鋼感應淬火工藝參數優化探討范文

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《徐州工程學院學報》2017年第2期

摘要：通過響應面法建立了35SiMn鋼感應淬火工藝參數電流頻率、電流密度、移動速度與淬火性能工藝目標表面硬度、淬層深度、抗拉強度之間的二次回歸方程，并對35SiMn鋼感應淬火工藝參數進行了單工藝目標和綜合工藝目標優化，分別得到了各自的優化工藝參數，同時進行了驗證試驗，實際結果與優化預測結果基本一致．

關鍵詞：35SiMn鋼；淬火；工藝參數；優化；響應面

35SiMn是一種性能優良、經濟實用的合金調質鋼，其淬透性好，具有較高的強度、良好的韌性和耐磨性、可切削加工性等優點［1－2］，常用于制造傳動齒輪、主軸、心軸、轉軸、連桿、蝸桿、軌道電車軸、發電機軸、曲軸、飛輪和大小鍛件等［3－4］．淬火是35SiMn鋼的常見熱處理方式，也是改善其力學性能的主要手段．感應淬火技術具有加熱速度快、生產效率高、節約能源、保護環境、易于實現機械化和自動化等諸多優點，在機械制造行業，已獲得廣泛的應用［5－6］．感應淬火是涉及電、磁、熱、相變和力學方面的復雜物理過程［7－8］，其工藝參數直接影響材料的淬火效果和性能．感應器的移動速度、電流頻率、電流密度等參數影響加熱溫度的變化，因此對零件表面奧氏體化的形成過程產生影響，進而影響材料淬火后的最終組織及力學性能［9－10］．合理選擇感應淬火工藝參數，對提高零件淬火效果和材料的綜合力學性能十分重要．響應面優化是將體系的響應作為1個或多個因素的函數，通過一系列確定性試驗，用多項式函數來近似隱式極限狀態函數，通過合理地選取試驗點和迭代策略，來保證多項式函數能夠在失效概率上收斂于真實的隱式極限狀態函數的失效概率，從而尋找最優條件［7－8］．優化結果不僅局限在試驗設計的孤立點上，而是在整個響應多項式函數定義域內，所以比正交試驗優化法有更高的精度．本文運用響應面法優化35SiMn鋼感應淬火工藝參數，以期為其淬火工藝設計與生產控制提供借鑒．

1試驗方法

試驗材料為16mm×120mm的35SiMn鋼棒料．采用試件旋轉感應器沿試件軸向移動的加熱方式淬火．加熱停止后繼續噴水冷卻5s，直至溫度降到馬氏體停止轉變溫度以下［11－12］．在不同感應圈移動速度、電流頻率及電流密度下，分別考察試件的淬火效果，即以電流頻率（A）、電流密度（B）、移動速度（C）為感應淬火優化工藝參數．利用響應面優化軟件工具，設計一個3因素5水平的旋轉中心組合試驗［9－10］，試驗設計見表1．材料淬火后的性能指標較多，如力學性能（硬度，強度，塑性）、工藝性能（切削，鑄造，焊接，鍛造）、金相組織結構等．文中以表面硬度（Y1）、淬層深度（Y2）、抗拉強度（Y3）為感應淬火試件綜合力學性能為優化工藝目標．用HV－1000維氏硬度計測量試件的表面硬度，沿試件軸向和徑向分別取5個不同點測點，取其平均值為其硬度；將試樣打磨干凈，用體積分數4％硝酸乙醇溶液（4mL硝酸＋96mL乙醇）浸蝕后，觀測硬化層及金相組織，淬硬層的測量自表面開始測至顯示出清晰50％馬氏體組織處為止．在WDW－100電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，測量試件的抗拉強度。

2試驗分析

2．1二次回歸方程

響應面法優化的基本原理是首先利用試驗數據建立優化工藝參數和工藝目標之間的函數關系，然后對擬合的函數進行規劃，最后得到最優解．根據表2中的試驗數據，分別對試件的表面硬度（Y1）、淬層深度（Y2）、抗拉強度（Y3）進行二次回歸擬合。

2．2方差分析方差分析

主要是檢驗模型的擬合精度．方差分析常用的指標有：模型檢驗值F、失擬項檢驗值F′、模型概率P、失擬項概率P′、相關系數R2、修正相關系數R2Adj、預測相關系數R2Pred、信噪比PAdeq等［13－14］．模型的檢驗值F越大概率值P越小、信噪比PAdeq越大，說明模型的擬合精度越高；失擬項的檢驗值F′越小概率值P′越大，說明模型的擬合精度越高；相關系數R2越大，說明模型的擬合度越好，但是R2隨著自變量的個數增加而增大，為了全面的考察擬合程度，引進修正相關系數R2Adj，當R2Adj與R2值相接近時，說明擬合程度較好；當R2Adj與R2值相差較大時，說明近似模型中存在不重要的參數，可以通過回歸分析刪除冗余參數．此外還可以根據預測相關系數R2Pred，判斷方程的擬合精度，R2Pred與修正相關系數R2Adj越接近，說明預測精度越高。

3工藝優化

3．1單工藝目標優化

分別對感應淬火試件的表面硬度（Y1）、淬層深度（Y2）、抗拉強度（Y3）進行單工藝目標優化，即分別求Y1、Y2、Y3達到最優時的淬火工藝參數淬火頻率、電流密度、移動速度的最佳值．表面硬度、淬層深度、抗拉強度最優，即Y1、Y2、Y3均最大。

3．2綜合工藝參數優化

綜合優化工藝目標是求使3項工藝目標同時到達最優時35SiMn鋼感應淬火的最佳工藝參數，即使表面硬度（Y1）、淬層深度（Y2）、抗拉強度（Y3）均最大時的淬火頻率、電流密度、移動速度的最佳值．綜合工藝目標優化問題可轉化為單工藝目標優化問題，方法是將綜合工藝目標表示為單工藝目標的加權線性組合。

3．3交互項影響分析

交互項分析是考察二次回歸方程中的交互項對工藝目標的影響規律和影響程度．利用響應面優化軟件，可作出各工藝目標的響應面。

3．4驗證試驗以優化

得到的工藝參數進行35SiMn淬火試驗驗證，即電流頻率14．99kHz，電流密度40×10－6A／m2，感應器移動速度4．298mm／s進行感應淬火，測試試件的性能，結果為表面硬度Y1＝453．2HV，淬層深度Y2＝2．23mm，抗拉強度Y3＝116．9MPa，與響應面優化的結果基本一致，說明了響應面法優化35SiMn鋼感應淬火工藝參數的可行性和有效性。

4結語

感應淬火是一種全新的熱處理工藝技術，其熱效率高，加熱時間短，工件變形小，淬火缺陷少，質量穩定，生產環境清潔，能滿足局部熱處理要求．由于感應淬火可以選擇的頻率段較多，硬化層的范圍較寬，淬層深度比滲碳淬火更深，因此可使工件的強度達到更高標準，在機械制造行業被廣泛應用．感應淬火工藝參數直接影響淬火后零件的性能，優化工藝參數是保證零件感應淬火效果和使用性能的關鍵．本文通過響應面法建立了35SiMn鋼感應淬火工藝參數電流密度、移動速度和淬火頻率與零件淬火性能表面硬度、淬層深度、抗拉強度之間的二次回歸方程，并通過響應面優化軟件，對35SiMn鋼淬火進行了單工藝目標和綜合工藝目標優化．在以表面硬度、淬層深度、抗拉強度為多工藝優化目標下，感應淬火最佳工藝參數為：淬火電流頻率14．99kHz，電流密度40×10－6A／m2，移動速度4．298mm／s．此時，表面硬度為453．8HV，淬層深度為2．296mm，抗拉強度為116．2MPa，并可得到優化結果的可信度P＝0．8863．

參考文獻：

［1］張根元，奚小青，張維穎．感應淬火工藝參數優化和組織硬度分布預測［J］．材料熱處理學報，2013，34（6）：176－178．

［2］劉江，陳鋒，余新泉．感應淬火工藝參數對GCr15鋼淬硬層的影響［J］．機械工程材料，2010，34（3）：19－22．

［3］賀連芳，李輝平，蓋康，等．55CrMo鋼感應淬火工藝的數值模擬及工藝優化［J］．材料熱處理學報，2015，36（1）：199－204．

［4］葛運旺，胡榮強，白旭燦，等．感應淬火過程參數優化控制問題的研究［J］．武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2007，29（3）：30－33．

［5］林信智，齊松濤，趙文龍．感應淬火的頻率選擇［J］．金屬熱處理，2015，40（3）：209－211．

［6］陳增，張根元，趙正陽．45鋼光軸連續感應淬火過程的數值模擬［J］．金屬熱處理，2016，41（4）：193－196．

［7］朱志明，柴鋒，梁豐瑞，等．低合金鋼感應淬火溫度場模擬與優化［J］．鋼鐵研究學報，2017，29（1）：75－80．

［8］蓋康，賀連芳，張春芝，等．基于RSM的絲杠感應淬火工藝數值模擬及參數優化［J］．材料熱處理學報，2016，37（S1）：146－152．

［9］胡延平，徐強，唐華峰，等．基于ANSYS的多點式中頻感應淬火溫度場有限元模擬［J］．金屬熱處理，2015，40（4）：169－173．

［10］史若男，張瑞亮，王鐵，等．感應淬火齒輪接觸疲勞強度試驗研究［J］．機械傳動，2014，38（11）：18－21．

［11］潘毅，王家坷，趙毅，等．基于ANSYS的閱讀臂薄板件感應淬火工藝研究［J］．鑄造技術，2015，36（1）：94－96．

［12］舒服華．響應面法在石材拋光工藝參數優化中的應用［J］．石材，2016（12）：27－32．

［13］舒服華．響應面法在粉煤灰頁巖燒結磚工藝參數優化中的應用［J］．磚瓦，2016（11）：20－25．

［14］張黎嘩，徐中明，夏磊，等．銀杏果熱風干燥工藝參數響應面法優化［J］．農業機械學報，2012，43（3）：140－145．

［15］葛邦國，劉光鵬，劉志勇．響應面法優化臍橙變溫壓差膨化工藝［J］．食品科技，2015，40（1）：77－84.

作者：王艷 單位：武漢理工大學材料科學與工程學院