摘要
低压真空渗碳是一种高效、节能、排放少的绿色热处理技术，可以实现精密生产、高效生产、清洁生产、经济生产、智能生产，是热处理行业重点推广的先进技术。作为低压真空渗碳工艺首道工序，真空加热过程控制是保证高质量渗碳的关键。真空辐射传热滞后现象明显，传热量与物体之间相对位置密切相关，实验和传统经验指导设备设计和工艺控制的方式已经不能满足日益严苛的热处理质量要求。本文借助数值模拟方法，建立低压真空渗碳加热过程仿真平台，研究加热器结构参数和典型形状零件布料矩阵对温度场影响，分析了加热工艺参数对工件心表温差影响规律，为设备设计和加热工艺制定和优化提供指导。本文主要研究工作和成果如下: (1)建立低压真空渗碳炉加热过程仿真平台。仿真平台考虑了导热系数和比热容等热物性参数随温度的非线性变化。采用智能化PID算法实现了仿真平台炉温精确控制，为真空渗碳加热过程虚拟生产奠定基础。 (2)系统地模拟了不同加热器结构参数下的真空加热过程。基于辐射传热理论，分析了石墨管数量、长度和分布半径变化，所引起的加热器辐射强度和加热器与工件之间辐射角系数的改变。研究了以上加热器关键结构参数对加热过程工件表面热流密度、有效加热区温度场和工件心表温差的影响，为加热器结构设计和优化提供指导。 (3)系统模拟研究了布料矩阵对真空加热过程温度场影响。针对典型低压真空渗碳热处理零件形状，选择圆形棒料和圆形板料进行研究。分别对比两种形状工件采用不同布料矩阵加热过程的升温曲线、温差数据和温度分布，研究布料矩阵对加热速率和温度场均匀性的影响，为合理布料提供理论依据。 (4)基于仿真平台进行不同加热工艺过程虚拟生产。首先模拟满功率加热过程，分析加热过程温度均匀性，并通过实验验证了满功率加热会导致工件心表温差过大。分别模拟不同升温速率和预热温度下的真空加热过程温度场，探究了各工艺参数对工件心表最大温差影响规律。综合考虑温度均匀性和加热效率，制定Φ40mm的20CrMnTi圆钢加热工艺优化方案。
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