基于Solidworks simulation的熱裝法溫度場(chǎng)分析

孟慶霞

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司選配煤中心，寧夏銀川 750021）

0 引言

孔、軸的過(guò)盈配合是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中常見的一種連接方式。過(guò)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(shí)際產(chǎn)品裝配中，由于加熱裝配法比低溫裝配法更容易實(shí)現(xiàn)與操作，從而在大中型零件的裝配方法中得到了廣泛的應(yīng)用。目前在熱裝配法中常用的加熱方法有4種。

（1）介質(zhì)加熱法。即借助水、水蒸汽、油等介質(zhì)，將工件浸入介質(zhì)中進(jìn)行加熱。這種加熱法不需要專用設(shè)備，操作方便且工件受熱均勻，一般不會(huì)因?yàn)榧訜釡囟冗^(guò)高而改變工件材料的金相組織結(jié)構(gòu)。沸水加熱的溫度（80～100）益，水蒸汽的加熱溫度能達(dá)到120℃或更高，而熱油的溫度可達(dá)到320℃（熱油加熱多用于過(guò)盈量較小、配合要求嚴(yán)格的軸承類零件）。

（2）火焰加熱法利用火焰進(jìn)行加熱，實(shí)際上經(jīng)常采用氧氣乙炔焰進(jìn)行加熱，加熱溫度>350℃。裝配小型零件常用此方法，其缺點(diǎn)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(dá)350℃或更高。這種方法操作簡(jiǎn)單、成本低廉，但受熱不均勻，對(duì)周圍環(huán)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(nèi)對(duì)零件進(jìn)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(diǎn)是需要專用設(shè)備，適合批量生產(chǎn)，單價(jià)小批量成本較高。

由上述熱裝配方法可知，熱裝配對(duì)零件的加熱溫度控制較為嚴(yán)格，尤其是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裝配、精密軸承裝配等精密產(chǎn)品的裝配尤為苛刻：溫度過(guò)低，則因?yàn)榭最惲慵呐蛎浟啃∮谶^(guò)盈量無(wú)法形成合適的裝配間隙，致使無(wú)法裝入被包容零件；溫度過(guò)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(xué)性能，同時(shí)還會(huì)造成能源損耗。同時(shí)，零件的受熱是否均勻與溫度控制一樣，對(duì)產(chǎn)品的裝配及使用性能都會(huì)產(chǎn)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(jīng)驗(yàn)，很難做到裝配溫度的精確控制。

利用Solidworks simulation分析模塊，對(duì)孔類零件的加熱過(guò)程進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，可以分析產(chǎn)品過(guò)盈裝配最合適的加熱溫度，以及在該溫度下的熱變形及應(yīng)力分布情況，為產(chǎn)品的合理裝配工藝參數(shù)提供依據(jù)。

1 傳統(tǒng)加熱裝配法

1.1 傳統(tǒng)熱裝法經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

實(shí)施熱裝法裝配工藝時(shí)，需要考慮熱裝配工藝能否滿足零部件的裝配要求。應(yīng)考慮以下問題：工件在加熱到合適的溫度后，其膨脹尺寸應(yīng)能夠改變配合性質(zhì)，即變過(guò)盈配合為間隙配合，產(chǎn)生合適的間隙量以確保工件的順利安裝；同時(shí)，還應(yīng)確保加熱溫度不能引起工件的金相組織變化，否則會(huì)影響零部件的力學(xué)結(jié)構(gòu)性能，從而影響裝配零件的正常使用。

實(shí)際生產(chǎn)中，熱裝配的加熱溫度常用式（1）的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

式中t——加熱溫度，℃

t0——加熱后的溫度，℃

l——過(guò)盈配合中孔的直徑，mm

1.2 裝配實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)通過(guò)4盤MU208E軸承（舊牌號(hào)32208E，外徑80 mm，內(nèi)徑40 mm，寬帶18 mm）與同一尺寸的軸（軸徑為40.032 mm）進(jìn)行過(guò)盈配合裝配測(cè)試。加熱方法采用介質(zhì)加熱法與電爐輻射加熱法。安裝前測(cè)得4盤軸承的實(shí)際內(nèi)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(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式計(jì)算出最小內(nèi)徑的軸承加熱溫度，然后將其他軸承統(tǒng)一加熱到這一溫度即可進(jìn)行裝配。加熱時(shí)，Φ40.012 mm和Φ40 mm為一組，進(jìn)行電爐加熱；Φ40.015 mm和Φ40 mm為一組，以油為介質(zhì)進(jìn)行加熱。具體溫度t=181℃。即無(wú)論是介質(zhì)加熱法還是電爐加熱法，只需將2組軸承加熱到181℃即可。

實(shí)際裝配時(shí)，介質(zhì)加熱法順利裝配，但是電爐加熱法，在溫度顯示181℃時(shí)，直接將零件取出后無(wú)法進(jìn)行順利裝配。分析認(rèn)為，由于電爐內(nèi)采用輻射加熱，必須在傳感器溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，要等一定時(shí)間讓零件的所有部位達(dá)到181℃時(shí)，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(gòu)建

軸承與加熱爐的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：圓柱滾子軸承外圈直徑80 mm，內(nèi)徑 20 mm，寬 18 mm（圖 1）；加熱爐內(nèi)爐體的內(nèi)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(shù)為 1.2伊10-5℃-1。

2.2 溫度場(chǎng)分析

利用Solidworks simulation中的熱力分析模塊分別對(duì)2種加熱方式進(jìn)行分析，得到在不同加熱方式下的溫度分布（圖3）?？梢钥闯?，采用介質(zhì)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(shí)際電爐加熱功率40 kW，在加熱20 min后（爐溫傳感器顯示到達(dá)181℃），并指定恒溫加熱模式（即：到達(dá)181℃時(shí)停止加熱，而約178℃時(shí)繼續(xù)加熱）。部分零件的局部溫度不能夠達(dá)到預(yù)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(jié)合的方法，故零件的溫度分布特別的不均勻，有些區(qū)域溫度已到達(dá)指定溫度，而有些區(qū)域則還要等待更久的時(shí)間才能到達(dá)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(jù)溫度分布結(jié)果作為輸入，利用Solidworks simulation中的靜應(yīng)力分析模塊來(lái)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(nèi)孔平均變形為0.031 22 mm，在實(shí)際裝配實(shí)驗(yàn)時(shí)很難裝配；介質(zhì)加熱模式下內(nèi)孔平均變形為0.051 mm，在實(shí)際裝配實(shí)驗(yàn)時(shí)較易裝配。

3 結(jié)語(yǔ)

從有限元分析結(jié)果可以看出，采用介質(zhì)加熱法溫度的受熱均勻性及熱變形的均勻性都優(yōu)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(guān)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(shí)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(shí)可以根據(jù)零件的裝配間隙，來(lái)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(jù)。

圖4 不同加熱方式軸承的熱變形

現(xiàn)代制造系統(tǒng)的許多先進(jìn)生產(chǎn)模式都強(qiáng)調(diào)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(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)能夠發(fā)現(xiàn)制造、裝配等后續(xù)階段可能出現(xiàn)的問題，虛擬樣機(jī)就是計(jì)算機(jī)模擬裝配從而在設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)是否出現(xiàn)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(jì)算機(jī)模擬的方法為后續(xù)實(shí)際裝配提供必要的工藝控制數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)還可以分析熱裝完成后零件的熱應(yīng)力分布情況，為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相關(guān)的依據(jù)。這種分析方法簡(jiǎn)便可行，對(duì)于中小型企業(yè)有較好的應(yīng)用前景。