加工变形原因分析及工艺诊断

图10 三轴淬火过程各时刻温度场变化11秒（左）、12秒（右） 

图9　三轴淬火过程各时刻温度场变化6秒（左）、10秒（右）

图8　渲染（放大）后的径向、环形、轴向变形

图7　温度场、应力场、变形

图6　3维6面体网格划分

图5　3维模型

图４　3维热处理仿真径向变形结果（左），轴向变形结果（右）

图3　轴对称2维几何模型→划分2维网格→渗碳、淬火热处理等效应力

图2　齿轮轴材料参数

图1　齿轮轴

“变形”是指由于应力、温度、时间、环境介质以及人为操作等因素造成的结构件的实际尺寸与理想尺寸之间的偏差，当其超过了设计指标允许的范畴，便会凸显为结构件的“变形问题”——部分甚至全部丧失原有的功能。结构件的“加工变形”问题是由残余应力、切削力、切削热、装夹等多种因素的耦合造成的，由于上述因素的隐蔽性与偶然性，难以凭借经验根据现场记录对上述变形原因进行逐一排查；结构件加工过程的复杂程度——成型、热处理及切削加工等多重工序作用结果的累积效应，进一步增加了加工变形原因分析的难度。

加工变形原因分析与工艺诊断是通过实验检测辅助加工工艺仿真，寻求和探索制造加工的变形原因、规律和机理，建立加工变形的预测模型，为优化制造加工工艺提供理论依据，从而减少和避免相似变形问题的重复发生。

输出长齿轮轴工艺诊断案例

大型输出长齿轮轴是应用于水电、风电、船舶动力等领域传动系统中的关键部件，通常的加工工艺为：锻造-退火-正火-粗加工-滚齿-渗碳-淬火-回火-精加工。由于处在传动系的末级，工作环境为高周次、低载荷（增速箱），或者低周次、高载荷（减速箱），因此，必须通过合金化与热处理强化力学性能，并通过提高加工与装配精度保证其动平衡性。然而，为了保证材料的可加工型与成品力学性能而引入的复杂热处理工艺，在零件的成型与加工过程产生机械-温度的强耦合，严重的影响尺寸精度，同时，其工艺复杂性及其与诸多因素的二次耦合，为变形原因的排查及解决方式的探究增加了新的难度。

齿轮轴材料为18CrNiMo（材料参数见图2），其变形形式主要包括：轴向变形、径向变形与翘曲变形。由于合金钢热处理变形主要表现为热应力变形，因此采用有限元热固耦合的方式加以仿真分析。

本案例首先对工件进行二维轴对称模型的热处理仿真分析，目的是排除非对称因素，得到工件沿轴向及径向的变形量，从而确定热处理温度场变化对齿轮轴径缩、轴缩变形的影响程度；继而对齿轮轴进行三维实体建模，并分析齿轮轴翘曲变形的影响因素及影响程度；最后，考虑淬火工艺中其他环境因素对变形的影响，并得出齿轮轴热处理变形的影响成分。

一、 热处理的二维轴对称模型分析

为减少计算量，忽略轮齿的影响，忽略倒角，建立轴对称模型，建立Cupled Temperature-Displacement完全热力耦合分析步，分十一个载荷步分析渗碳和淬火的全过程。采用完全热力耦合单元CAX4T单元划分网格。施加轴对称约束，切换到柱坐标，约束对称轴线径向自由度和中间一点的环向自由度。最后，轴与周围的环境介质进行对流换热，不同的换热介质不同的环境温度分别赋予不同的换热系数并求解。

二、 热处理过程的三维仿真：

对比二维和三维热处理仿真结果，发现工件经过热处理后轴向与径向变形情况与工件的实际变形十分接近，因此可以确定上述变形主要是由于热处理工艺环节的温度场变化造成的。但三维仿真得到翘曲变形与实际情况仍存在一定差距，关于该部分变形的原因还需要进行进一步的分析。

三、 其他因素仿真分析：

由上述分析可见，齿轮轴热处理变形主要是由于温度场变化不均匀导致的热应力造成的。真实的热处理过程中对工件温度、温度变化速度、变形等的影响因素更为复杂，还包括：

工件进入淬火前的残余应力与变形情况；

工件淬火过程的入油速度与入油顺序；

淬火过程中工件与淬火油温度场的耦合作用；

淬火工程中工件的摆放方式；

淬火过程中淬火油液池的容量、材质及其与油液的热交换方式等。

综合考虑上述因素后，进行多轴淬火过程仿真，并以横截面代替整根轴，观察上述因素对圆截面上温度场变化的影响如下图：

由上图可知，建立“轴—液—池”淬火过程温度—应力变化模型，在整个淬火降温过程中，温度梯度不再单纯沿齿轮轴径向分布，而是根据多根轴的相对位置关系，呈现靠近几何中心位置的温度较高，四周温度较低的分布规律。而该温度梯度分布规律将显著影响齿轮轴的淬火应力，及其淬火后的变形特征，尤其是翘曲变形。

下表进行了两种条件下的齿轮轴淬火仿真结果与实际情况的相似度对比，复杂仿真条件下对齿轮轴翘曲变形的仿真准确性有显著提高。可见，根据上述变形机理与原因分析，已经建立了相对准确的工件热处理变形模型，并可依次模型及对应的变形原因，在仿真环境下快捷、高效的以较低成本指导并设计相应的热处理工艺优化方案。

在广义的“失效分析”领域，按材料的损伤机理分类，变形问题与材料的断裂、磨损、腐蚀问题为材料失效的四种主要形式。同时，变形问题可分为加工阶段的即时变形与服役阶段的延迟变形，由于后者主要是由于前者引入的残余应力与工况载荷、时间、温度等因素耦合造成的，因此，有必要建立加工过程仿真及变形预测模型，完善工艺诊断与加工变形分析体系，为加工变形问题解决方案的探寻提供快捷、高效、直接的路径。