“變形”是指由于應(yīng)力、溫度、時(shí)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(shí)際尺寸與理想尺寸之間的偏差，當(dāng)其超過(guò)了設(shè)計(jì)指標(biāo)允許的范疇，便會(huì)凸顯為結(jié)構(gòu)件的“變形問(wèn)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(wèn)題是由殘余應(yīng)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(yàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄對(duì)上述變形原因進(jìn)行逐一排查；結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程的復(fù)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(yīng)，進(jìn)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(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)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(jī)理，建立加工變形的預(yù)測(cè)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(wèn)題的重復(fù)發(fā)生。
輸出長(zhǎng)齒輪軸工藝診斷案例
大型輸出長(zhǎng)齒輪軸是應(yīng)用于水電、風(fēng)電、船舶動(dòng)力等領(lǐng)域傳動(dòng)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(dòng)系的末級(jí)，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(guò)合金化與熱處理強(qiáng)化力學(xué)性能，并通過(guò)提高加工與裝配精度保證其動(dòng)平衡性。然而，為了保證材料的可加工型與成品力學(xué)性能而引入的復(fù)雜熱處理工藝，在零件的成型與加工過(guò)程產(chǎn)生機(jī)械-溫度的強(qiáng)耦合，嚴(yán)重的影響尺寸精度，同時(shí)，其工藝復(fù)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(jiàn)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(yīng)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(duì)工件進(jìn)行二維軸對(duì)稱(chēng)模型的熱處理仿真分析，目的是排除非對(duì)稱(chēng)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(chǎng)變化對(duì)齒輪軸徑縮、軸縮變形的影響程度；繼而對(duì)齒輪軸進(jìn)行三維實(shí)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(duì)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(duì)稱(chēng)模型分析
為減少計(jì)算量，忽略輪齒的影響，忽略倒角，建立軸對(duì)稱(chēng)模型，建立CupledTemperature-Displacement完全熱力耦合分析步，分十一個(gè)載荷步分析滲碳和淬火的全過(guò)程。采用完全熱力耦合單元CAX4T單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。施加軸對(duì)稱(chēng)約束，切換到柱坐標(biāo)，約束對(duì)稱(chēng)軸線徑向自由度和中間一點(diǎn)的環(huán)向自由度。最后，軸與周?chē)沫h(huán)境介質(zhì)進(jìn)行對(duì)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(guò)程的三維仿真：
對(duì)比二維和三維熱處理仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)工件經(jīng)過(guò)熱處理后軸向與徑向變形情況與工件的實(shí)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(chǎng)變化造成的。但三維仿真得到翹曲變形與實(shí)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(jìn)行進(jìn)一步的分析。
其它因素仿真分析：
由上述分析可見(jiàn)，齒輪軸熱處理變形主要是由于溫度場(chǎng)變化不均勻?qū)е碌臒釕?yīng)力造成的。真實(shí)的熱處理過(guò)程中對(duì)工件溫度、溫度變化速度、變形等的影響因素更為復(fù)雜，還包括：
工件進(jìn)入淬火前的殘余應(yīng)力與變形情況；
工件淬火過(guò)程的入油速度與入油順序；
淬火過(guò)程中工件與淬火油溫度場(chǎng)的耦合作用；
淬火工程中工件的擺放方式；
淬火過(guò)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(jìn)行多軸淬火過(guò)程仿真，并以橫截面代替整根軸，觀察上述因素對(duì)圓截面上溫度場(chǎng)變化的影響如下圖。
由上圖可知，建立“軸—液—池”淬火過(guò)程溫度—應(yīng)力變化模型，在整個(gè)淬火降溫過(guò)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(duì)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(yīng)力，及其淬火后的變形特征，尤其是翹曲變形。
下表進(jìn)行了兩種條件下的齒輪軸淬火仿真結(jié)果與實(shí)際情況的相似度對(duì)比，復(fù)雜仿真條件下對(duì)齒輪軸翹曲變形的仿真準(zhǔn)確性有顯著提高。可見(jiàn)，根據(jù)上述變形機(jī)理與原因分析，已經(jīng)建立了相對(duì)準(zhǔn)確的工件熱處理變形模型，并可依次模型及對(duì)應(yīng)的變形原因，在仿真環(huán)境下快捷、高效的以較低成本指導(dǎo)并設(shè)計(jì)相應(yīng)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(jī)理分類(lèi)，變形問(wèn)題與材料的斷裂、磨損、腐蝕問(wèn)題為材料失效的四種主要形式。同時(shí)，變形問(wèn)題可分為加工階段的即時(shí)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(yīng)力與工況載荷、時(shí)間、溫度等因素耦合造成的，因此，有必要建立加工過(guò)程仿真及變形預(yù)測(cè)模型，完善工藝診斷與加工變形分析體系，為加工變形問(wèn)題解決方案的探尋提供快捷、高效、直接的路徑。
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