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结构 热处理-硬度分布的定量匹配设计方法

阅读：520发布：2023-03-09

专利汇可以提供结构热处理-硬度分布的定量匹配设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且针对现有的按照整体强度观点进行的结构硬度设计过程中硬度失配现象，本发明提出了结构热处理 -硬度分布的定量匹配设计方法。具体方法为根据结构危险截面的极限静应力分布，确定结构危险截面的理想静强度场分布；利用强度-硬度转换关系，确定结构危险截面的理想硬度分布；结合材料和热处理方式，确定表面硬度、芯部硬度等热处理要求；根据材料端淬曲线和热处理要求，确定结构危险截面的实际硬度分布。，下面是结构热处理-硬度分布的定量匹配设计方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种结构热处理-硬度分布的定量匹配设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、确定拟进行热处理-硬度分布的定量匹配设计的结构在使用过程中可能出现的最危险的极限静载荷，在该极限静载荷下获得结构危险截面处的最高静应力及静应力梯度方向应力分布；
步骤2、根据步骤1得到的最高静应力及静应力梯度方向分布，确定结构的理想静强度场分布，结构危险截面上的任一点的静强度都大于该点的应力，按照应力-强度干涉理论，机械结构和零部件危险截面任一点的理想强度设计为该点的疲劳应力幅值乘以安全系数；
步骤3、根据黑色或有色金属的强度—硬度对应转换关系或试验得到的强度—硬度对应关系，把结构危险截面的理想静强度分布转化为结构危险截面的理想硬度分布；
步骤4、以结构危险截面的理想硬度分布为目标，匹配结构的材料和热处理方式，调整淬硬层深度，使得结构的实际表面硬度、实际次表面硬度、实际芯部硬度都大于等于相应点的理想目标硬度；
步骤5、根据结构的热处理表面硬度芯部硬度要求，结合材料的端淬最低和最高硬度沿深度分布曲线，通过确定淬硬层深度确保全场实际硬度大于等于理想硬度，最终得到结构危险截面的实际硬度分布。
2.如权利要求1所述的一种结构热处理-硬度分布的定量匹配设计方法，其特征在于，步骤1中，利用材料力学或有限元方法，计算出结构危险截面处的所述最高静应力及所述静应力梯度方向应力分布。
3.如权利要求1所述的一种结构热处理-硬度分布的定量匹配设计方法，其特征在于，步骤1中，在简单载荷下，所述最高静应力及所述静应力梯度方向应力分布为结构危险截面处的表面最高应力和结构危险截面处的应力沿深度的分布。
4.如权利要求1所述的一种结构热处理-硬度分布的定量匹配设计方法，其特征在于，步骤2中，所述理想强度场与所述最高静应力及所述静应力梯度方向应力分布成比例放大。
5.如权利要求1所述的一种结构热处理-硬度分布的定量匹配设计方法，其特征在于，步骤4中，若实际芯部硬度过高，采用含碳量更低材料和表面渗碳来进行调节；所述实际次表面硬度通过淬硬层深度调节；所述实际表面硬度通过渗碳或增加淬硬层深度增加。

说明书全文

结构热处理-硬度分布的定量匹配设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及机械设计中结构硬度设计领域，适用于黑色、有色等金属机械结构和零部件的硬度设计。

背景技术

[0002] 现有的机械结构和零部件的硬度分布设计是仅以危险截面应力分布进行硬度匹配设计，通过类比、经验等方法得到表面硬度、淬硬层深度以及芯部硬度。因此，在机械零件硬度分布的设计过程中，其热处理淬硬层深度、硬度梯度分布的设计和制定没有定量的理论和技术依据，热处理工艺要求与机械零件的加工没有进行有机的联系起来，从而造成机械结构和零部件的硬度设计过程中不能进行硬度定量匹配设计。本发明提出强度场的概念，实现了结构热处理-硬度分布的定量匹配设计方法，将应力场转化为强度场再转化到硬度场，再结合材料和热处理得到结构危险截面的实际硬度分布。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是：现有的按照整体强度观点进行的机械结构和零部件硬度设计过程中存在的硬度失配问题。

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种结构热处理-硬度分布的定量匹配设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0005] 步骤1、确定拟进行热处理-硬度分布的定量匹配设计的结构在使用过程中可能出现的最危险的极限静载荷，在该极限静载荷下获得结构危险截面处的最高静应力及静应力梯度方向应力分布；

[0006] 步骤2、根据步骤1得到的最高静应力及静应力梯度方向分布，确定结构的理想静强度场分布，结构危险截面上的任一点的静强度都大于该点的应力，按照应力-强度干涉理论，机械结构和零部件危险截面任一点的理想强度设计为该点的疲劳应力幅值乘以安全系数；

[0007] 步骤3、根据黑色或有色金属的强度—硬度对应转换关系或试验得到的强度—硬度对应关系，把结构危险截面的理想静强度分布转化为结构危险截面的理想硬度分布；

[0008] 步骤4、以结构危险截面的理想硬度分布为目标，匹配结构的材料和热处理方式，调整淬硬层深度，使得结构的实际表面硬度、实际次表面硬度、实际芯部硬度都大于等于相应点的理想目标硬度；

[0009] 步骤5、根据结构的热处理表面硬度芯部硬度要求，结合材料的端淬最低和最高硬度沿深度分布曲线，通过确定淬硬层深度确保全场实际硬度大于等于理想硬度，最终得到结构危险截面的实际硬度分布。

[0010] 优选地，步骤1中，利用材料力学或有限元方法，计算出结构危险截面处的所述最高静应力及所述静应力梯度方向应力分布。

[0011] 优选地，步骤1中，在简单载荷下，所述最高静应力及所述静应力梯度方向应力分布为结构危险截面处的表面最高应力和结构危险截面处的应力沿深度的分布。

[0012] 优选地，步骤2中，所述理想强度场与所述最高静应力及所述静应力梯度方向应力分布成比例放大。

[0013] 优选地，步骤4中，若实际芯部硬度过高，采用含碳量更低材料和表面渗碳来进行调节；所述实际次表面硬度通过淬硬层深度调节；所述实际表面硬度通过渗碳或增加淬硬层深度增加。

[0014] 本发明相比于传统的硬度分布匹配设计方法，可以根据材料和热处理等主动进行局部强度匹配，解决原有按整体强度观点进行设计所导致的与局部硬度不匹配而产生的局部硬度过剩问题，实现机械结构和零部件的硬度分布的定量匹配设计。附图说明

[0015] 图1为实心轴尺寸图，图1中，Φ1＝28.5mm，Φ2＝26.5mm，Φ3＝29.2mm，Φ4＝30.5mm，Φ5＝26.6mm，Φ6＝27.1mm，L＝468mm；

[0016] 图2为本发明的实施流程图；

[0017] 图3为危险截面扭转应力分布；

[0018] 图4为扭转应力和理想强度分布；

[0019] 图5为危险截面理想硬度沿深度分布；

[0020] 图6为结构危险截面的实际硬度分布。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

[0022] 本实施例以实心轴在扭转载荷下的扭转为例，轴的材料为40Cr 钢、轴的最小直径为26.5mm、最大直径为30.5mm、轴长468mm。承受的极限扭转载荷为3500Nm，尺寸如图1所示。结合图2，本发明提供的一种结构热处理-硬度分布的定量匹配设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0023] 1)确定极限静载荷下结构危险截面的最高静应力及其梯度分布；

[0024] 在结构使用过程中可能出现最危险的极限静载荷下，应用材料力学或有限元方法，计算出结构危险截面处的最高静应力及其梯度方向应力分布。在简单载荷下，最高静应力及其梯度方向应力分布即为结构危险截面处的表面最高应力和该处应力沿深度的分布。

[0025] 对于本实施例，最危险的极限扭转载荷为3500Nm，应用材料力学方法，对于本例危险截面在扭转模量最小(即直径最小)的外表面直径26.5mm处，最高应力为：

[0026]

[0027] 式(1)中，T为扭矩，单位为Nm；Wt为抗扭截面系数，单位为m3。

[0028] 最高静应力最大梯度方向是直径为26.5mm的外表面指向轴心，横截面距轴心任一点的应力为：

[0029]

[0030] 式(2)中：Ty为扭矩，单位为Nm；Ip为截面极惯性矩，单位为m4；y为横截面上距轴中心距离的距离。本实施例计算得到的危险截面扭转应力分布如图3所示。

[0031] 2)根据最高静应力及其梯度分布，确定结构危险截面的理想静强度分布；

[0032] 根据结构使用过程中极限静载荷下的最高静应力及静应力梯度方向分布，可以确定结构的理想静强度场分布，理想强度场与最高静应力及其梯度方向分布成比例放大。结构危险截面上的任一点的静强度都大于该点的应力，按照应力-强度干涉理论，机械结构和零部件危险截面任一点的理想强度设计为该点的疲劳应力幅值乘以安全系数。机械结构和零部件危险截面上的理想静强度分布，不存在强度过剩，强度利用率达到最大。

[0033] 在本实施例中，理想强度设计是结构危险截面任一点的理想强度都大于该点的极限应力，理想强度与极限应力之比值为常数，该常数为安全系数，它与载荷、材料性能等因素相关。本例中静强度设计的安全系数取1.2，整体强度下理想扭转强度场分布如图4所示，图4中同时给出了相应点的极限应力分布。

[0034] 3)利用强度-硬度转换关系，确定结构危险截面的理想硬度分布；

[0035] 根据黑色或有色金属的强度—硬度对应转换关系或试验得到的强度—硬度对应关系，把结构危险截面的理想静强度分布转化为结构危险截面的理想硬度分布。

[0036] 本实施例中，根据设计得到的结构理想静强度分布，应用强度—硬度转换关系以及第三强度理论可以得到结构危险截面的理想硬度分布，危险截面任意点的硬度可根据该点的理想强度求得，如式(3)所示：

[0037]

[0038] 式(3)中，τd——深度d点处的扭转强度，单位为MPa；Hd——深度d点处的硬度，单位为HRC。由式(3)得到的危险截面任意点沿深度分布的理想硬度如图5所示。

[0039] 4)结合材料和热处理方式，确定表面硬度、芯部硬度等热处理要求[0040] 结构的热处理要求包括热处理方式、表面硬度、芯部硬度等参数，以危险截面的理想硬度分布为目标，匹配结构的材料和热处理方式，调整淬硬层深度，使得实际结构的表面硬度、芯部硬度都大于等于相应点的理想目标硬度。芯部硬度过高，可以采用含碳量更低材料和表面渗碳；次表面硬度可以通过淬硬层深度调节；表面硬度可以通过渗碳或增加淬硬层深度增加。

[0041] 对于本实施例中，危险截面的理想硬度分布为表面硬度为55HRC、芯部硬度为0的线性分布；兼顾产品工艺过程匹配出本例材料为40Cr、热处理方式为中频淬火；表面硬度最小值55HRC，芯部硬度不大于30HRC。

[0042] 5)根据材料端淬曲线和热处理要求，确定结构危险截面的实际硬度分布[0043] 根据结构的热处理表面硬度芯部硬度要求，结合材料的端淬最低和最高硬度沿深度分布曲线，通过确定淬硬层深度确保全场实际硬度大于等于理想硬度，最终得到结构危险截面的实际硬度分布。

[0044] 本实施例的热处理方式为中频淬火，表面硬度最小值为55HRC，芯部硬度不大于30HRC，结合材料的端淬最低和最高硬度沿深度分布曲线。通过调整淬硬层深度确保全场的实际硬度大于等于理想硬度，最终确定结构危险截面的实际表面硬度为57-62HRC，硬度为
50HRC以上的硬化层深度在4.8-8mm之间，芯部硬度不大于30HRC，结构危险截面的实际硬度分布如图6所示。

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