本發明涉及工件溫度場確定的方法，以及利用確定的溫度場來指導確定熱處理參數的方法。

背景技術：

以鑄造、鍛造等工藝生產出的工件，通常都需要經過熱處理才能滿足使用要求。例如某大型工件熱處理時，需要在奧氏體化溫度下至少保溫足夠時間才能保證工件芯部和表面完全轉化為奧氏體。但上述保溫時間會因為工件的尺寸、形狀不同而改變，導致工藝上不能確定最優的熱處理溫度曲線。如果工件保溫時間不足，則熱處理效果不理想，工件性能差；或者保溫時間過長，則能源消耗和工序時間都浪費嚴重。

為準確把握工件每個點位的溫度狀況，就需要確定工件溫度場，即是了解工件每個點位的溫度時間函數。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：提供一種工件溫度場確定方法，利用確定的工件溫度場能指導得出適宜的熱處理參數。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

工件溫度場確定方法，包括步驟：在電腦軟件中建立工件三維模型；將模型導入有限元分析模擬軟件中，為模型設定溫度模擬計算的參數；還包括順序進行的以下步驟：

A、工件的加熱溫度曲線為T_w，工件表面換熱系數為H；

根據空冷表面換熱系數擬合公式：

H＝2.2×(T_w-T_c)^0.25+4.6×10^-8×(T_w²+T_c²)×(T_w+T_c) 公式一；

依次進行：

第一次迭代計算：

設T_w＝f(t)，T_c＝當前室溫，代入公式一中，計算出第一組換熱系數H₀；將H₀輸入有限元分析模擬軟件中，模擬計算出工件的第一組表面溫度g₁(t)；

第二次迭代計算：

設T_w＝f(t)，T_c＝g₁(t)，代入公式一中，計算出第二組換熱系數H₁；將H₁輸入有限元分析模擬軟件中，模擬計算出工件的第二組表面溫度g₂(t)；

B、將最后一次迭代計算得到的工件表面溫度，輸入有限元分析模擬軟件中，模擬計算得到工件的溫度場。

進一步的，所述步驟A中，第二次迭代計算之后，還包括至少一次迭代計算，且迭代計算的方法與前述迭代計算方法相同。

進一步的，所述第一次迭代計算中，所述T_c＝當前室溫＝20℃。

工件熱處理參數確定方法，包括如權利要求1、2或3所述的工件溫度場確定方法的全部步驟；還包括，以B步驟中確定的溫度場來制定工件熱處理參數，對工件進行熱處理的步驟。

本發明的有益效果是：上述工件溫度場確定方法，利用有限元分析模擬軟件經過多次迭代計算，能得出接近真實的工件表面的溫度時間函數，然后可以將溫度時間函數輸入有限元分析模擬軟件中，能模擬計算出工件的溫度場；利用上述溫度場可指導得出適宜的工件熱處理參數，能確保熱處理質量，減少能耗，提高工序效率。

附圖說明

圖1是采用本發明方法的多次迭代計算的換熱系數對比圖；

圖2是采用本發明方法的得到的工件溫度場與工件實測溫度對比圖，點位一；

圖3是采用本發明方法的得到的工件溫度場與工件實測溫度對比圖，點位二；

圖4是采用本發明方法的得到的工件溫度場與工件實測溫度對比圖，點位三；

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明：

工件溫度場確定方法，包括步驟：在電腦軟件中建立工件三維模型；將模型導入有限元分析模擬軟件中，為模型設定溫度模擬計算的參數；還包括順序進行的以下步驟：

A、工件的加熱溫度曲線為T_w，工件表面換熱系數為H；

根據空冷表面換熱系數擬合公式：

H＝2.2×(T_w-T_c)^0.25+4.6×10^-8×(T_w²+T_c²)×(T_w+T_c) 公式一；

依次進行：

第一次迭代計算：

設T_w＝f(t)，T_c＝當前室溫，代入公式一中，計算出第一組換熱系數H₀；將H₀輸入有限元分析模擬軟件中，模擬計算出工件的第一組表面溫度g₁(t)；

第二次迭代計算：

設T_w＝f(t)，T_c＝g₁(t)，代入公式一中，計算出第二組換熱系數H₁；將H₁輸入有限元分析模擬軟件中，模擬計算出工件的第二組表面溫度g₂(t)；

B、將最后一次迭代計算得到的工件表面溫度，輸入有限元分析模擬軟件中，模擬計算得到工件的溫度場。

本發明的工件溫度場確定方法，先根據工件的實體形狀在電腦軟件中建立形狀相同的三維模型，然后將模型導入有限元分析模擬軟件中，有限元模擬軟件能夠模擬計算出工件在加熱環境中的溫度變化，例如，美國SFTC(Scientific Forming Technologies Corporation)公司的deform軟件、美國ANSYS公司的ansys軟件，美國達索(SIMULIA)公司的abaqus軟件等。

在軟件中為工件模型設定溫度模擬計算的相關參數，例如材料的塑性參數、彈性參數、比熱熔、熱導率、材料TTT曲線、相變潛熱、相變體積、相變塑性等。

然后根據空冷表面換熱系數擬合公式，即公式一：

H＝2.2×(T_w-T_c)^0.25+4.6×10^-8×(T_w²+T_c²)×(T_w+T_c)；依次進行數次迭代計算。

公式一中T_w為對工件的加熱溫度曲線，H為工件表面換熱系數。

第一次迭代計算：

設T_w＝f(t)即是工件加熱曲線的函數，T_c＝即是工件溫度等于當前室溫，例如18℃、20℃等，代入公式一中，計算出第一組換熱系數H₀；將H₀輸入有限元分析模擬軟件中，模擬計算出工件的第一組表面溫度g₁(t)，為一個溫度函數。

第二次迭代計算：

設T_w＝f(t)即保持第一次迭代計算的加熱曲線不變，T_c＝g₁(t)即是工件溫度等于上一次迭代計算得出的表面溫度函數，代入公式一中，計算出第二組換熱系數H₁；將H₁輸入有限元分析模擬軟件中，模擬計算出工件的第二組表面溫度g₂(t)。

隨后可將最后一次迭代計算得到的工件表面溫度，例如經過兩次迭代計算，則將g₂(t)，輸入有限元分析模擬軟件中，軟件可以通過工件表面的溫度、工件模型形狀以及設置好的工件物理特性等模擬計算出工件內部任意點位的溫度函數，即是工件溫度場。

或者對于形狀復雜的工件，為了計算結果更加精準，可以是在第二次迭代計算之后，再進行第三次、第四次或更多次的迭代計算，計算方法與前述迭代計算的規律相同。例如第三次迭代計算，是設T_w＝f(t)，T_c＝g₂(t)即是上一次迭代計算得出的表面溫度函數，代入公式一中，計算出第三組換熱系數H₂；將H₂輸入有限元分析模擬軟件中，模擬計算出工件的第三組表面溫度g₃(t)。

第四次迭代計算，是設T_w＝f(t)，T_c＝g₃(t)即是上一次迭代計算得出的表面溫度函數，代入公式一中，計算出第四組換熱系數H₃；將H₃輸入有限元分析模擬軟件中，模擬計算出工件的第四組表面溫度g₄(t)；以此類推。

迭代計算完畢后，需要將最后一次迭代計算得到的工件表面溫度g_n(t)輸入限元分析模擬軟件計算溫度場。

如圖1所示，為一種工件實施例經迭代計算后的表面換熱系數分布，圖中橫坐標為加熱時間/小時，縱坐標為換熱系數，最上部的曲線為H₃與H₄，分別為第三次迭代計算、第四次迭代計算得到的換熱系數，可見兩條曲線幾乎已經重合，表明H₃和H₄都已經接近真實的表面換熱系數。此時可以停止繼續迭代計算，將H₄輸入有限元分析模擬軟件計算出工件表面溫度g₅(t)，然后用g₅(t)在有限元分析模擬軟件計算出工件的溫度場。

如圖2～4所示，為某工件在預設的加熱條件下，采用本發明的方法確定溫度場后，實測溫度與溫度場計算溫度對比分布。

從圖2～4中分別可見，在工件表面、表面以下220mm深、表面以下441mm深的點位，其實測溫度與模擬計算的溫度都非常接近，表明本發明的溫度場確定方法可靠有效。

工件確定后的溫度場，可制定合適的參數進行工件熱處理。例如圖4實施例中，要求工件441mm深處的芯部要加熱至800℃以上，從圖4可見加熱至25h時，工件441mm深處可略高于800℃。由此可以確定，以當前的加熱條件，工件加熱持續必須持續25h才能滿足條件，進而確定出合適的熱處理參數進行工件熱處理。