基于ANSYS Workbench的感應(yīng)加熱零件熱變形分析

雷乾勇　柴進(jìn)

摘要：為了進(jìn)一步提高高頻加熱電機機殼壓裝精度，避免加工過程中因高頻加熱以及溫度傳導(dǎo)引起的工裝變形，導(dǎo)致機殼壓裝不符合要求，采用ANSYS軟件對高頻加熱工裝在不同溫度和不同材質(zhì)情況下的熱變形進(jìn)行了仿真研究。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，工裝的變形增加，最終導(dǎo)致工裝公差變化。采用不同的材料，工裝在不同溫度情況下的變形大小不一致，通過改變材料可以在一定程度上緩解工裝在高頻加熱過程中的變形，有利于保證機殼壓裝的精度。

關(guān)鍵詞：ANSYS有限元;電機;熱變形;公差;高頻加熱

中圖分類號：TM305? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）05-0068-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.019

引言

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及我國國防工業(yè)自動化程度的不斷提高，作為工業(yè)動力來源的電機，無論是對其數(shù)量的需求還是對其質(zhì)量的要求，都在不斷提高。近年來，隨著國防工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我司承接的無刷電機產(chǎn)能穩(wěn)步提升。

在無刷電機加工環(huán)節(jié)，實現(xiàn)定子電樞和機殼過盈裝配的工位使用了高頻加熱技術(shù)，先使用高頻加熱電機將鋁合金材質(zhì)的機殼加熱到指定的裝配溫度，然后在氣動壓床的壓力下把定子電樞壓裝進(jìn)入加熱膨脹后的機殼內(nèi)，隨后使裝配完成的電樞與機殼組件在空氣中自然冷卻，達(dá)到合理配合裝配的目的。

在加工過程中安裝機殼的工裝是金屬材質(zhì)，且機殼的尺寸較小，導(dǎo)致高頻加熱過程中，感應(yīng)線圈距離安裝機殼的工裝底座較近，使得感應(yīng)線圈在加熱鋁合金材質(zhì)[1]機殼的同時也會加熱工裝底座。同時，由于鋁合金材質(zhì)具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，鋁合金材質(zhì)被加熱后機殼上的熱量會傳導(dǎo)到安裝機殼的工裝底座上，進(jìn)一步引起工裝底座的溫度上升。在加熱過程中，工裝底座沒有額外的冷卻手段，加工過程中，工裝底座不斷升溫，加工達(dá)到一定數(shù)量后，工裝升溫引起的工裝熱變形過大[2]，將導(dǎo)致下一次準(zhǔn)備壓裝機殼時，機殼和工裝底座之間的間隙配合變成過盈配合[3]，機殼無法裝入工裝底座，使得加工不得不停下來，等待工裝冷卻后再繼續(xù)。

為有效緩解加熱過程中工裝被動加熱對加工效率帶來的影響，本文采用ANSYS[4]熱變形分析手段對工裝在加熱情況下的變形和變形產(chǎn)生的熱應(yīng)力進(jìn)行了仿真分析，為工裝的選材和熱平衡設(shè)計提供數(shù)據(jù)和理論支撐。仿真系統(tǒng)實物如圖1所示。

根據(jù)需要研究工裝變形實際情況，熱源僅設(shè)定為工裝。

1? ? 散熱分析模型

在感應(yīng)加熱過程中，系統(tǒng)的熱量存在輻射、對流、傳導(dǎo)等三種傳遞方式。利用ANSYS對感應(yīng)加熱工裝這一系統(tǒng)的熱平衡進(jìn)行分析：

式中： ρ為流體密度;ρ為單位體積上的慣性; ρF為單位體積上的質(zhì)量力;divP為單位體積上應(yīng)力張量的散度; ρqdτ表示單位時間內(nèi)由于輻射或其他原因傳入τ內(nèi)的總熱量。

其中 ρqdτ包含了傳導(dǎo)、對流、輻射三種熱量傳遞方式，分別表示如下：

式中：Q1為傳導(dǎo)熱流量;λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，負(fù)號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度相反;A為垂直于導(dǎo)熱方向的面積;為沿等溫面法線方向的溫度梯度。

式中：Q2為對流換熱量;ht為對流換熱系數(shù);A為壁面的有效對流換熱面積;tw為固體表面的溫度;tf為冷卻流體的溫度。

式中：Q3為輻射換熱量;δ0為斯蒂芬—玻耳茲曼常數(shù)，δ0=5.68×10-8;A為物體輻射換熱的表面積;εxt為系統(tǒng)發(fā)射率，其中ε1、ε2分別為高溫物體表面和低溫物體表面的發(fā)射率;F12為表面1到表面2的角系數(shù);T1、T2為表面1、表面2的絕對溫度。

2? ? 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為了能夠順利對系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，對模型進(jìn)行了如圖2所示的簡化，保留了模型的主要特征，去掉了螺絲孔、螺紋、不必要的定位孔和臺階等與仿真無關(guān)的模型特征，并按照圖3對系統(tǒng)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。

為了驗證仿真的可行性和有效性，對使用ANSYS進(jìn)行劃分的網(wǎng)格做了網(wǎng)格劃分與仿真結(jié)果的無關(guān)性驗證分析，網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果如表1所示。

由表1的網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果可知，在仿真過程中，使用小于7 mm的網(wǎng)格可以得到具有可信度的仿真結(jié)果。實際仿真過程中，為了節(jié)約仿真資源，加快仿真速度，選擇7 mm網(wǎng)格進(jìn)行仿真分析。

3? ? 仿真分析

3.1? ? 不同材質(zhì)工裝熱變形仿真分析

為了分析不同材質(zhì)的工裝在加熱溫度為180 ℃條件下的變形情況，分析選取了4種常見的工裝材質(zhì)進(jìn)行計算，分別為鋁合金、不銹鋼、結(jié)構(gòu)鋼、鈦合金，4種材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)如表2所示。

由圖4、圖5、圖6、圖7的分析結(jié)果可知，工裝在溫度為180 ℃的情況下，最大變形接近0.1 mm，遠(yuǎn)超過間隙配合設(shè)計0.02 mm的要求，同時，工裝的最大變形發(fā)生在邊緣部分，符合實際情況。

通過改變工裝的加熱溫度，可以有效降低工裝的變形量，如圖8所示。

由上述分析可知，以上4種材質(zhì)在加熱溫度為180 ℃條件下的熱變形均超過了公差允許的0.04 mm，如表3所示。

3.2? ? 工裝與工件配合部位變形與應(yīng)力

為了研究工裝與機殼裝配部位的變形和應(yīng)力情況，對仿真結(jié)果進(jìn)行剖切，對剖面上關(guān)心的點和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的現(xiàn)實分析。

由圖9、圖10、圖11、圖12的分析結(jié)果可知，工裝在溫度為180 ℃的情況下，與機殼裝配結(jié)合處的最大變形均大于0.03 mm，超過間隙配合設(shè)計0.02 mm的要求;同時，在工裝與機殼的裝配結(jié)合部位存在較大的熱變形引起的應(yīng)力，最大達(dá)到了300 MPa。

3.3? ? 特殊不銹鋼材料仿真分析

為實現(xiàn)工裝在加工過程中不會由于熱變形超差，通過查找相關(guān)的材料手冊，找到一種特殊的不銹鋼材質(zhì)，其熱膨脹系數(shù)為4×10-6，是鈦合金的42.6%。仿真溫度為180 ℃，分析結(jié)果如圖13、圖14所示。

如圖13所示，特殊不銹鋼由于其自身的熱膨脹系數(shù)較低，在加熱溫度為180 ℃條件下機殼與工裝裝配結(jié)合處的最大變形量為0.014 23 mm，符合設(shè)計需要。

4? ? 結(jié)論

（1）溫度的升高會導(dǎo)致工裝熱變形，使得加工過程中工裝超差，影響加工效率。

（2）熱膨脹系數(shù)較高的材質(zhì)在溫度較高的情況下不僅變形較大，影響加工的正常進(jìn)行，而且在變形前裝夾好的工裝會在熱變形情況下膨脹，在機殼和工裝之間產(chǎn)生較大的應(yīng)力，影響到機殼與電樞裝配的加工質(zhì)量。

（3）采用特殊材質(zhì)的不銹鋼，不僅能夠減小熱變形，同時還能夠有效降低機殼和工裝之間的應(yīng)力。

（4）通過控制工裝的溫度水平，也可以有效控制工裝的熱變形量和機殼與工裝之間的應(yīng)力水平。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 姜江，彭其鳳.表面淬火技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2] 范晉偉，張哲，劉棟，等.基于能量偏差的機床熱變形仿真預(yù)報研究[J].制造技術(shù)與機床，2007（4）：63-67.

[3] 李英浩.大型龍門鏜銑加工中心性能分析及熱誤差建模[D].西安：西安理工大學(xué)，2016.

[4] 丁金濱.ANSYS Workbench 18.0有限元分析案例詳解[M].北京：清華大學(xué)出版社，2019.

收稿日期：2021-12-23

作者簡介：雷乾勇（1990—），男，貴州人，碩士研究生，工程師，研究方向：非標(biāo)自動化技術(shù)。