基于ANSYS的织针淬火加热过程的温度场模拟.pdf

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1、第2 7 卷第4 期 2 0 0 6 年4 月 纺织学报 J o u m a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 7N o 4 A p r 2 0 0 6 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 6 ) 0 4 - 0 0 4 4 0 4 基于A N S Y S 的织针淬火加热过程的温度场模拟 陈海燕，朱世根，丁浩，季诚昌，沈剑，原一高，顾伟生 ( 东华大学机械工程学院，上海2 0 0 0 5 1 ) 摘要针对织针网带炉淬火，利用有限元分析软件A N S Y S ，对织针加热过程中的温度变化进行了模拟。结果显 示在淬火加热过程中织

2、针的内部温度并不完垒相同，针勾部位升温较快，针身部位升温较慢。并且，嘲带速度的 大小对织针的升温曲线影响较太，随着网带速度的提高，一方面织针在加热前期的内部温差越来越大，另一方面织 针在加热后期的保温时间越来越短。依据模拟结果，提出了网带炉织针淬火加热工艺参数的方案。 关键词网带炉；织针；淬火；温度场；模拟；A N S Y S 中图分类号：T G l 5 6文献标识码：A T e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o no ft h en e e d l eq u e n c h i n gp r o c e s sb a s e do nt

3、h eA N S Y S C H E NH a i y a n ，Z H US h i g e n ，D I N GH a o ，j iC h e n g c h a n g ，S H E NJ i a n ，Y U A NY i g a o ，G UW e i s h e n g ( C o l l e g e0 ，M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，D o n g h u aU n i v e r s 酊，S h a n g h a i2 0 0 0 5 1 ，C h i n a ) A b s t r a c tT h et e m p e

4、 r a t u r e c h a n g eo fk n i t t i n gn e e d l e sd u r i n gq u e n c h i n gi n t h em e s h b e l tf u m a c ew a s s i m u l a t e du s i n gl h eA N S Y Ss o f t w a r e n er e s u l t ss h O Wt h n ft b ei n t e m a lt e m p e r a t u r eo ft h ek n i t t i n gn e e d l e sw a s n o tu n

5、i f o r m a n dt h et e m p e r a t u r eo ft h eh o o kp a r tI D s ef a s t e rt h a nt h a to ft h em i d d l ep a r t M o r e o v e r ，t h e v e l o c i t yo f t h em e s h - b e l te x e r t e da g r e a ti n f l u e n c eo r st h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc u r v e T h et e

6、m p e r a t u r e d i f f e r e n c eo ft h ei n t e r n a l p a r tb e c a m eb i g g e ra n db i g g e ri nt h ee a r l i e rh e a t i n gs t a g ea n dt h eh o l d i n gt i m e b e c a m es h o r t e ra n ds h o r t e ri nt h el a t e rh e a t i n gs t a g ea st h ev e l o c i t yo ft h em e s h

7、b e l ti n c r e a s e d B a s e do nt h e r e s u l t s ，t h et e c h n o l o g yp a r a m e t e r so ft h en e e d l eq u e n c h i n gi nt h em e s h - b e l tf u m a c ew e r ea d j u s t e d K e yw o r d s m e s h b e l tf u r n a c e ；k n i t t i n gn e e d l e ；q u e n c h i n g ；t e m p e r

8、a t u r ef i e l d ；s i m u l a t i o n ；A N S Y S 织针是针织机械的关键易损零件，品种多，需求 量大。目前，国内大部分厂家的织针生产极不稳定， 常常出现表面硬度不足等现象。经分析，造成表 面硬度不足的主要环节在于其淬火生产过程，并最 终归结到网带炉织针淬火加热过程的温度控制。而 这需以掌握织针淬火加热过程的温度变化规律为前 提。由于织针精细，温度变化难以实测，计算机模拟 就成了苗选办法”。 基于有限元方法的A N S Y S 数值模拟软件是解 决温度场等工程问题的大型工程模拟软件，广泛应 用于各种工业领域。本文的研究就是借助有限元 软件A N

9、S Y S 对织针淬火加热过程的温度场进行模 拟，旨在得到织针加热过程的温度分布规律，进而改 进工艺控制参数1 4 ，提高织针产品的质量。 1 物理过程分析 1 1 工艺控制要求 织针的种类很多，常见的D H 5 8 P 型袜针结构及 尺寸如图1 所示。 单位：m m 图1D H 9 8 P 型袜针结构及尺寸 目前，大多数企业普遍采用网带炉进行织针的 光亮化淬火，其淬火过程如图2 所示。将一枚枚织 收稿日期：2 0 0 4 0 7 2 7修回日期：2 0 0 4 1 1 0 5 作者简介：陈海燕( 1 9 7 9 一) 士，汉，硕士生。主要研究方向为织针淬火加热过程的计算机模拟及工艺控制。 万

10、方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第4 期陈海燕等：基于A N S Y S 的织针淬火加热过程的温度场模拟【4 5 】 针竖着横向叠加在一起形成一长排的织针板块放在 连续运动的网带上，随网带一起进入炉膛加热，然后 落入油槽中淬火。织针的加热过程如图3 所示，网 带炉中的保护气氛在一定条件下燃烧，在f 位置形 成具有密封保护作用的火帘，该火帘是还原性气氛 与氧化性气氛的分界线。火帘形成的位置( f 点) 主 要受保护气氛数量的影响，而且还与炉膛温度的分

11、布有关系。因此，织针加热过程的控制主要考虑：1 ) 保证织针在进入该火帘之前低于氧化脱碳的温度， 主要考察织针升温最快的部位；2 ) 保证织针在落人 淬火油槽前达到淬火温度并具有一定的奥氏体化保 温时间主要考察织针升温最慢的部位。因此须调 整炉膛温度、网带速度等工艺参数使淬火加热过程 中织针的温度变化规律满足以上要求。 保护气氟 织针 罔带 炉底扳 炉体 落 淬火j l I I 槽 图2 织针淬火过程示意图 氧化性。C 氛R! 琏J 泉性( 保护) 7C 氛匣 a- = I 门N I f N 2 炉膛底邯 图3 网带炉织针加热示意图 面条件问题，就可以将网带上的织针看作排成一排 的织针板块来考

12、虑，并且与移动的网带一起，当作连 续的、性能不同的整体板块进行考察。 1 3 边界条件的分析 边界条件的分析是实现A N S Y S 温度场模拟的 关键。由于该问题的研究对象是网带炉内部所有织 针组成的织针板块与网带炉内部的网带联合构成的 热物性不同的整体板件，所以，其边界也就是该整体 板件的边界。以下是建立边界条件的说明：1 ) 由 图2 可以看出，炉膛内的织针、网带和炉底板之间互 相接触。由于炉底板一直延伸至炉膛最深处，而且 始终是在炉膛内前后往复移动，可以将炉底板与炉 膛的温度视为一致。但是，炉底板与网带之间实际 上并不完全接触。特别是炉底板可能由于锈蚀等原 因，严重影响导热效果，因此，

13、须采用等效热阻的方 法，将其转化为第3 类边界条件。2 ) 织针与网带构 成的与炉气接触的外边界，其换热可以按照第3 类 边界条件处理。这个换热包括与炉气之间的对流换 热和与炉壁的辐射换热。3 ) 边界条件如炉膛温度分 布，是相对固定坐标系给出的，但热传导模型是相对 于网带静止的运动坐标系建立的，所以，它不能被直 接应用于本问题的计算。但是，如果假定织针和网 带构成的板块是静止的，而炉膛是运动的，那么边界 条件就可以在A N S Y S 提供的加载边界条件的命令 中实现。只是，必须把相对于固定坐标系的边界条 件转化为适合本运算的形式。 1 2 特点分析及模型建立 2A N S Y S 模拟过程

14、 从物理意义上分析，淬火加热过程主要有以下 几个特点：1 ) 织针加热过程中的能量来源包括与炉 膛的对流换热、与炉壁的辐射换热、与炉子底板之间 通过网带的热传导。2 ) 织针紧密排成一排，通过网 带不断被输送到炉膛内部，实现连续生产，因此，在 织针之间也存在热传导。3 ) 网带炉炉膛内部的温度 分布是不均匀的，织针在每一时刻的位置都是变化 的，由于位置不同，其边界条件也在不断发生变化。 从上述特点可以看出，如果以单枚织针为对象 建立模型，可能会遇到两方面的困难：一是单枚织针 相对于固定坐标系，其位置不断变化；二是模拟织针 与相邻织针之间的界面，其边界条件很难确定。 但是，如果忽略接触传热的热阻

15、以及奥氏体相 变的潜热，织针之间可以用温度连续的方式解决界 A N S Y S 程序是有限元分析的通用程序，在上述 物理模型确定以后，就可以用它特有的热分析模块 对织针淬火过程中的温度场进行模拟，其过程主要 包括以下几个步骤：1 ) 定义单元类型。针对网带炉 织针淬火过程中三维温度场的具体情况只需进行热 分析，故采用有8 个节点的六面体单元。2 ) 材料特 性定义。材料的热物性确定方法，主要是依据相关 的手册和资料”。3 ) 建立几何模型并进行网格划 分。主要目的是生成有限元模型，即用节点和单元 描述模型的几何形状。4 ) 施加温度载荷及求解。设 定初始温度为3 0 。按1 2 所述的边界条件

16、，通过 A N S Y S 的相应命令施加温度载荷及求解。5 ) 结果后 处理。对所得的结果进行处理得到织针淬火过程的 温度分布图，包括所有节点在同一时刻的温度分布 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【4 6 】 纺织学报第2 7 卷 曲线以及特定节点在整个加热过程中的温度变化 曲线。 3 模拟结果及分析 3 1 工艺分析 在炉膛温度为8 0 0q c ，网带速度为3 0 0m m m i n 的 条件下，用A N S Y S 模拟得到了织针淬火过程

17、中的温 度分布。图4 为织针板块的前端面上所有节点在同 一时刻的温度分布情况。根据此模拟结果可以得到 以下结论：1 ) 如图4 ( a ) 所示，温度最高处是在针勾 部位，温度最低处是在针身部位，这与理论上的推测 相符合。因为针勾部位体积小，厚度薄，四面与炉气 换热，升温较快；而针身体积相对较大，且较厚，因此 升温较慢。2 ) 当加热2 0 0s ，也就是织针走到距炉门 10 0 0m n 左右，织针温度分布趋于均匀，见图4 ( b ) 。 单位：c c 图4 前端面的温度分布 采用A N S Y S 的时间后处理模块，得到了前端面 上针勾部位和针身部位E 某节点随整个时问变化的 升温曲线，进

18、一步处理后，转化为随位置变化的曲线 并置于同一张图中，如图5 所示。 从图5 看出，无论是升温较快的针勾部位，还是 升温较慢的针身部位，在落人淬火油槽前，也就是加 热结束时，都达到了淬火温度，因此，织针是可以淬 透的。其次，在距炉门6 0 0m m 左右，也就是加热大 约1 2 0S 以后，温度逐渐趋于一致，但在此以前，针勾 与针身部位的温度相差较大，且针勾在距炉门 3 0 0f i l m 也就是6 0s 左右就达到了氧化脱碳温度( 5 4 0 5 6 0q C ) ，而针身在距炉门3 6 0m m 也就是7 2s 左右 才达到此温度，所以，只要把火帘位置控制在距炉门 p 划 赠 曝5 网带

19、速度为3 0 0m m m l n 时织针温度随位置的变化 3 0 0 m m 以前，就可避免织针表面产生氧化脱碳 现象。 在炉膛温度为8 0 0 的条件下，网带速度是可 以变化的。采用同样的方法，分别模拟网带速度为 1 0 0 、8 0 0m n d m i n 时的针勾与针身部位的温度随时问 的分布曲线，见图6 。可以看出，1 ) 升温较快的针勾 部位与升温较慢的针身部位在加热开始前，温度都 是一样的，加热开始后温差随着距离变大( 或时间变 长) 而增大，经过一段时间的加热后，温差逐 9 趟 瘸 p 恻 赠 距炉门距离m m ( a ) 阿带速度为1 0 0r a m r a i n 距炉

20、门距离n u n ( b ) 两带速度为8 0 0 m r “m i n 围6 织针温度随位置的变化 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第4 期陈海燕等：基于A N S Y S 的织针淬火加热过程的温度场模拟【4 7 】 渐缩小，最后趋于一致，但是在网带速度为 8 0 0m n d m i f f 睛况下，由于速度太快，织针2 个部位的 温度曲线未能达到重合。2 ) 网带速度对升温曲线影 响较大。随着网带速度的增加，升温较快的部位与 升温较慢的部位所

21、形成的温差越来越大。同时，网 带速度的不同，决定了织针温度接近炉膛温度的位 置不同即保温时间不同。网带速度越高，织针温度 接近网带炉炉膛温度时的位置离炉门越远。在加热 前期随着网带速度的提高，织针随位移的升温曲线 变得缓慢，即织针在火帘位置之前，其温度较低。因 此，如果单独考虑织针表面的脱碳问题，网带速度应 该高一些。但是，由于奥氏体均匀化还需要一定的 保温时间”，网带速度不能太高。 从模拟结果看，网带速度太慢如1 0 0m m m i n 的 条件下容易发生氧化脱碳，而在速度太快如 8 0 0m m m i n 的情况下很难达到淬火温度。因此，把 网带速度定在3 0 0m m m i n 左

22、右是较合适的，这样既 不会发生氧化脱碳，也能够达到淬火温度，同时具有 一定的保温时间。 3 2 原织针淬火加热工艺分析 表1 为某织针牛产厂的原淬火工艺参数。根据 现场实测，火帘位置是在距炉门2 6 0m i l l 处。 表1 原淬火工艺参数 对原淬火工艺条件下的温度场进行模拟，结果 如图7 所示。可以看出，织针升温较快的针勾部位 p 剖 赠 图7 原淬火工艺条件下的织针温度随位置的变化 在距炉门2 0 0m m 处就达到了氧化脱碳温度，即进入 火帘位置之前就已经氧化脱碳，故造成了织针表面 硬度不足的现象。其淬火温度设置为8 4 5 ，明显 过高。淬火温度的选择应以织针淬透为依据，如果 淬火

23、温度设置过高，就会发生氧化脱碳，甚至产生过 热、晶粒粗大等现象。 4 结论 1 ) 在网带炉生产条件下，织针淬火加热过程中 的温度控制至关重要，由于织针精细，难以实测，计 算机模拟就成了首选办法。研究证明，影响织针加 热的网带炉炉膛内的温度分布是不均匀的，织针本 身在炉内的位置亦在不断变化，因而不能简单地直 接采用A N S Y S 软件对该过程进行模拟，需进行其边 界条件的转换，即通过转换坐标系的加载方法，使得 织针的A N S Y S 计算成为可能。 2 ) 在淬火加热过程中。织针的针勾部位升温较 快，针身部位升温较慢。并且，网带速度的大小对织 针的升温曲线影响较大。随着网带速度的提高，织

24、 针在加热前期的内部温差越来越大，而织针在加热 后期的保温时间越来越短。根据模拟结果，可以对 织针淬火工艺参数如网带速度，进行调整和优化。 3 ) 通过对某厂原淬火工艺参数的温度场进行模 拟，进一步证实了织针表面硬度不足的原因之一是 织针在淬火过程中存在氧化脱碳现象。l 黼 参考文献 周康善国内外织针材质及其工艺性能分析 J 纺 织器材，2 0 0 0 ，2 9 ( 2 ) ：7 5 8 0 顾剑锋，潘键生淬火过程的计算机模拟及其应用 J 】金属热处理，2 0 0 0 ，( 5 ) ：3 5 4 4 王国强实用工程数值模拟技术及其在A N S Y S 上的 实践 M 西安：西北工业大学出版社1

25、 9 9 9 赣宏，刘天模4 5 钢零件淬火过程温度场的A N S Y S 模 拟 J 重庆大学学报。2 0 0 3 2 6 ( 3 ) ：8 2 8 4 热处理手册编委会热处理手册 M 第2 版北 京：机械工业出版社，1 9 9 2 1 3 3 1 3 7 第一汽车制造厂机械工程材料手册( 黑色金属材 料) M 第4 版北京：机械工业出版社，1 9 9 0 3 6 3 7 朱世根，费东晔，程先华网带炉织针淬火工艺的研 究 J 中国纺织大学学报，2 0 0 0 ，2 6 ( 2 ) ：8 5 8 7 l 2 3 4 5 6 7 ； 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark