基于ANSYS Workbench的感應加熱零件熱變形分析

雷乾勇　柴進

摘要：為了進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引起的工裝變形，導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情況下的熱變形進行了仿真研究。經過分析發現，隨著溫度的升高，工裝的變形增加，最終導致工裝公差變化。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? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）05-0068-04

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

引言

隨著技術的不斷發展以及我國國防工業自動化程度的不斷提高，作為工業動力來源的電機，無論是對其數量的需求還是對其質量的要求，都在不斷提高。近年來，隨著國防工業現代化進程的不斷推進，我司承接的無刷電機產能穩步提升。

在無刷電機加工環節，實現定子電樞和機殼過盈裝配的工位使用了高頻加熱技術，先使用高頻加熱電機將鋁合金材質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入加熱膨脹后的機殼內，隨后使裝配完成的電樞與機殼組件在空氣中自然冷卻，達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，且機殼的尺寸較小，導致高頻加熱過程中，感應線圈距離安裝機殼的工裝底座較近，使得感應線圈在加熱鋁合金材質[1]機殼的同時也會加熱工裝底座。同時，由于鋁合金材質具有優異的導熱性能，鋁合金材質被加熱后機殼上的熱量會傳導到安裝機殼的工裝底座上，進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，加工達到一定數量后，工裝升溫引起的工裝熱變形過大[2]，將導致下一次準備壓裝機殼時，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。

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生的熱應力進行了仿真分析，為工裝的選材和熱平衡設計提供數據和理論支撐。仿真系統實物如圖1所示。

根據需要研究工裝變形實際情況，熱源僅設定為工裝。

1? ? 散熱分析模型

在感應加熱過程中，系統的熱量存在輻射、對流、傳導等三種傳遞方式。利用ANSYS對感應加熱工裝這一系統的熱平衡進行分析：

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

其中 ρqdτ包含了傳導、對流、輻射三種熱量傳遞方式，分別表示如下：

式中：Q1為傳導熱流量;λ為材料導熱系數，負號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度相反;A為垂直于導熱方向的面積;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;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，δ0=5.68×10-8;A為物體輻射換熱的表面積;εxt為系統發射率，其中ε1、ε2分別為高溫物體表面和低溫物體表面的發射率;F12為表面1到表面2的角系數;T1、T2為表面1、表面2的絕對溫度。

2? ? 網格無關性驗證

為了能夠順利對系統模型進行分析，對模型進行了如圖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的模型特征，并按照圖3對系統進行了網格劃分。

為了驗證仿真的可行性和有效性，對使用ANSYS進行劃分的網格做了網格劃分與仿真結果的無關性驗證分析，網格無關性驗證結果如表1所示。

由表1的網格無關性驗證結果可知，在仿真過程中，使用小于7 mm的網格可以得到具有可信度的仿真結果。實際仿真過程中，為了節約仿真資源，加快仿真速度，選擇7 mm網格進行仿真分析。

3? ? 仿真分析

3.1? ? 不同材質工裝熱變形仿真分析

為了分析不同材質的工裝在加熱溫度為180 ℃條件下的變形情況，分析選取了4種常見的工裝材質進行計算，分別為鋁合金、不銹鋼、結構鋼、鈦合金，4種材質的熱膨脹系數如表2所示。

由圖4、圖5、圖6、圖7的分析結果可知，工裝在溫度為180 ℃的情況下，最大變形接近0.1 mm，遠超過間隙配合設計0.02 mm的要求，同時，工裝的最大變形發生在邊緣部分，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力

為了研究工裝與機殼裝配部位的變形和應力情況，對仿真結果進行剖切，對剖面上關心的點和相關數據進行直觀的現實分析。

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

3.3? ? 特殊不銹鋼材料仿真分析

為實現工裝在加工過程中不會由于熱變形超差，通過查找相關的材料手冊，找到一種特殊的不銹鋼材質，其熱膨脹系數為4×10-6，是鈦合金的42.6%。仿真溫度為180 ℃，分析結果如圖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較低，在加熱溫度為180 ℃條件下機殼與工裝裝配結合處的最大變形量為0.014 23 mm，符合設計需要。

4? ? 結論

（1）溫度的升高會導致工裝熱變形，使得加工過程中工裝超差，影響加工效率。

（2）熱膨脹系數較高的材質在溫度較高的情況下不僅變形較大，影響加工的正常進行，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生較大的應力，影響到機殼與電樞裝配的加工質量。

（3）采用特殊材質的不銹鋼，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力水平。

[參考文獻]

[1] 姜江，彭其鳳.表面淬火技術[M].北京：化學工業出版社，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報研究[J].制造技術與機床，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，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：非標自動化技術。