[发明专利]一种用于预测轴承钢淬火残余应力的方法

说明书

本发明提出一种用于预测轴承钢淬火残余应力的方法，获取轴承钢的热物参数和表面换热系数，建立有限元模型，编写子程序UMATHT输入热物参数进行模拟，得到温度场和组织场仿真结果；求解力学本构关系，获取本构参数，编写子程序UMAT输入本构参数进行模拟，得到应力场的仿真结果；本发明可实现轴承钢构件淬火应力连续描述，支撑轴承钢淬火应力及残余应力的全时、全位置预测，从而为轴承钢构件淬火残余应力调控提供可靠的依据；系统验证表明，本发明残余应力预测值精度优于15％，满足实际研制要求。

技术领域

本发明属于热处理及机械加工领域，具体地，涉及一种用于预测轴承钢淬火残余应力的方法。

背景技术

轴承是当代机械设备中一种重要的零件，其主要功能是支撑机械旋转体，降低机械运动过程中的摩擦系数并保证回转精度，被广泛应用于汽车、高铁、风电、精密机床以及航空航天等各个领域。在其制造过程中轴承构件中因组织变化及残余应力释放造成的变形问题普遍存在。这一问题严重影响轴承的服役性能和服役寿命、甚至造成轴承卡滞。在轴承制造过程中对残余应力及微观组织进行控制是抑制构件变形、提高轴承精度和服役寿命的关键途径。考虑制造全过程对残余应力及组织控制进行控制难度很大，其原因在于轴承制造过程中热致应力复杂多变、难于预测，而体残余应力的直接测试也无有效方法。考虑上述需求以及残余应力全过程演化及结构敏感的属性，采用仿真分析方法对残余应力进行预测成为支撑残余应力控制技术的关键基础。目前，针对轴承构件淬火残余应力的研究开展尚少、相应的应力预测模型尚未建立，残余应力的仿真预测因而缺乏必要的工具。

上述分析表明，建立轴承钢淬火残余应力控制与预测方法、实现对轴承钢淬火应力演变行为的全时描述，对精密轴承制造领域技术升级有重要工程价值。

发明内容

本发明提出了一种用于预测轴承钢淬火残余应力的方法，来解决淬火过程中轴承钢构件残余应力难以预测的问题。

本发明是通过以下方案实现的：

一种用于预测轴承钢淬火残余应力的方法，

步骤一、在淬火工艺温度窗口内获取轴承钢热物参数；

步骤二、利用热电偶测量反传热方法计算得到淬火过程中轴承钢的表面换热系数；

步骤三、通过有限元软件ABAQUS建立仿真模型，所述模型用于温度场、组织场和淬火应力场计算；

步骤四、基于热模拟试验求解轴承钢在淬火工艺温度范围内的本构关系；或者，查找相应轴承钢的本构关系数据库；

步骤五、将表面换热系数作为温度场的边界条件，将有限元软件ABAQUS二次开发，编写轴承钢的UMATHT，通过子程序UMATHT将材料的热导率、比热容和相变潜热导入温度场中，计算轴承钢淬火过程温度场和组织场演化结果；

步骤六、将温度场和组织场演化结果施加到淬火过程应力场中，利用热模拟实验测试轴承钢淬火过程中的应力应变曲线，得到轴承钢淬火过程中的本构参数，通过子程序UMATHT将本构参数导入淬火应力场中，进行进行淬火应力场计算，得到淬火残余应力结果；

步骤七、在残余应力计算结果中提取应力-时间、应力-温度曲线对轴承钢套圈外环进行淬火残余应力预测。

进一步地，在步骤一中，所述参数包括热导率、比热容、密度和相变潜热。

进一步地，在步骤五中：

步骤五一、钢淬火过程中轴承钢组织转变量用相变动力学表达：利用子程序UMATHT加入相变动力学以描述轴承钢组织转变量、相变潜热和与轴承钢组织相关的热物参数，将温度场和组织场耦合进行计算马氏体相变为非扩散型相变，其转变量决定于温度，与时间无关，转变量V的计算基于K-M方程：

V＝1-exp[-α(M_s-T)]