Multiphysyical Finite Element Simulation of Contour Induction Hardening of Gears

Induction heating has been widely applied in the field of heat treatment of components for the automotive and aerospace sectors, in particular for the hardening of a huge variety of applications. The main advantages of using this technology counts the high level of repeatability achievable in the treated product, together with the high velocity and automation of treatment, factors both able to ensure production efficiency and reduced environmental impact. Nowadays, numerical methods are becoming more and more important as a reference method of analysis, in order to optimize the main parameters of the process, also thanks to the possibility of coupling different physical between them, a result which until a few years ago would not have been possible. The aim of this work is the analysis and numerical modeling of the process of induction hardening of gear wheels for the aerospace industry. In this thesis it will be shown how, starting from the electromagnetic and thermal coupled models, already extensively used in the last years by both the research and the industrial sectors, it is possible to calculate the phase transformations that occur in the steel during the heating and cooling stages. The algorithm developed will be firstly applied on the case of a simple 2D geometry, and then the complexity level will be gradually increased (both from computational and process point of view), applying the algorithm to an induction hardening process of a gear. The numerical results thus obtained will be verified experimentally.

Il riscaldamento a induzione è stato diffusamente impiegato nel settore dei trattamenti termici di componenti per i settori automobilistico ed aerospaziale, in particolare per la tempra di una vasta varietà di applicazioni. I principali vantaggi legati all’utilizzo di questa tecnologia risiedono nell’elevato grado di ripetibilità ottenibile nel prodotto trattato, unitamente alla elevata velocità ed automazione di trattamento, fattori entrambi in grado di garantire una produzione efficiente e dal ridotto impatto ambientale. Oggigiorno, i metodi numerici si stanno affermando sempre più come principale metodo di analisi, in modo da ottimizzare i principali parametri di processo, anche grazie alla possibilità di accoppiare diverse fisiche tra di loro, risultato che fino a pochi anni fa non sarebbe stato possibile. Scopo di questo lavoro è l’analisi e la modellazione numerica del processo di tempra ad induzione su ruote dentate per l’industria aerospaziale. Nel corso della tesi si mostrerà come, partendo dai modelli elettromagnetici e termici accoppiati, già diffusamente sviluppati negli anni sia a livello di ricerca che a livello industriale, è possibile anche calcolare le trasformazioni di fase che avvengono nell’acciaio nel corso del riscaldamento e del raffreddamento. L’algoritmo sviluppato verrà poi applicato dapprima su di un caso semplice 2D, per poi incrementare la difficoltà (sia computazionale che di processo), applicandolo ad un trattamento di tempra ad induzione di una ruota dentata. I risultati numerici così ottenuti verranno verificati sperimentalmente.