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毕业设计（论文） 开题报告

题目 端面感应加热淬火工艺的数值模拟

机械 院（系） 材料成型及控制工程 专业 0804班

学生姓名 李云飞 学 号 0802020422 指导教师 管建军

开题日期：2012年3月16日

一、 毕业设计（论文）题目的研究背景 1.1研究意义 表面淬火是热处理的一种工艺，仅对零件的表面进行处理，以达到零件表面的性能，而保持心部的性能不变。正确选择表面淬火工艺必须了解工件的工作情况和服役条件，零件的结构、形状以及使用的材料等各个方面，从生产和实用角度去考虑解决方案。原则是从实际出发且经济有效。 在许多情况下，采用表面淬火处理能够较理想地解决表面和心部性能要求不一致的矛盾，即既能改善表面强度、硬度和耐磨性，又能保持心部大塑性和韧性，使材料的潜力得到充分的发挥，满足生产技术要求。 1.2国内外研究现状 国际先进的感应淬火技术 1、电源 国外IGBT、MOSFET和SIT全固态晶体管电源技术逐步成熟，并已商品化、系列化，目前有1200kW、50kHz；50~100kHz、30~600kW；100kW、80kHz；低频段有取代晶闸管电源趋势；MOSFET多采用并联振荡电路，SIT多采用串联谐振电路，功率高达1000 kW、频率200kHz和400kW、400kHz。它们都是电子管式高频电源的理想替代产品。当输出功率与电子管电源相同时，节电35%～40%，节省安装面积50%，节约冷却水40%～50%。随着科技的进步，在高频感应淬火领域，MOSFET有望取代SIT。 2、淬火机床 感应淬火机床更加趋向自动化，CNC控制逐渐增多，自动分检零件与自动识别进机零件功能的机床增多。 （1）通用淬火机床 通用淬火机床朝柔性化方向发展，一台淬火机床可以对不同性能要求的不同零件感应加热淬火。德国研制的一种曲轴淬火机床，法兰件感应淬火柔性加工系统略加调整能处理不同尺寸的相似工件；对于轴类零件在一定直径范围内（如30mm）与长度300～800 mm范围内，对于相似淬火要求的轴类零件，淬火机能自动编制14种程序，自动识别进机零件；Robotron.Eiotherm最近推出了双主轴立式淬火机，在一个紧凑的工艺单元内进行工件的淬火与回火，能处理轮轴、三槽套及其他万向节件，转换工件只需2～5min，用计算机编程，根据工件号在2 min内就可调出有关工艺数据；一汽引进的GH公司数控淬火设备通用性强、自动化程度，在复杂零件上可实现多段变功变速，编程容易、操作方便。图1是GH公司的数控淬火机床。 图1 GH公司的数控淬火机床 （2）专用淬火机床 专用淬火机床更加专用化，采用机械手上下零件，加热、淬火、回火、校直、检查完全自动进行。先进的计算机控制技术可以监控并屏幕显示淬火过程和工艺参数，跟踪全部操作过程，如发现故障或工艺参数偏离给定值，便自动修正或自动列出不合格零件，使控制系统暂停工作并报警，同时屏幕上显示故障性质和所要修正的动作。更先进的控制系统还适应材料化学成分的波动，并自动调整比功率或加热时间，以保证感应淬火零件的质量。例如日本高周波热炼株式会社川崎工厂的卧式半轴淬火机床，上尾厂可同时淬三根半轴，群马厂可同时淬两根半轴，机床实际上是感应热处理生产线，全过程除校直、荧光探伤检查需一名工人外，其余全部自动进行。 （3）机器人的应用 日本高周波热炼株式会社制造的一台立式通用淬火机床上配置一台机器人，机器人将一个二匝的感应器进行依次平面扫描，使一块塑料板变色，虽然使用电源功率只3 kW，但也可以看出机器人在感应热处理中的应用趋势。 （4）机电一体化 将电源、淬火机床、冷却系统组成成套装置，具有占地面积小、生产效率高、一次安装调试容易等优点。国外最近问世的曲轴固定加热淬火装置占地面积仅为组合式成套装置的1/4。 3、淬火工艺 （1）静止式曲轴感应淬火 采用静止式曲轴感应淬火新技术的最初的两台装置在福特公司V6和V8曲轴淬火和回火工艺中得以应用，表现出了良好的市场前景。其特点是：加热时间短，一般仅为1.5～4s，传统工艺是7～12s；电效率高、成本低；感应器与工件之间允许有较大间隙，调整方便；操作简单、重复性好、易于维护；占地面积小，仅为原来的20%左右。 （2）低淬透性钢齿轮淬火 现在俄罗斯许多汽车工厂广泛采用低淬透性钢进行整体感应加热表面淬火，已大量应用于汽车、拖拉机后桥齿轮、挖掘机齿轮、传动十字轴、火车车厢用滚动轴承、汽车板簧、铁路螺旋弹簧等，取得了较大的经济效益。 （3）双频感应加热淬火 国外双频淬火主要用于齿轮。20世纪90年代，美国用10kHz中频和150kHz高频电源，先让齿轮在中频感应器中加热，然后迅速降到高频感应器中加热，最后落入油中淬火。进入21世纪，此工艺又有新进展，如GH公司采用电力电子开关转换频率，使齿轮的齿顶和齿跟的加热更加均匀，更好地

保证了齿轮的淬火质量。 我国汽车工业应用感应热处理技术现状 1、电源 电源是感应加热的关键设备之一，随着感应加热技术的发展，经历了机械式中频发电机组和真空管式高频电源、晶闸管中频电源及全晶体管电源三个发展阶段。在20世纪80年代后期，在工业发达国家，晶闸管中频电源已完全取代了中频发电机组，我国自90年代中期也已逐步取代。 同机械式中频发电机组相比，晶闸管（SCR）中频电源具有以下优点：体积小、重量轻、材料消耗少；电效率高，逆变停止时几乎不消耗电能，逆变效率可达90%以上；无机械运动、噪音小、运行可靠、负载匹配容易，可以根据负载情况确定电源的频率；启动停止方便，频率能自动跟踪以保持最佳运行状态；产品设计简单、制造周期短；安装容易，不需要特殊的基础；维修方便等。 我国的晶闸管中频电源的共同特点是全集成化控制线路数字化程度高于90%、启动成功率几乎达到100% 、除具有常规的水压不足、快熔熔断、过流、过压等保护功能外，还具有限流、限压等保护功能、功能较齐全的晶闸管电源还配置逆变失败、水温监视等可选功能，其频率最高可以作到8kHz，额定功率可以作到1000kW左右，如果在装配工艺上再进一步改进的话，可以接近世界先进水平。 随着技术的进步，跟踪80年代国际感应加热技术水平，我国于90年代中期开发出第一台电效率较高的50kW/50kHz IGBT电流型超音频感应加热电源(图2)。目前可做到频率0.4～50kHz、最大功率可达到800 kW，频率达到100kHz时功率达到100 kW 。 图2 IGBT电流型超音频感应加热电源 IGBT应用同期，我国还成功研制出20 kW/300kHz MOSFET高频电源，缩小了同国际先进水平的差距，随着大功率MOSFET器件的问世，大功率的晶体管高频电源有望年内在感应淬火中应用。 2、淬火工艺 随着汽车工业的迅速发展，我国采用感应淬火的零件的种类和品种不断增加。目前我国汽车零件感应淬火用材料包括：45#、40Cr、55MnVS、40MnB、42CrMo、35#、ZG45、球铁、合金铸铁等。感应加热淬火介质包括：水、聚乙烯醇、聚迷水溶性淬火介质、UCON、豪富顿251等。所采用的加热方式及应用主要包括：横向磁场静止一次加热淬火（销轴类零件、凸轮轴）；横向磁场连续加热淬火（减振器杆、变速叉轴、扭杆等）；横向磁场多段连续加热淬火（起动机轴、空压机轴等）；纵向磁场整体一次加热淬火（半轴等）；仿形感应器零件旋转加热淬火（球头销）；感应接触加热淬火（转向齿条）；内孔的一次及连续加热淬火（输出法兰、钟型壳内腔）；阶梯轴类零件的旋转加热淬火（小红旗后轮毂轴、转向节）；平面类零件的一次及连续加热淬火（钢板弹簧横向限位板）；薄壁类复杂

零件一次及连续加热淬火（前轮毂、滑动轴叉）；复杂形状零件的一次加热淬火（钟型壳变截面轴）；槽口一次淬火（变速叉）；复杂回线工件旋转一次加热淬火（曲轴）等。 3、淬火机床 为了适应多品种的批量生产，在汽车生产应用中，我国引进的感应淬火机床种类由传统的专用设备逐步向柔性化程度较高的通用设备和专用淬火自动生产线发展。 通用淬火机床方面，一汽技术中心开发的卧式数控淬火机床（图3）主驱动采用交流伺服电机拖动，移动速度稳定均匀、定位准确、重复精度高；零件旋转采用变频调速，能适应多方面工艺要求；采用能量和数控技术对不同性能要求的不同零件感应加热淬火，甚至在同一零件上实现多段变功变速，编程容易可操作性强。 图3 通用数控淬火机床 专用淬火机床方面，二汽和天舒机电科技有限公司经过多年努力，攻克一个个难关，采用功率脉冲分配技术、尾座自由顶尖技术、薄型淬火变压器技术、独立悬挂技术、悬挂平衡技术等分别研制成功曲轴全自动淬火机床（图4），与电源、水冷系统组成成套淬火设备可对车用内燃机曲轴进行各轴径的圆角+轴径淬火、轴径淬火自回火，采用计算机控制，通过显示屏对设备的加热、淬火工艺参数诸如电压、电流、频率、时间、压力、流量温度等进行监控和显示，目前国内多家采用。

图4 工作中的全自动曲轴淬火机床 这些机床在传动系统方面主要采用机械传动，代表现代机械传动技术的滚珠丝杠和直线导轨等先进技术被广泛采用；主驱动采用伺服数控、变频调速，移动速度稳定均匀；拖架定位准确，重复精度高；工件旋转采用变频调速取代固定转速，能适应多方面工艺要求；上下料系统采用较先进的步进链传动、托盘送进料、人工送取料。另外，在一条生产线中，大功率电源用于淬火，然后用较低功率回火，两个工序在一条生产线上自动完成，减少了重复上下工件的工序，降低了劳动强度，提高了生产效率。 4、其他器件及冷却系统 在气动式和接触器式功率切换器、电热电容器、淬火变压器、动作顺序控制及显示、变压器三维移动快换接头等方面，我国也取得了很多技术进步，使淬火技术和工艺水平不断提高。 对于冷却和淬火水循环装置，在消化理解国际感应加热成套设备用水冷系统最新技术基础上，我国自行研制成功适合我国国情的新型、高效、价廉的软水冷却机和水-水冷却机，换热效率高，大大提高了加热设备的可靠性，延长了设备的使用寿命。 认清差距，开拓进取 虽然近年来我国感应淬火技术得到了迅速发展，但与工业发达国家相比，还有相当大的差距。 MOSFET高频电源是工业发达国家的首选产品，而我国在高频段仍以晶闸管交流调压、高压硅堆整流、节能型电子管振荡器式电源为主；IGBT超音频电源有部分取代晶闸管中频电源的趋势，而我国在这方面的应用还不够普及；近些年来虽然晶闸管中频电源应用较为普遍，但由于老企业改造步伐的限制，还有部分中频停留在发电机组。 必须指出，虽然我国能够生产MOSFET、 IGBT和SIT感应加热淬火用电源，但品种和规格没有国外那么多、那么细，由于关键主要电力电子器件国内还不能生产，必须进口， 所以从性能和技术水平方面和国外相比仍有相当大的差距。 总体来说，和工业发达国家相比，我国的数控及全自动淬火机床开发属起步阶段。在自动化水平上，国内设备大部分是人工上下料，自动化程度较低；能量监控虽有应用但技术还不够成熟；FUNAC、SIMENS伺服系统有所应用，但多为点位直线运动，属简易型，多轴连动类型的数控系统尚未得到应用。另外，计算机控制技术在感应加热淬火中应用远不如国外那样成熟，例如自动识别进机零件、不合格零件自动剔除；工艺参数跟踪及偏离给定值修正等。在感应器制造技术、感应器快换、导磁体材料与利用、冷却水循环系统、淬火介质研究与应用等方面也有相当大的差距。 鉴于这些差距，我国应积极行动，建立严格的引进消化政策，避免重复引进，限期淘汰耗能严重的电源，集中力量开发短缺部件，提高淬火机床配套质量等，使感应加热技术迅速赶上世界先进水平。

二、主要研究内容 （1）检索资料。翻阅《整体感应加热表面淬火法》、《Cr12钢常压等离子束表面淬火研究》、《感应加热表面淬火淬硬层的无损检测》《利用高频设备实现锁闭齿轮深层加热表面淬火》等相关资料，查阅出感应加热表面淬火方面的研究结果，并重点研究在淬火领域上的重要科技成果。 （2）利用ANSYS软件对表面淬火进行数值模拟。 （3) 针对感应加热表面淬火领域的上的研究，了解必要的实验原理和结论。通过实验做出结论，探究在表面淬火领域的应用。 （4）撰写毕业论文。分析实验结果，总结实验的得失；按照毕业论文的格式要求，撰写毕业论文。

三、拟采用哪些方法及手段 主要采用检索资料，针对某个重点的研究方向，展开对资料的熟悉和理解。引用重要的理论为依据，探究表面感应淬火在各个领域的再利用。 四、完成题目所需要的条件 了解表面淬火技术的内容，学会ANSYS软件的数值模拟操作，参阅表面感应淬火技术的相关文献。

五、完成题目的工作计划 起讫日期 2012,2 ,28 2011,3,15 2012,3,152012,3,28 2012,3,292012,4,6 2012,4 ,7 2012,4,14 2012,4 ,15 2012,4,22 2012,4 ,23 2012,5,9 2012,5,10 2012,5,15 2012,5,162012,5,23 2012,5,242012,5,31 2012,5,212012,6,26 工 作 内 容 文献检索；撰写开题报告；开题答辩 准备必要的文献资料 针对端面感应加热淬火工艺的数值模拟进行研究和探索 感应加热的应用 淬火工艺的应用 利用ANSYS软件进行模拟处理 撰写中期检查报告；中期答辩 淬火性能测试 重点研究淬火工艺领域上所进行的实验结论 撰写论文；毕业答辩

查阅资料、文献目录 主要参考文献： (1) 刘洪涛等。感应加热表面淬火淬硬层的无损检测。 金属热处理，2005，2 (2) 马鹏飞。 飞锤V形槽高频感应加热表面淬火工艺参数的设计。 热加工工艺，2004，4 (3) 冯颖璋。 中频感应加热表面淬火 电流透入深度 有效淬火层深度。 大型铸锻件，2001，4 (4) 车轴感应淬火技术研究。 金属热处理，2001，8 (5) 谢樊揆。 整体感应加热表面淬火法。 金属热处理，1993，7 (6) 彭竹琴。 Cr12钢常压等离子束表面淬火研究。 中原工学院学报，2003，2 (7) 康永林,陈庆军,王克鲁,等。 700MPa级低碳贝氏体钢的热处理工艺研究。 材料热处理学报,2005,3 (8) 杨凤祥。 利用高频设备实现锁闭齿轮深层加热表面淬火。 机车车辆工艺，1994，2 (9) 杨洗陈。 激光宽带淬火机理及应用研究。 中国机械工程，2004，3 (10) 赵忠。 金属材料及热处理。 机械工业出版社， 2000. (11) 雷廷权。 金属热处理工艺方法500种。 机械工业出版社, 1998, 10. （12）DONG H. KIM, JOHN G. SPEER, HAN S. KIM, and BRUNO C. DE COOMAN Observation of an Isothermal Transformation during Quenching and Partitioning Processing The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International 2009 （13）J. Yuan, J. Kang, Y. Rong, and R.D. Sisson, Jr. FEM Modeling of Induction Hardening Processes in Steel Submitted 25 March 2003 （14）刘继全。 感应加热的热计算模型。 大型铸段件，2003，3 （15）杨连弟。 感应加热淬火技术的发展。 汽车工艺与材料，2003，3

指导教师意见： 指导教师签字： 2011年3月16日 教研室意见： 教研室主任签字： 年 月 日