热处理加热保温时间一般是根据钢的牌号、装炉数量与方式、工件的尺寸形状与有效截面、工件的性能要求等，利用传统的经验公式确定。实际生产中，通常根据经验和工件有效厚度（mm）来计算保温时间，在空气炉中淬火加热保温时间大约是仪表显示温度到温后，按有效厚度1mm/min确定。本文采用有限元法模拟了十字轴加热保温过程温度场的变化，并在实际生产中进行了测温验证，为优化不同规格十字轴加热保温工艺提供了参考依据。

1.十字轴建模

十字轴建模，十字轴轴头直径225mm，如图1所示，对称结构，取一个圆柱轴头的1/12建模，如图2所示。

图1 十字轴 

 图2 十字轴圆柱轴头1/12模型

2.十字轴加热保温模拟及验证

十字轴采用了20Cr2Ni4W渗碳钢的热物参数。初始条件为升温阶段实测十字轴的温度340℃。边界条件用第三类边界条件，即对流边界加辐射边界。加热过程较为缓慢，炉内综合换热系数采用文献中所述的计算方法。环境加热条件设置为炉内加热气氛的温度。

十字轴装入加热炉内加热保温（见图3），在其心部插入一支热电偶，石棉堵塞中心通孔。靠近十字轴表面粘贴了一支热电偶，测其表面温度。加热保温温度850℃，保温时间以实测心部到温后结束。十字轴加热过程模拟见图4。

图3  850℃保温的十字轴

图4  十字轴加热过程模拟

3.结果分析

十字轴表面和心部的模拟和实测结果如图5所示。

图5  模拟和测量的表面和心部温度

从图5可以看出：心部的模拟和实测温度曲线相符，心部在升温阶段，模拟升温比实际升温快，主要因为换热系数是依据公式计算确定，虽然公式的适应性在工程中得到认可[2]，与真实的换热系数仍然存在一定偏差；表面模拟结果与实测温度误差很大，分析认为贴近十字轴表面的热电偶测的并非本体表面温度，而是介于炉内气氛温度和工件表面温度之间的温度。表面实测的温度跟炉子温控仪表测的炉内气氛温度更相符。

4.结语

对十字轴加热过程进行了模拟，并在生产现场进行了测温验证。十字轴心部的升温曲线，模拟与实测相吻合，为今后优化十字轴的加热工艺优化提供了参考。