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)代化進程的不斷推進,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)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(shù)量后,工裝升溫引起的工裝熱變形過大,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,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。

圖1仿真系統(tǒng)實物圖

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)的熱平衡進行分析：

式中·p為流體密度﹔p為單位體積上的慣性﹔pF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:∫τρqdτ表示單位時間內(nèi)由于輻射或其他原因傳入p內(nèi)的總熱量。

其中∫τρqdτ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:01為傳導(dǎo)熱流量:A為材料導(dǎo)熱系數(shù),負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:02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:1w為固體表面的溫度:1f為冷卻流體的溫度。

式中:07為輻射換熱量:S0為斯蒂芬一玻耳茲曼常數(shù),S0=2.68×10-8:A為物體輻射換熱的表面積:Sxt為系統(tǒng)發(fā)射率,其中S1、S2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):r1、r2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(guān)的模型特征,并按照圖3對系統(tǒng)進行了網(wǎng)格劃分。

圖2分析模型簡化

圖3系統(tǒng)模型網(wǎng)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(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5mm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5mm網(wǎng)格進行仿真分析。

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3種常見的工裝材質(zhì)進行計算,分別為鋁合金、不銹鋼、結(jié)構(gòu)鋼、鈦合金,3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0.1mm,遠超過間隙配合設(shè)計0.02mm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0.04mm,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)果進行剖切,對剖面上關(guān)心的點和相關(guān)數(shù)據(jù)進行直觀的現(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0.03mm,超過間隙配合設(shè)計0.02mm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,最大達到了300MPa。

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0.01423mm,符合設(shè)計需要。

圖13特殊不銹鋼熱變形

圖14特殊不銹鋼應(yīng)力

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。