曲面結(jié)構(gòu)廣泛的應(yīng)用于汽車、航天、船舶等各個(gè)領(lǐng)域,如車身覆蓋件的成形模具、大型齒輪和飛機(jī)的渦輪葉片等。這些零件龐大的體積和復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)不僅增加了加工成形難度,而且使得后期的表面強(qiáng)化非常困難。為了實(shí)現(xiàn)這些曲面工件易磨損區(qū)域的表面強(qiáng)化,本文采用了一種局部連續(xù)移動(dòng)感應(yīng)淬火強(qiáng)化方法。在強(qiáng)化過程中,電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及金屬相變之間存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系,材料物性參數(shù)也隨溫度呈非線性變化。當(dāng)該工藝應(yīng)用到曲面工件時(shí),工件的曲面結(jié)構(gòu)、感應(yīng)器與工件之間相對(duì)空間位置及運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性使得理論分析和驗(yàn)證更加困難。為了揭示三維曲面局部連續(xù)移動(dòng)感應(yīng)淬火強(qiáng)化機(jī)理,建立該強(qiáng)化過程的工藝設(shè)計(jì)理論和方法,本文以曲面工件為研究對(duì)象,對(duì)其強(qiáng)化過程開展理論分析,數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,具體的研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:首先從電磁場(chǎng)基本理論出發(fā),結(jié)合導(dǎo)磁體的槽口效應(yīng),運(yùn)用解析法得到了導(dǎo)磁體作用下的電磁場(chǎng)控制方程和相關(guān)邊界條件。通過有限元法求解了電磁場(chǎng)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(yīng)強(qiáng)度能更快到達(dá)峰值以及平衡狀態(tài),且在凸面橫向移動(dòng)或凹面縱向移動(dòng)的條件下,渦流密度分布能更快的進(jìn)入平衡狀態(tài)。其次,通過動(dòng)坐標(biāo)法并結(jié)合建立的電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)得到了曲面邊界局部連續(xù)移動(dòng)渦流生熱及傳熱控制方程。通過有限元法求解了強(qiáng)化過程溫度場(chǎng)的數(shù)值解析式。研究了不同移動(dòng)路徑下的溫度場(chǎng)分布的規(guī)律以及工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)最高溫度會(huì)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(nèi)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(dòng)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(yīng)器的加熱效率最佳,通過尺寸優(yōu)化,得出導(dǎo)磁體寬度應(yīng)為10mm,長度為20mm,高度大于飽和磁通密度高度。為了進(jìn)一步揭示強(qiáng)化過程的相變機(jī)理,結(jié)合交變磁場(chǎng)對(duì)相平衡的貢獻(xiàn)理論,推導(dǎo)了交變磁場(chǎng)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(chǎng)和加熱速率等參數(shù)對(duì)奧氏體化過程的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)當(dāng)加熱溫度達(dá)到居里點(diǎn)后,相對(duì)較弱的交變磁場(chǎng)(約為0.3T)也能對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變過程造成一定的影響。當(dāng)加熱速率最低時(shí)交變磁場(chǎng)對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變量影響程度最大時(shí),最大的轉(zhuǎn)變量影響值約為3%。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)凹面結(jié)構(gòu)始終會(huì)減弱交變磁場(chǎng)的影響區(qū)域范圍,且當(dāng)感應(yīng)器縱向移動(dòng)時(shí)凹面結(jié)構(gòu)的弱化作用最大。結(jié)合梅尼爾預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)了三維曲面局部連續(xù)移動(dòng)感應(yīng)淬火淬硬層分布的理論預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)當(dāng)感應(yīng)器為橫向移動(dòng)時(shí),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(dòng)更加均勻一致;當(dāng)感應(yīng)器為縱向移動(dòng)時(shí),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(dòng)更加均勻一致�；陧憫�(yīng)面法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,建立了強(qiáng)化后淬硬層分布的實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與淬硬層理論預(yù)測(cè)結(jié)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(qiáng)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(qiáng)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(dòng)感應(yīng)淬火強(qiáng)化過程的電磁場(chǎng)作用機(jī)理,建立了該過程的工藝設(shè)計(jì)理論和方法。研究結(jié)果對(duì)于提高曲面工件的局部表面強(qiáng)化技術(shù)具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG156.3
【部分圖文】：

相變之間存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系，材料物性參數(shù)也隨溫度呈非線性變化。當(dāng)該工藝應(yīng)用在曲面工件時(shí)，工件的曲面結(jié)構(gòu)、感應(yīng)器與工件之間相對(duì)空間位置及運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性使得理論分析和驗(yàn)證更加困難。學(xué)者們對(duì)于局部連續(xù)移動(dòng)感應(yīng)淬火工藝做了大量的探索，但應(yīng)用對(duì)象仍為平面工件，而且針對(duì)局部連續(xù)移動(dòng)感應(yīng)加熱的電磁場(chǎng)作用機(jī)理，如移動(dòng)渦流分布、交變磁場(chǎng)對(duì)快速奧氏體化過程的影響等還未開展相關(guān)的研究，沒有形成系統(tǒng)的三維曲面局部連續(xù)移動(dòng)感應(yīng)淬火工藝設(shè)計(jì)理論和方法，這使得局部連續(xù)移動(dòng)感應(yīng)淬火工藝還難以應(yīng)用在曲面工件。

合模型中預(yù)測(cè)的擠出力和膨脹力大小很好符合了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。夏永發(fā)等過引入復(fù)矢量磁位對(duì)電渣爐夾具感應(yīng)加熱過程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬夾具的溫度分布以及溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。張雪彪等學(xué)者[8]對(duì)鋼板中的高頻感應(yīng)加熱過程建立了數(shù)值模型并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析，通驗(yàn)證結(jié)果得出了板料電磁加熱時(shí)的電磁場(chǎng)分布規(guī)律和和溫度隨時(shí)間的。張根元等學(xué)者[9]研究了不同工藝參數(shù)下軸類工件的感應(yīng)加熱工藝。的技術(shù)性能要求，通過數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證制定了感應(yīng)加熱工藝參數(shù)法。Ivo Dole el 等學(xué)者[10]對(duì)薄金屬板的固定感應(yīng)加熱問題進(jìn)行了研究了電場(chǎng)矢量 T 和熱流量的條件下對(duì)金屬板上的渦流分布和熱源情況進(jìn)建模，通過模型計(jì)算可得到感應(yīng)加熱過程中的渦流分布。張化福等學(xué)新型電磁感應(yīng)加熱蒸汽發(fā)生器的電磁場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了構(gòu)對(duì)電磁場(chǎng)分布的影響。研究結(jié)果表明裝有碳鋼芯換熱元件的電磁場(chǎng)均勻。Patrick Guerrier 等學(xué)者[12]建立了軸對(duì)稱非線性有限元模型來描具的感應(yīng)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(yīng)加熱示意圖還有部分學(xué)者對(duì)電磁感應(yīng)工藝參數(shù)和系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。M.H. Tavakoli 等學(xué)者[22-24]對(duì) RF 型線圈的感應(yīng)加熱過程進(jìn)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(duì)磁場(chǎng)分布和渦流分布的影響。結(jié)果表明線圈和坩堝的截面尺寸和位置對(duì)渦流分布有著重要的影響，而當(dāng)工件高度小于等于線圈高度時(shí)，工件表面會(huì)存在渦流聚集過熱而導(dǎo)致溫度分布存在較大的不均勻性。Y. Favennec 等學(xué)者[25]將優(yōu)化控制程序嵌入到感應(yīng)加熱有限元模型中，通過移項(xiàng)把優(yōu)化問題中的弱耦合關(guān)系轉(zhuǎn)化為矩陣計(jì)算，建立了該過程工藝優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型�；菥У葘W(xué)者[26]推導(dǎo)出了感應(yīng)加熱過程與工藝參數(shù)（電流與時(shí)間）的溫度控制模型，并通過信號(hào)的實(shí)時(shí)運(yùn)算調(diào)控工藝參數(shù)，達(dá)到對(duì)工件溫度的間接控制。莊淑君等學(xué)者[27]通過人機(jī)界面（HMI）觸摸屏填表式參數(shù)設(shè)定技術(shù)、組態(tài)軟件實(shí)時(shí)曲線和歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)技術(shù)，結(jié)合可編程序控制器（PLC）控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)加熱工藝的在線控制優(yōu)化，以達(dá)到大
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本文編號(hào)：2892305