【技术实现步骤摘要】
本申请涉及渗碳层预测，尤其涉及一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法及设备。
技术介绍
1、渗碳淬火是一种常用于提升齿轮零部件表面性能的热处理工艺，通常分为渗碳和淬火两阶段。首先通过控制渗碳工艺获得满足使用要求的碳浓度分布，再搭配淬火工艺使得齿轮零件能够获得表硬里韧的特性，可以明显提升齿轮的耐磨度、韧性等综合机械性能，以满足各种载荷变化情况下的使用要求。通过试验虽然能够获得具有良好性能的齿轮零件，但是实际生产过程中一组渗碳淬火工艺费时费力，更多依靠经验对试验参数进行调节，对于表面热处理后的渗碳层深度等重要参数的规律难以测试，如果能够掌握相关参数的变化规律，将有利于指导相关试验更高效地获得想要的结果。
2、随着计算机数值模拟技术不断发展，有限元仿真技术可以很大程度上代替试验获取一些具有参考价值的数据。近些年，据渗碳淬火工艺的原理，针对热处理环节中的各阶段建立对应的数学模型并设置对应参数，并借助有限元分析等手段分析实际齿轮表面热处理相关问题，综合计算出渗碳淬火硬度、组织含量、应力等输出结果。但当前的研究中，很多研究都将渗碳淬火阶段的碳扩散系数、表面换热系数设定为恒定值，且硬度场的求解过程缺乏相应的加权计算模型，整体计算结果数据缺少参考价值。同时，借助bp神经网络等工具对数值模拟的输出结果需要进行反复训练和测试，建立渗碳淬火工艺参数同齿轮有效硬化层深度之间的映射关系，实现对应的预测功能。总之，当前技术存在对渗碳层深度等重要参数规律难以测试的问题。
技术实现思路
1、本申请提供
2、一方面，本申请提供了一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，所述方法包括以下步骤：
3、步骤s1：利用gleeble热模拟试验机对齿轮材料进行不同温度及不同应变速率下的热压缩试验，得到热压缩实验结果；
4、步骤s2：基于所述热压缩实验结果，数理统计拟合齿轮的材料常数，并建立齿轮用材料应变补偿后的arrhenius本构模型；
5、步骤s3：建立齿轮渗碳淬火模型，并基于三维有限单元算法模拟齿轮表面热处理过程；
6、步骤s4：根据硬度加权函数修改数值模拟的硬度场输出，从计算输出结果中提取硬度场结果，并以此确定该工艺条件下齿轮的有效硬化层深度；
7、步骤s5：利用不同工艺参数对应下的有效硬化层深度集合，建立工艺数据库，并形成工艺参数与硬化层深度的映射关系。
8、在本申请的一种实现方式中，所述步骤s1中，利用gleeble热模拟试验机对齿轮材料进行不同温度及不同应变速率下的热压缩试验。
9、在本申请的一种实现方式中，所述步骤s2，具体包括：
10、步骤s21：确定齿轮的材料常数函数如下：
11、
12、式中，ε表示应变量；
13、步骤s22：建立齿轮用材料的arrenhnius本构模型如下：
14、
15、
16、式中，z表示zenerho-llomon参数，q表示热变形激活能，t表示温度，r表示气体常数取固定值；
17、步骤s23：基于应变补偿优化齿轮用材料的arrhenius本构模型如下：
18、
19、式中，α、n、q、均为材料常数，ε表示应变量。
20、在本申请的一种实现方式中，所述步骤s3，具体包括：
21、步骤s31：建立完整齿轮三维模型，考虑到有限元模型的实际情况，选择1/8齿轮模型导入商用有限元模拟软件中；
22、步骤s32：设置齿轮材料属性；
23、步骤s33：根据实际工艺条件设置热处理工艺的参数，其中渗碳阶段包括碳扩散系数及碳传递系数设定，公式分别如下：
24、
25、
26、式中，e为反应活化能，r为气体常数取固定值，t为温度。
27、在本申请的一种实现方式中，所述步骤s4中，根据硬度加权函数修改数值模拟的硬度场输出的过程，具体包括：使用simufact forming的自定义数据结果功能，分别定义马氏体、贝氏体、铁素体-珠光体的硬度场以及奥氏体组织的硬度公式，并确定硬度场的加权函数作为硬度值的输出结果，硬度输出公式如下：
28、hvc＝"hvf-p"*(cvfferr+cvfperl)+"hvb-2"*cvfbain
29、+"hvm3"*cvfmart-hrcra*cvfaust
30、式中，hvf-p代表铁素体-珠光体组织的维氏硬度，cvfferr+cvfperl代表铁素体-珠光体组织含量，hvb-2代表贝氏体组织的维氏硬度场，cvfbain代表贝氏体组织含量，hvm3代表马氏体组织的维氏硬度cvfmart代表马氏体组织含量。
31、在本申请的一种实现方式中，所述步骤s4中，从计算输出结果中提取硬度场结果，并以此确定该工艺条件下齿轮的有效硬化层深度的过程，具体包括：
32、输出定义的追踪点处硬度值，以hv550为有效硬化层分界线，插值确定工艺参数下的齿轮有效硬化层深度。
33、在本申请的一种实现方式中，所述步骤s5，具体包括：
34、对于不同工艺参数下的渗碳淬火热处理，分别进行计算机有限元数值模拟计算求解，并获得工艺参数-有效硬化层深度的对应关系；
35、利用神经网络对上述硬化层深度进行训练及测试，进而根据工艺参数即可预测对应的有效硬化层深度。
36、在本申请的一种实现方式中，所述gleeble热模拟机装置采用单道次高温压缩试验，压缩方式为单向压缩，变形温度为850℃、900℃、950℃、1000℃，应变速率为0.01s-1、0.1s-1、1s-1、10s-1，压缩量设置为60％。
37、在本申请的一种实现方式中，所述材料属性包括杨氏模量、密度、泊松比及arrhenius本构方程。
38、本申请还提供了一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测设备，所述设备包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够完成前的一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法。
39、本申请提供的一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法及设备，提供一种预测渗碳淬火齿轮有效硬化层深度的方法，通过热压缩试验和淬火油冷却特性曲线建立齿轮用材料的本构模型和对应淬火油的表面换热系数模型，分别作为材料属性参数设置和热交换参数输入，并根据不同组织与碳含量的函数模型建立硬度加权函数，将硬度场加权函数输入到有限元数值模拟模型中，建立与实际试验条件一致的齿轮渗碳淬火工艺模型，再借助神经网络建立表面热处理工艺的工艺数据库，已达到预测齿轮有效硬化层深度的效果。
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1.一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用Gleeble热模拟试验机对齿轮材料进行不同温度及不同应变速率下的热压缩试验。
3.根据权利要求1所述的一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，其特征在于，所述步骤S2，具体包括：
4.根据权利要求1所述的一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，其特征在于，所述步骤S3，具体包括：
5.根据权利要求1所述的一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据硬度加权函数修改数值模拟的硬度场输出的过程，具体包括：使用SIMUFACT FORMING的自定义数据结果功能，分别定义马氏体、贝氏体、铁素体-珠光体的硬度场以及奥氏体组织的硬度公式，并确定硬度场的加权函数作为硬度值的输出结果，硬度输出公式如下：
6.根据权利要求1所述的一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，其特征在于，所述步骤S4中，从计算输出结果中提取硬度场结果，并以此
7.根据权利要求1所述的一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，其特征在于，所述步骤S5，具体包括：
8.根据权利要求1所述的一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，其特征在于，所述Gleeble热模拟机装置采用单道次高温压缩试验，压缩方式为单向压缩，变形温度为850℃、900℃、950℃、1000℃，应变速率为0.01s-1、0.1s-1、1s-1、10s-1，压缩量设置为60％。
9.根据权利要求4所述的一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，其特征在于，所述材料属性包括杨氏模量、密度、泊松比及Arrhenius本构方程。
10.一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测设备，其特征在于，所述设备包括：
...【技术特征摘要】
1.一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，其特征在于，所述步骤s1中，利用gleeble热模拟试验机对齿轮材料进行不同温度及不同应变速率下的热压缩试验。
3.根据权利要求1所述的一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，其特征在于，所述步骤s2，具体包括：
4.根据权利要求1所述的一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，其特征在于，所述步骤s3，具体包括：
5.根据权利要求1所述的一种渗碳淬火齿轮有效硬化层深度预测方法，其特征在于，所述步骤s4中，根据硬度加权函数修改数值模拟的硬度场输出的过程，具体包括：使用simufact forming的自定义数据结果功能，分别定义马氏体、贝氏体、铁素体-珠光体的硬度场以及奥氏体组织的硬度公式，并确定硬度场的加权函数作为硬度值的输出结果，硬度输出公式如下：<...
【专利技术属性】
技术研发人员：张昕昕，张凌冰，汪浩宇，李良晨，王琛，刘宝华，张琦，田天泰，
申请(专利权)人：中国重汽集团济南动力有限公司，
类型：发明
国别省市：
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