摘 要

热轧平整线开卷机轴在生产使用之后不久就发生了断裂，对于这种需要长久使用的核心构件机轴，其失效断裂给厂家和生产带来了巨大的损失。本文主要是通过ansysworkbench软件对其淬火冷却过程进行模拟，得到冷却曲线图，通过对比分析等手段，了解机轴断裂的原因，提出淬火工艺处理改进建议。本文从机轴模型建立过程，模拟过程，分析结果三部分着手，详细叙述了如何使用ansys workbench这一软件对淬火冷却温度场进行模拟，并且通过模拟结果对机轴断裂产生的原因，材料成分进行了分析，做为研究的一部分或是做为另一种方法，为使用计算机智能化分析工件断裂成因提供了帮助。

关键词：轧钢机轴；有限元分析；淬火；Ansysworkbench

Abstract

A shaft of a decoiler in hot pinch rolling line had fractured in the course of using which is the core part of the machine. Failure of a shaft of a decoiler in hot pinch rolling line is a great loss to the production and manufacturers. In this paper, the quenching process is simulated by ansysworkbench software in order to obtain the cooling curve,.By means of comparative analysis to understand the causes of shaft breakage, and put forward the improvement suggestions of the quenching process. This paper is divided into three parts, the establishment of the crankshaft model,simulation,analysis. This paper describes in detail how to use ANSYS workbench to simulate the temperature field of quenching cooling. And the causes of shaft fracture,material composition are analyzed by the simulation results. As a part of the study or as an alternative method for the computer intelligent analysis to analyze the cause of the failure.

Key Words：shaft of rolling line; finite element analysis; quenching;Ansysworkbench

目 录

第1章 绪论 1

1.1钢淬火的计算机模拟 1

1.1.1 淬火 1

1.1.2 有限元 2

1.2 轧钢机轴淬火的有限元分析 3

1.3 本文研究的主要内容 4

第2章 轧钢机轴淬火冷却的有限元模拟 5

2.1solidworks建模 5

2.1.1 建模分析 5

2.1.2 建模过程 6

2.2 轧钢机轴ansys workbench模拟 7

2.2.1 Geometry模块导入模型 7

2.2.2 Engineering Data模块定义材料 8

2.2.3 Meshing模块网格划分 9

2.2.4 稳态分析 11

2.2.5 瞬态分析 13

2.2.6 模拟结果 14

第3章 轧钢机轴淬火模拟结果分析 17

3.1. 轧钢机轴淬火冷却温度场特征 17

3.2. 轧钢机轴淬火冷却曲线 20

3.3. 指导意见 22

第4章 结论 23

参考文献 24

致谢 26

第1章 绪论

钢铁工艺制品在现代生活生产中是十分常见和普遍的，是代表一个国家经济水平，生产能力，综合国力的重要标志，被应用在生活家电及建筑工业、汽车制造、造船、机械生产、国防工业等多种行业，同时钢铁生产工业是我国国民经济的重要基础产业之一。我国钢材随着品种结构和质量的不断优化，绝大多数钢材已经基本可以满足中下游行业对材料质量性能不断提高的要求。中国钢铁工业为中国的生活水平和经济的快速发展，做出了重大贡献。但是对于钢材的研究并没有中断，在现代生活工业制造业中，随着其他行业科学技术不断进步同时提高本行业分析技术能力的事情十分普遍。主要用于计算一个组织，工件的温度分布及其他参数，如热流密度（热通量）、热梯度、热量的获取或损失的热分析就是其中的一种，同时它也是研究工件成分，组织构成等问题的有效手段，热分析与计算机模拟技术的结合提高了研究的效果，增加了“预知”的可能性。而具有改善组织，提高强度功效的淬火就是热分析中的重要一环。目前，计算机模拟已应用于各个领域，并带来了革命性的效果同样它也为热分析的发展做出了贡献。经过各国科学家和研究人员的努力，各种应用在热分析领域的计算技术如雨后春笋般涌现，通过使用计算机模拟技术来解决热分析问题已经不再成为幻想。所以对于钢材淬火过程进行有限元分析已经被摆上日程是必不可少的分析手段。

1.1钢淬火的计算机模拟

1.1.1 淬火

淬火处理是金属材料热处理的一种方法。是将原料升温到奥氏体化温度后，按需求保温一段时间后快速冷却，得到比原来硬度和强度都提高的组织，来增强材料的力学性能，增加材料的耐久性。更专业的说法是将钢加热到临界点Ac3或Ac1并且保温一段时间，保温以后以大于临界冷却速度的速度将材料冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火^[1]。如45钢，原始组织为铁素体 珠光体，淬火后得到马氏体，强度和硬度都成倍增加。历史上对于淬火就有相关的文献，公元 3世纪中国人就已经发现不同的水质对淬火的影响，说明了那时的人就已经在生活中发现了淬火中冷却介质会影响淬火产物的性能。同时在《北齐书·列传第四十一》中有相关“宿铁刀”淬火时的描写 “浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”。可见当时已采用含盐的水和油作为具有不同冷却速度的液冷介，说明那时人们已经掌握了这种技术。而近代，做为一种专门的热处理手段，随着工业生产的发展，科学的不断进步，人们开始科学系统的研究和使用淬火工艺，随着金属种类材料和工业技术的发展,工件形状、尺寸变化日益复杂,单纯采用空气、油和水等已不能满足淬火工艺的要求和条件，进而使用了各种碱和金属等热浴，无机盐溶液,熔融的盐,以及各种有机聚合物溶液、浮动粒子等冷却介质。这是因为我们在对物体冷却时，由于热传递，结构差异等问题，工件在冷却时，表面组织和内部组织的冷却速度不同，我们需要能保证整个截面上都转变为马氏体，需要选用冷却能力足够强的淬火介质，以保证工件心部有足够高的冷却速度。淬火冷却技术作为热处理工艺过程的重要组成部分之一,并且长久以来一直伴随着热处理技术的发展而不断进步。但是,由于冷却过程并不是简单单一的过程，其复杂性，测量仪器，研究手段的局限性使得淬火冷却的研究并不完整。所以对于冷却阶段的研究是必不可少的，尤其是关于淬透性，一直是关注的焦点。

冷却阶段不仅要保持零件的尺寸和形状精度，而且零件要获得合理的组织，达到所需要的性能。近些年来，随着重视程度、计算水平、测量技术以及对淬火质量的要求不断提高,在淬火冷却过程机制研究、新型淬火介质、控制冷却、新型淬火机、过程模拟、冷却技术标准制订以及淬火介质评价等领域取得了显著的进展。淬火冷却过程计算机模拟相关的基础理论研究工作近些年来发展迅速,但是,建模模拟工作仍是一个不断完善、基础数据的测试与积累的过程。尽管许多模拟与实际还存在较大的误差,但其直观，简短，有据可凭的特点,可成为研究淬火冷却机制，研究冷却规律，制订工艺参数的有效手段。