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电动汽车用斜齿轮渗碳淬火数值模拟与工艺优化
| 论文题名： | 电动汽车用斜齿轮渗碳淬火数值模拟与工艺优化 |
| 关键词： | 电动汽车;斜齿轮渗碳淬火;数值模拟;工艺优化 |
| 摘要： | 渗碳淬火热处理工艺作为改善齿轮使用性能最常见的热处理工艺方式，能够使齿轮工件表层形成高强度、高硬度和高耐磨性的渗碳层，同时在齿轮心部仍保持较高的韧性。由于在渗碳淬火过程中齿轮内部的组织转变和温度变化存在不同时性，造成了热应力和组织应力的产生。这种复杂的应力使齿轮发生的变形难以控制，严重影响使用性能和服役寿命。因此齿轮变形的精确控制是目前渗碳淬火热处理工艺最大的技术难题。本文利用COSMAP软件对复杂斜齿轮的渗碳淬火过程进行模拟，研究了斜齿轮渗碳淬火后性能的变化规律，并对热处理工艺进行优化，为实际生产提供便利。 以20CrMnTiH钢制作的电动汽车用斜齿轮为研究对象，分析了复杂斜齿轮渗碳淬火模型的预测精度。通过查阅资料和利用JMatPro软件获取了计算过程所需要的材料热物性参数。根据渗碳淬火工艺的要求，基于温度、扩散和相变的多场耦合效应，建立了渗碳淬火的有限元模型。结合实际的热处理工艺，对传动斜齿轮的渗碳淬火工艺过程进行数值模拟。利用实验手段对实际样品的微观组织形貌、硬度及变形量进行表征。实验结果表明硬化层组织为针状马氏体和少量残余奥氏体，最高硬度约为778HV1，有效硬化层深度约为0.75mm，螺旋线总偏差Fβ值为14.7μm。测量结果与模拟结果相吻合，两者具有较好的一致性，验证了有限元模型的有效性。 利用有限元模型研究了渗碳淬火工艺参数对复杂斜齿轮热处理后性能的影响规律。结果表明渗碳温度的提高和保温时间的延长会增加渗层厚度。渗碳温度的变化对表层马氏体及硬度产生影响较小；伴随着保温时间的延长，表层马氏体含量及硬度均呈现升高的趋势；在冷却速度较快时马氏体的含量和硬度值均增大，在最大冷速时存在最大值。研究了强渗时间、扩散时间、渗碳温度和冷却速度对变形量的影响，其中以冷却速度的影响较明显，可以极大的降低齿轮产生的变形量。 通过正交实验法和BP神经网络两种方法，对渗碳淬火工艺参数进行优化。利用正交实验法，设计四因素三水平的正交实验表。将渗碳温度、强渗时间、扩散时间和冷却速度作为试验因素，变形量和螺旋线总偏差Fβ作为性能指标，进行极差分析得到最佳工艺参数组合。同时利用MATLAB工具箱，构建了4×15×2的三层渗碳淬火工艺BP神经网络模型，并验证了所设计模型的实用性。模型预测结果准确，为渗碳淬火热处理工艺的设定及实际生产应用提供了新的方法，具有一定工程实际意义。 |
| 作者： | 杨帅 |
| 专业： | 材料工程 |
| 导师： | 王建刚;杨道荣 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 河北科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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