基于Solidworks simulation的熱裝法溫度場分析

孟慶霞

（神華寧夏煤業集團有限責任公司選配煤中心，寧夏銀川 750021）

0 引言

孔、軸的過盈配合是機械產品設計與制造中常見的一種連接方式。過盈配合零部件的裝配，通常采用壓入裝配法、加熱裝配法（俗稱熱裝法）和低溫裝配法（俗稱冷裝法）。在實際產品裝配中，由于加熱裝配法比低溫裝配法更容易實現與操作，從而在大中型零件的裝配方法中得到了廣泛的應用。目前在熱裝配法中常用的加熱方法有4種。

（1）介質加熱法。即借助水、水蒸汽、油等介質，將工件浸入介質中進行加熱。這種加熱法不需要專用設備，操作方便且工件受熱均勻，一般不會因為加熱溫度過高而改變工件材料的金相組織結構。沸水加熱的溫度（80～100）益，水蒸汽的加熱溫度能達到120℃或更高，而熱油的溫度可達到320℃（熱油加熱多用于過盈量較小、配合要求嚴格的軸承類零件）。

（2）火焰加熱法利用火焰進行加熱，實際上經常采用氧氣乙炔焰進行加熱，加熱溫度>350℃。裝配小型零件常用此方法，其缺點是溫度不易精確控制且受熱不均勻。

（3）燃料燃燒加熱法。是以油、焦炭或木柴等為燃料，直接燃燒加熱或烘烤方式，加熱溫度可達350℃或更高。這種方法操作簡單、成本低廉，但受熱不均勻，對周圍環境影響較大，容易在工件表面形成積碳。

（4）電爐加熱法。利用電阻絲在封閉的爐內對零件進行加熱，是目前極為流行的加熱方法。這種方法可以精確控制爐溫，受熱也較為均勻，缺點是需要專用設備，適合批量生產，單價小批量成本較高。

由上述熱裝配方法可知，熱裝配對零件的加熱溫度控制較為嚴格，尤其是對發動機連桿裝配、精密軸承裝配等精密產品的裝配尤為苛刻：溫度過低，則因為孔類零件的膨脹量小于過盈量無法形成合適的裝配間隙，致使無法裝入被包容零件；溫度過高，則容易引起工件的金相組織改變，影響裝配零部件的力學性能，同時還會造成能源損耗。同時，零件的受熱是否均勻與溫度控制一樣，對產品的裝配及使用性能都會產生重要影響。目前熱裝法的溫度控制主要是依靠裝配工的經驗，很難做到裝配溫度的精確控制。

利用Solidworks simulation分析模塊，對孔類零件的加熱過程進行溫度場分析，可以分析產品過盈裝配最合適的加熱溫度，以及在該溫度下的熱變形及應力分布情況，為產品的合理裝配工藝參數提供依據。

1 傳統加熱裝配法

1.1 傳統熱裝法經驗公式計算

實施熱裝法裝配工藝時，需要考慮熱裝配工藝能否滿足零部件的裝配要求。應考慮以下問題：工件在加熱到合適的溫度后，其膨脹尺寸應能夠改變配合性質，即變過盈配合為間隙配合，產生合適的間隙量以確保工件的順利安裝；同時，還應確保加熱溫度不能引起工件的金相組織變化，否則會影響零部件的力學結構性能，從而影響裝配零件的正常使用。

實際生產中，熱裝配的加熱溫度常用式（1）的經驗公式計算。

式中t——加熱溫度，℃

t0——加熱后的溫度，℃

l——過盈配合中孔的直徑，mm

1.2 裝配實驗

實驗通過4盤MU208E軸承（舊牌號32208E，外徑80 mm，內徑40 mm，寬帶18 mm）與同一尺寸的軸（軸徑為40.032 mm）進行過盈配合裝配測試。加熱方法采用介質加熱法與電爐輻射加熱法。安裝前測得4盤軸承的實際內徑分別為：Φ40 mm，Φ40.015 mm，Φ40.012 mm和Φ40 mm。按照加熱裝配法的溫度經驗計算公式計算出最小內徑的軸承加熱溫度，然后將其他軸承統一加熱到這一溫度即可進行裝配。加熱時，Φ40.012 mm和Φ40 mm為一組，進行電爐加熱；Φ40.015 mm和Φ40 mm為一組，以油為介質進行加熱。具體溫度t=181℃。即無論是介質加熱法還是電爐加熱法，只需將2組軸承加熱到181℃即可。

實際裝配時，介質加熱法順利裝配，但是電爐加熱法，在溫度顯示181℃時，直接將零件取出后無法進行順利裝配。分析認為，由于電爐內采用輻射加熱，必須在傳感器溫度達到設定溫度后，要等一定時間讓零件的所有部位達到181℃時，才可順利裝配，而且受熱不夠均勻。

2 有限元分析

2.1 模型的構建

軸承與加熱爐的主要結構參數為：圓柱滾子軸承外圈直徑80 mm，內徑 20 mm，寬 18 mm（圖 1）；加熱爐內爐體的內徑800 mm，高度400 mm，壁厚 30 mm（圖 2）。軸承材料為合金鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比 0.3，線膨脹系數為 1.2伊10-5℃-1。

2.2 溫度場分析

利用Solidworks simulation中的熱力分析模塊分別對2種加熱方式進行分析，得到在不同加熱方式下的溫度分布（圖3）。可以看出，采用介質加熱法加熱方法，溫度分布較為均勻，而采用加熱爐的加熱方法則溫度分布不均勻，模擬實際電爐加熱功率40 kW，在加熱20 min后（爐溫傳感器顯示到達181℃），并指定恒溫加熱模式（即：到達181℃時停止加熱，而約178℃時繼續加熱）。部分零件的局部溫度不能夠達到預定溫度，這是由于這種加熱方法是采用局部加熱與輻射加熱相結合的方法，故零件的溫度分布特別的不均勻，有些區域溫度已到達指定溫度，而有些區域則還要等待更久的時間才能到達指定溫度。

圖1 軸承模型

圖2 加熱爐模型

圖3 不同加熱方式軸承的溫度分布

2.3 熱變形分析

根據溫度分布結果作為輸入，利用Solidworks simulation中的靜應力分析模塊來分析2種加熱方式下軸承的熱變形情況（圖4）。可以看出，電爐加熱模式下內孔平均變形為0.031 22 mm，在實際裝配實驗時很難裝配；介質加熱模式下內孔平均變形為0.051 mm，在實際裝配實驗時較易裝配。

3 結語

從有限元分析結果可以看出，采用介質加熱法溫度的受熱均勻性及熱變形的均勻性都優于電爐加熱法。電爐加熱法的溫度不均勻性與升溫速度有直接關系，升溫速度較平緩，則溫度比較均勻，而如果升溫速度較快，則溫度均勻性就較差，同時熱變形的均勻性也較差。

采用有限元分析可以很好地分析零件在一定加熱溫度及加熱方式下的溫度分布及熱變形狀況，同時可以根據零件的裝配間隙，來反推在某種加熱方式下需要的加熱溫度，從而為精確控制溫度、改善熱裝配工藝提供依據。

圖4 不同加熱方式軸承的熱變形

現代制造系統的許多先進生產模式都強調并行化與虛擬化的概念，如并行工程與精益制造模式都提出要在設計階段就發現能夠發現制造、裝配等后續階段可能出現的問題，虛擬樣機就是計算機模擬裝配從而在設計階段就發現是否出現裝配干涉能問題。本研究思想與上述理念一樣，也可以利用計算機模擬的方法為后續實際裝配提供必要的工藝控制數據支撐，同時還可以分析熱裝完成后零件的熱應力分布情況，為產品的結構設計提供相關的依據。這種分析方法簡便可行，對于中小型企業有較好的應用前景。