關邊界條件。通過有限元法求解了電磁場控制方程的數(shù)值解析式。通過基本規(guī)律的探尋發(fā)現(xiàn),最大渦流密度比磁感應強度能更快到達峰值以及平衡狀態(tài),且在凸面橫向移動或凹面縱向移動的條件下,渦流密度分布能更快的進入平衡狀態(tài)。其次,通過動坐標法并結合建立的電磁場數(shù)學模型,推導得到了曲面邊界局部連續(xù)移動渦流生熱及傳熱控制方程。通過有限元法求解了強化過程溫度場的數(shù)值解析式。研究了不同移動路徑下的溫度場分布的規(guī)律以及工藝參數(shù)對溫度場分布的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)最高溫度會出現(xiàn)一定的延遲現(xiàn)象,不同工藝參數(shù)下線圈有效投影區(qū)域內的平均延遲距離都在3mm左右,約為投影區(qū)域長度的1/3。不同移動路徑和工件形狀下溫度均勻性范圍為81%~84%,而不同工藝參數(shù)下為74%~82%。為使感應器的加熱效率最佳,通過尺寸優(yōu)化,得出導磁體寬度應為10mm,長度為20mm,高度大于飽和磁通密度高度。為了進一步揭示強化過程的相變機理,結合交變磁場對相平衡的貢獻理論,推導了交變磁場作用下的曲面局部快速奧氏體化模型。通過該模型研究了交變磁場和加熱速率等參數(shù)對奧氏體化過程的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)當加熱溫度達到居里點后,相對較弱的交變磁場(約為0.3T)也能對奧氏體轉變過程造成一定的影響。當加熱速率最低時交變磁場對奧氏體轉變量影響程度最大時,最大的轉變量影響值約為3%。同時也發(fā)現(xiàn)凹面結構始終會減弱交變磁場的影響區(qū)域范圍,且當感應器縱向移動時凹面結構的弱化作用最大。結合梅尼爾預測模型,實現(xiàn)了三維曲面局部連續(xù)移動感應淬火淬硬層分布的理論預測,發(fā)現(xiàn)當感應器為橫向移動時,不同工件形狀下表面過渡區(qū)的組織硬度分布梯度相比于縱向移動更加均勻一致;當感應器為縱向移動時,不同工件形狀的深度過渡區(qū)的組織硬度分布梯度相比于橫向移動更加均勻一致�；陧憫娣ㄔO計實驗方案,建立了強化后淬硬層分布的實驗預測模型,實驗驗證與淬硬層理論預測結果規(guī)律一致。最后,通過淬硬層摩擦磨損性能的研究,發(fā)現(xiàn)強化后平面、凸面和凹面的最小磨損量減少率分別為69.2%、77.6%和42.1%,確立了強化工藝的有效性。本文研究揭示了三維曲面局部連續(xù)移動感應淬火強化過程的電磁場作用機理,建立了該過程的工藝設計理論和方法。研究結果對于提高曲面工件的局部表面強化技術具有重要的學術價值和實際意義。
【學位單位】：武漢理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG156.3
【部分圖文】：

相變之間存在著復雜的耦合關系，材料物性參數(shù)也隨溫度呈非線性變化。當該工藝應用在曲面工件時，工件的曲面結構、感應器與工件之間相對空間位置及運動的復雜性使得理論分析和驗證更加困難。學者們對于局部連續(xù)移動感應淬火工藝做了大量的探索，但應用對象仍為平面工件，而且針對局部連續(xù)移動感應加熱的電磁場作用機理，如移動渦流分布、交變磁場對快速奧氏體化過程的影響等還未開展相關的研究，沒有形成系統(tǒng)的三維曲面局部連續(xù)移動感應淬火工藝設計理論和方法，這使得局部連續(xù)移動感應淬火工藝還難以應用在曲面工件。

合模型中預測的擠出力和膨脹力大小很好符合了實驗結果。夏永發(fā)等過引入復矢量磁位對電渣爐夾具感應加熱過程進行了有限元數(shù)值模擬夾具的溫度分布以及溫度隨時間的變化規(guī)律。張雪彪等學者[8]對鋼板中的高頻感應加熱過程建立了數(shù)值模型并進行了相應的實驗分析，通驗證結果得出了板料電磁加熱時的電磁場分布規(guī)律和和溫度隨時間的。張根元等學者[9]研究了不同工藝參數(shù)下軸類工件的感應加熱工藝。的技術性能要求，通過數(shù)值仿真和實驗驗證制定了感應加熱工藝參數(shù)法。Ivo Dole el 等學者[10]對薄金屬板的固定感應加熱問題進行了研究了電場矢量 T 和熱流量的條件下對金屬板上的渦流分布和熱源情況進建模，通過模型計算可得到感應加熱過程中的渦流分布。張化福等學新型電磁感應加熱蒸汽發(fā)生器的電磁場分布進行了數(shù)值模擬，獲得了構對電磁場分布的影響。研究結果表明裝有碳鋼芯換熱元件的電磁場均勻。Patrick Guerrier 等學者[12]建立了軸對稱非線性有限元模型來描具的感應加熱過程，模型中考慮了飽和磁通并得到了磁力線的分布。

（a）縱向磁通 （b）橫向磁通圖 1-3 縱向磁通和橫向磁通感應加熱示意圖還有部分學者對電磁感應工藝參數(shù)和系統(tǒng)進行了優(yōu)化。M.H. Tavakoli 等學者[22-24]對 RF 型線圈的感應加熱過程進行了數(shù)值研究。在一系列的研究工作中分別考慮了線圈和坩堝的截面尺寸、位置以及被加熱工件的高度對磁場分布和渦流分布的影響。結果表明線圈和坩堝的截面尺寸和位置對渦流分布有著重要的影響，而當工件高度小于等于線圈高度時，工件表面會存在渦流聚集過熱而導致溫度分布存在較大的不均勻性。Y. Favennec 等學者[25]將優(yōu)化控制程序嵌入到感應加熱有限元模型中，通過移項把優(yōu)化問題中的弱耦合關系轉化為矩陣計算，建立了該過程工藝優(yōu)化的數(shù)學模型�；菥У葘W者[26]推導出了感應加熱過程與工藝參數(shù)（電流與時間）的溫度控制模型，并通過信號的實時運算調控工藝參數(shù)，達到對工件溫度的間接控制。莊淑君等學者[27]通過人機界面（HMI）觸摸屏填表式參數(shù)設定技術、組態(tài)軟件實時曲線和歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)技術，結合可編程序控制器（PLC）控制技術實現(xiàn)了感應加熱工藝的在線控制優(yōu)化，以達到大
【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 Radim Zima;劉穎;;基于車軸感應淬火技術延長輪對壽命[J];國外鐵道機車與動車;2018年02期

2 程甲兵;;細長件多面感應淬火工藝改進[J];金屬加工(熱加工);2016年01期

3 陳珺;張根元;趙正陽;;45鋼光軸連續(xù)感應淬火過程的數(shù)值模擬[J];金屬熱處理;2016年04期

4 汪廣志;羅來軍;謝超;張占崎;陸嬌;;中頻感應淬火機研發(fā)與應用[J];熱處理技術與裝備;2016年03期

5 張立平;張學強;李永真;;發(fā)動機曲軸感應淬火工藝[J];金屬加工(熱加工);2015年01期

6 胡延平;徐強;唐華峰;宋東奇;駱漢豐;;基于ANSYS的多點式中頻感應淬火溫度場有限元模擬[J];金屬熱處理;2015年04期

7 杜岡峰;岳淵淵;白翎;程瑩瑩;郭文霞;;關于感應淬火層深度測量方法的討論[J];拖拉機與農用運輸車;2015年03期

8 郝豐林;;影響感應淬火質量的幾個因素[J];金屬加工(熱加工);2014年S2期

9 范惠章;;冠形扇齒疊加式掃描感應淬火工藝[J];金屬加工(熱加工);2013年05期

10 謝學興;;感應淬火案例分析[J];金屬加工(熱加工);2013年S1期

相關博士學位論文 前3條

1 高愷;三維曲面局部連續(xù)移動感應淬火強化機理與規(guī)律研究[D];武漢理工大學;2018年

2 李繼山;曲軸電磁感應淬火強化影響數(shù)值模擬研究[D];北京理工大學;2015年

3 高杰維;表面凹坑缺陷對高速列車車軸鋼疲勞性能影響研究[D];西南交通大學;2017年

相關碩士學位論文 前10條

1 陸鵬;半軸感應淬火工藝分析及仿真與實驗研究[D];西南交通大學;2018年

2 張超凡;高速鋼冷軋工作輥感應淬火過程數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化[D];燕山大學;2018年

3 朱生霄;多道次點式連續(xù)移動感應淬火機理研究[D];武漢理工大學;2015年

4 張向陽;基于網絡的感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)設計[D];長江大學;2017年

5 吳迪;感應淬火數(shù)值模擬研究[D];天津大學;2005年

6 高愷;曲面模具點式感應淬火的數(shù)值模擬研究[D];武漢理工大學;2014年

7 李忠華;凸輪共軛感應淬火機構設計及感應加熱數(shù)值模擬[D];重慶大學;2012年

8 李宗鍵;曲軸電磁感應淬火及材料力學性能預測模擬研究[D];北京理工大學;2016年

9 范金龍;船用柴油機凸輪軸感應淬火及磨削工藝有限元分析與研究[D];江蘇科技大學;2017年

10 龔玉霞;曲軸電磁感應淬火殘余應力模擬及其對圓角應力影響的研究[D];中北大學;2012年

本文編號：2892305