“變形”是指由于應力、溫度、時間、環(huán)境介質(zhì)以及人為操作等因素造成的結(jié)構(gòu)件的實際尺寸與理想尺寸之間的偏差，當其超過了設(shè)計指標允許的范疇，便會凸顯為結(jié)構(gòu)件的“變形問題”——部分甚至全部喪失原有的功能。結(jié)構(gòu)件的“加工變形”問題是由殘余應力、切削力、切削熱、裝夾等多種因素的耦合造成的，由于上述因素的隱蔽性與偶然性，難以憑借經(jīng)驗根據(jù)現(xiàn)場記錄對上述變形原因進行逐一排查；結(jié)構(gòu)件加工過程的復雜程度——成型、熱處理及切削加工等多重工序作用結(jié)果的累積效應，進一步增加了加工變形原因分析的難度。
加工變形原因分析與工藝診斷是通過實驗檢測輔助加工工藝仿真，尋求和探索制造加工的變形原因、規(guī)律和機理，建立加工變形的預測模型，為優(yōu)化制造加工工藝提供理論依據(jù)，從而減少和避免相似變形問題的重復發(fā)生。
輸出長齒輪軸工藝診斷案例
大型輸出長齒輪軸是應用于水電、風電、船舶動力等領(lǐng)域傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，通常的加工工藝為：鍛造-退火-正火-粗加工-滾齒-滲碳-淬火-回火-精加工。由于處在傳動系的末級，工作環(huán)境為高周次、低載荷（增速箱），或者低周次、高載荷（減速箱），因此，必須通過合金化與熱處理強化力學性能，并通過提高加工與裝配精度保證其動平衡性。然而，為了保證材料的可加工型與成品力學性能而引入的復雜熱處理工藝，在零件的成型與加工過程產(chǎn)生機械-溫度的強耦合，嚴重的影響尺寸精度，同時，其工藝復雜性及其與諸多因素的二次耦合，為變形原因的排查及解決方式的探究增加了新的難度。
齒輪軸材料為18CrNiMo（材料參數(shù)見下表），其變形形式主要包括：軸向變形、徑向變形與翹曲變形。由于合金鋼熱處理變形主要表現(xiàn)為熱應力變形，因此采用有限元熱固耦合的方式加以仿真分析。
本案例首先對工件進行二維軸對稱模型的熱處理仿真分析，目的是排除非對稱因素，得到工件沿軸向及徑向的變形量，從而確定熱處理溫度場變化對齒輪軸徑縮、軸縮變形的影響程度；繼而對齒輪軸進行三維實體建模，并分析齒輪軸翹曲變形的影響因素及影響程度；最后，考慮淬火工藝中其它環(huán)境因素對變形的影響，并得出齒輪軸熱處理變形的影響成分。
一、熱處理的二維軸對稱模型分析
為減少計算量，忽略輪齒的影響，忽略倒角，建立軸對稱模型，建立CupledTemperature-Displacement完全熱力耦合分析步，分十一個載荷步分析滲碳和淬火的全過程。采用完全熱力耦合單元CAX4T單元劃分網(wǎng)格。施加軸對稱約束，切換到柱坐標，約束對稱軸線徑向自由度和中間一點的環(huán)向自由度。最后，軸與周圍的環(huán)境介質(zhì)進行對流換熱，不同的換熱介質(zhì)不同的環(huán)境溫度分別賦予不同的換熱系數(shù)并求解。
二、熱處理過程的三維仿真：
對比二維和三維熱處理仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)工件經(jīng)過熱處理后軸向與徑向變形情況與工件的實際變形十分接近，因此可以確定上述變形主要是由于熱處理工藝環(huán)節(jié)的溫度場變化造成的。但三維仿真得到翹曲變形與實際情況仍存在一定差距，關(guān)于該部分變形的原因還需要進行進一步的分析。
其它因素仿真分析：
由上述分析可見，齒輪軸熱處理變形主要是由于溫度場變化不均勻?qū)е碌臒釕υ斐傻摹?/span>真實的熱處理過程中對工件溫度、溫度變化速度、變形等的影響因素更為復雜，還包括：
工件進入淬火前的殘余應力與變形情況；
工件淬火過程的入油速度與入油順序；
淬火過程中工件與淬火油溫度場的耦合作用；
淬火工程中工件的擺放方式；
淬火過程中淬火油液池的容量、材質(zhì)及其與油液的熱交換方式等。
綜合考慮上述因素后，進行多軸淬火過程仿真，并以橫截面代替整根軸，觀察上述因素對圓截面上溫度場變化的影響如下圖。
由上圖可知，建立“軸—液—池”淬火過程溫度—應力變化模型，在整個淬火降溫過程中，溫度梯度不再單純沿齒輪軸徑向分布，而是根據(jù)多根軸的相對位置關(guān)系，呈現(xiàn)靠近幾何中心位置的溫度較高，四周溫度較低的分布規(guī)律。而該溫度梯度分布規(guī)律將顯著影響齒輪軸的淬火應力，及其淬火后的變形特征，尤其是翹曲變形。
下表進行了兩種條件下的齒輪軸淬火仿真結(jié)果與實際情況的相似度對比，復雜仿真條件下對齒輪軸翹曲變形的仿真準確性有顯著提高。可見，根據(jù)上述變形機理與原因分析，已經(jīng)建立了相對準確的工件熱處理變形模型，并可依次模型及對應的變形原因，在仿真環(huán)境下快捷、高效的以較低成本指導并設(shè)計相應的熱處理工藝優(yōu)化方案。
在廣義的“失效分析”領(lǐng)域，按材料的損傷機理分類，變形問題與材料的斷裂、磨損、腐蝕問題為材料失效的四種主要形式。同時，變形問題可分為加工階段的即時變形與服役階段的延遲變形，由于后者主要是由于前者引入的殘余應力與工況載荷、時間、溫度等因素耦合造成的，因此，有必要建立加工過程仿真及變形預測模型，完善工藝診斷與加工變形分析體系，為加工變形問題解決方案的探尋提供快捷、高效、直接的路徑。
?來源：百度文庫
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