本發(fā)明屬于齒輪加工，本發(fā)明涉及一種斜齒輪成形磨削溫度預(yù)測方法、系統(tǒng)及存儲(chǔ)介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、漸開線斜齒輪作為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、機(jī)床和國防裝備等眾多工業(yè)領(lǐng)域。斜齒輪的制造精度和加工質(zhì)量直接影響斜齒輪的傳動(dòng)精度、承載能力和使用壽命。為了滿足日益增長的對(duì)齒輪承載能力和疲勞壽命的需求，需嚴(yán)格控制磨削后齒面表層材料的綜合物理機(jī)械性能。磨齒加工是一個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)且多變量耦合的非線性過程，在此過程中，由于熱力耦合的直接作用，磨削高溫會(huì)造成齒面表層微觀組織結(jié)構(gòu)的改變、齒形誤差增大、齒面硬度的降低以及齒面殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生，并降低齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度。因此，對(duì)磨削溫度的分析和預(yù)測一直受到齒輪加工領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注。

2、現(xiàn)有的普通有限元仿真方法預(yù)測斜齒輪成形磨削溫度時(shí)，僅僅考慮了單一的磨削過程，忽視了磨削前的滲碳淬火等熱處理工藝影響。實(shí)際上，對(duì)于大多數(shù)的重載齒輪鋼，若熱處理后殘余應(yīng)力分布不均勻，會(huì)影響齒輪在磨削時(shí)的應(yīng)力釋放，導(dǎo)致各部分變形量不協(xié)調(diào)，直接影響后續(xù)齒輪磨削加工時(shí)的溫度分布。同時(shí)，熱處理過程會(huì)顯著改變齒輪硬度，而較高的硬度需要更高的磨削力和磨削溫度。因此，綜合考慮斜齒輪熱處理工藝對(duì)磨削溫度的影響，對(duì)于分析磨削質(zhì)量，優(yōu)化工藝參數(shù)至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種斜齒輪成形磨削溫度預(yù)測方法、系統(tǒng)及存儲(chǔ)介質(zhì)，解決現(xiàn)有有限元仿真預(yù)測方法存在的精度低、準(zhǔn)確性差的問題。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

3、一種斜齒輪成形磨削溫度預(yù)測方法，包括以下步驟：

4、s01：對(duì)斜齒輪滲碳工藝進(jìn)行有限元建模；

5、s02：計(jì)算斜齒輪碳濃度分布；

6、s03：對(duì)斜齒輪淬火、回火工藝進(jìn)行有限元建模；

7、s04：根據(jù)得到的碳濃度分布對(duì)組織轉(zhuǎn)變的影響，并結(jié)合溫度場傳熱計(jì)算、相變動(dòng)力學(xué)和熱彈塑性本構(gòu)關(guān)系，對(duì)斜齒輪熱處理后的齒面變形量進(jìn)行計(jì)算；

8、s05：以計(jì)算得到的齒面變形模型為基礎(chǔ)進(jìn)行斜齒輪成形磨削建模；

9、s06：結(jié)合斜齒輪成形磨削幾何接觸關(guān)系、移動(dòng)熱源理論、熱流分配比和熱彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行斜齒輪成形磨削溫度計(jì)算。

10、優(yōu)選的技術(shù)方案中，步驟s01對(duì)斜齒輪滲碳工藝進(jìn)行有限元建模的方法包括：

11、s11：根據(jù)斜齒輪實(shí)際幾何參數(shù)，應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件建立斜齒輪三維模型，并將其另存為實(shí)體模型輸出格式后導(dǎo)入有限元仿真軟件；

12、s12：輸入斜齒輪材料性能參數(shù)，根據(jù)滲碳工藝要求，材料性能參數(shù)包括密度、碳擴(kuò)散系數(shù)、比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)；

13、s13：對(duì)斜齒輪三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和單元類型選擇；

14、s14：采用質(zhì)量擴(kuò)散模塊對(duì)滲碳過程中的初始階段、強(qiáng)滲階段和擴(kuò)散階段分別進(jìn)行分析步的設(shè)置。

15、優(yōu)選的技術(shù)方案中，步驟s02中還包括設(shè)置滲碳過程的邊界條件，邊界條件包括初始碳濃度和滲碳介質(zhì)與工件表面的物質(zhì)交換條件，其中，初始碳濃度為均勻的碳濃度場，物質(zhì)交換條件則根據(jù)下式計(jì)算得到：

16、j＝β(ce-cs)

17、其中，j為碳原子的擴(kuò)散通量，β為碳原子傳遞系數(shù)，ce為滲碳爐中氣氛的碳濃度，cs為零件表面的碳濃度。

18、優(yōu)選的技術(shù)方案中，步驟s03具體包括：

19、s31：根據(jù)淬火及回火工藝要求，輸入的材料性能參數(shù)包括熱物性參數(shù)、組織轉(zhuǎn)變參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)；

20、s32：進(jìn)行網(wǎng)格劃分并采用熱力耦合單元進(jìn)行淬火和回火過程的計(jì)算；

21、s33：對(duì)齒輪的淬火和回火過程中涉及的加熱、保溫、淬火冷卻和回火四個(gè)階段進(jìn)行分析步的設(shè)置。

22、優(yōu)選的技術(shù)方案中，步驟s04具體包括：

23、s41：將滲碳過程仿真結(jié)果的碳濃度導(dǎo)入淬火和回火仿真模型中進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算；

24、s42：設(shè)置淬火、回火過程中邊界條件，包括對(duì)流換熱邊界條件和位移邊界條件；

25、齒輪淬火傳熱模型的對(duì)流換熱邊界條件為：

26、

27、其中，λ為齒輪材料的導(dǎo)熱系數(shù)，代表梯度算子，h為零件與淬火介質(zhì)之間的對(duì)流換熱系數(shù)，t和tf分別代表齒輪表面溫度和淬火介質(zhì)溫度；

28、位移邊界條件采用在齒輪內(nèi)孔面上選取與不同坐標(biāo)平面的交點(diǎn)進(jìn)行對(duì)稱面的約束；

29、s43：將每個(gè)有限單元內(nèi)部產(chǎn)生的相變潛熱作為單元的內(nèi)熱源進(jìn)行處理，計(jì)算熱處理過程中組織轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的相變潛熱；

30、s44：根據(jù)ttt曲線、相變動(dòng)力學(xué)和scheil疊加原理進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變模型的建立，通過相變過程中不同時(shí)刻的相變產(chǎn)物和相變量來計(jì)算相變潛熱和組織應(yīng)力；

31、s45：采用熱彈塑性增量模型對(duì)工件內(nèi)部任意一點(diǎn)的每一時(shí)間步的應(yīng)變?cè)隽窟M(jìn)行計(jì)算，熱彈塑性增量模型為：

32、

33、其中，為彈性應(yīng)變?cè)隽?，為塑性?yīng)變?cè)隽浚瑸闊釕?yīng)變?cè)隽?，為相變?yīng)變?cè)隽?，dεtpij為相變塑性應(yīng)變?cè)隽浚瑸槿渥冊(cè)隽俊?/p>

34、優(yōu)選的技術(shù)方案中，步驟s44計(jì)算相變潛熱和組織應(yīng)力的方法包括：

35、對(duì)于擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，等溫轉(zhuǎn)變條件下從奧氏體到珠光體、鐵素體和貝氏體的轉(zhuǎn)變量為：

36、v＝1-exp(-btn)

37、其中，v表示轉(zhuǎn)變量，t為等溫時(shí)間；b，n分別表示與溫度和材料有關(guān)的系數(shù)和指數(shù)；

38、對(duì)于快速且連續(xù)冷卻的齒輪淬火過程，需根據(jù)scheil疊加原理對(duì)轉(zhuǎn)變量v進(jìn)行擴(kuò)展，通過對(duì)連續(xù)冷卻過程的時(shí)間離散，將一定時(shí)間間隔近似為等溫轉(zhuǎn)變過程，并疊加計(jì)算孕育率及轉(zhuǎn)變量；

39、第i步的轉(zhuǎn)變量vi為：

40、

41、其中，bi表示第i步與溫度有關(guān)的系數(shù)，表示虛擬時(shí)間，δti表示第i步的時(shí)間步長，ni表示第i步與材料有關(guān)的指數(shù)；

42、對(duì)于非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，組織轉(zhuǎn)變量與時(shí)間無關(guān)，僅由過冷度決定，因此，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變量vm表示為：

43、vm＝1-exp(-αm(ms-t))

44、其中，αm表示反映馬氏體轉(zhuǎn)變速率的系數(shù)，ms表示馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，t表示溫度。

45、優(yōu)選的技術(shù)方案中，步驟s45中彈性應(yīng)變?cè)隽?、塑性?yīng)變?cè)隽俊釕?yīng)變?cè)隽?、相變?yīng)變?cè)隽?、相變塑性?yīng)變?cè)隽亢腿渥冊(cè)隽康挠?jì)算方法為：

46、

47、

48、其中，e是彈性模量，μ為泊松比，dσij為應(yīng)力張量增量，dσi為等效應(yīng)力增量，σi為等效應(yīng)力，σij為應(yīng)力張量，h是硬化指數(shù)，ξm代表熱膨脹系數(shù)，fm是轉(zhuǎn)變量，dt是溫度增量，βm是與組織成分相關(guān)的相變膨脹系數(shù)，dfm是轉(zhuǎn)變量增量，k是相變塑性系數(shù)，s是偏應(yīng)力張量，a為材料常數(shù)，σ為應(yīng)力，k為應(yīng)力敏感系數(shù)，m為時(shí)間敏感系數(shù)，t為時(shí)間，dt為時(shí)間增量。

49、優(yōu)選的技術(shù)方案中，步驟s06具體包括：

50、s61：導(dǎo)入熱處理后的斜齒輪形變模型作為磨削加工的斜齒輪初始模型；

51、s62：根據(jù)斜齒輪成形磨削幾何接觸模型計(jì)算法向磨削深度、砂輪等效半徑和磨削速度；

52、s63：將磨削弧區(qū)的熱流形狀假設(shè)為三角形來模擬斜齒輪的成形磨削過程，即熱源沿漸開線延伸方向和磨削寬度方向均呈三角形分布，斜齒輪成形磨削弧區(qū)的熱流密度表示為：

53、

54、式中，q為磨削弧區(qū)的總熱流密度；zi表示沿磨削寬度方向的距離；表示沿漸開線延伸方向的滾動(dòng)角，為齒頂處的最大滾動(dòng)角；lc為砂輪與齒輪的磨削接觸弧長；

55、s64：根據(jù)能量守恒原理和單顆磨粒滑動(dòng)假設(shè)理論，計(jì)算流入齒面的熱流分配比；

56、s65：基于熱彈塑性本構(gòu)模型和熱傳導(dǎo)方程，得到斜齒輪成形磨削溫度。

57、本發(fā)明還公開了一種斜齒輪成形磨削溫度預(yù)測系統(tǒng)，包括：

58、滲碳工藝建模模塊，對(duì)斜齒輪滲碳工藝進(jìn)行有限元建模；

59、碳濃度計(jì)算模塊，計(jì)算斜齒輪碳濃度分布；

60、淬火、回火工藝建模模塊，對(duì)斜齒輪淬火、回火工藝進(jìn)行有限元建模；

61、應(yīng)力/應(yīng)變場計(jì)算模塊，根據(jù)得到的碳濃度分布對(duì)組織轉(zhuǎn)變的影響，并結(jié)合溫度場傳熱計(jì)算、相變動(dòng)力學(xué)和熱彈塑性本構(gòu)關(guān)系，對(duì)斜齒輪熱處理后的齒面變形量進(jìn)行計(jì)算；

62、斜齒輪成形磨削建模模塊，以計(jì)算得到的齒面變形模型為基礎(chǔ)進(jìn)行斜齒輪成形磨削建模；

63、斜齒輪成形磨削溫度計(jì)算模塊，結(jié)合斜齒輪成形磨削幾何接觸關(guān)系、移動(dòng)熱源理論、熱流分配比和熱彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行斜齒輪成形磨削溫度計(jì)算。

64、本發(fā)明又公開了一種計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述的斜齒輪成形磨削溫度預(yù)測方法。

65、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：

66、本發(fā)明通過綜合考慮熱處理后齒輪初始應(yīng)力場和齒面不均勻變形對(duì)斜齒輪磨削加工的影響，提出一種新的斜齒輪成形磨削溫度預(yù)測方法，可以有效預(yù)測齒輪熱處理過程中溫度、組織、應(yīng)力/應(yīng)變相互影響的高度非線性變化結(jié)果對(duì)磨削中各狀態(tài)量的影響，以確保更加準(zhǔn)確地獲得斜齒輪齒面成形磨削溫度分布。