引言

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及我國(guó)國(guó)防工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高,作為工業(yè)動(dòng)力來(lái)源的電機(jī),無(wú)論是對(duì)其數(shù)量的需求還是對(duì)其質(zhì)量的要求,都在不斷提高。近年來(lái),隨著國(guó)防工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn),我司承接的無(wú)刷電機(jī)產(chǎn)能穩(wěn)步提升。

在無(wú)刷電機(jī)加工環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)定子電樞和機(jī)殼過(guò)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(jī)將鋁合金材質(zhì)的機(jī)殼加熱到指定的裝配溫度,然后在氣動(dòng)壓床的壓力下把定子電樞壓裝進(jìn)入加熱膨脹后的機(jī)殼內(nèi),隨后使裝配完成的電樞與機(jī)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(guò)程中安裝機(jī)殼的工裝是金屬材質(zhì),且機(jī)殼的尺寸較小,導(dǎo)致高頻加熱過(guò)程中,感應(yīng)線圈距離安裝機(jī)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(jī)殼的同時(shí)也會(huì)加熱工裝底座。同時(shí),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(jī)殼上的熱量會(huì)傳導(dǎo)到安裝機(jī)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(guò)程中,工裝底座沒(méi)有額外的冷卻手段,加工過(guò)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(guò)大,將導(dǎo)致下一次準(zhǔn)備壓裝機(jī)殼時(shí),機(jī)殼和工裝底座之間的間隙配合變成過(guò)盈配合,機(jī)殼無(wú)法裝入工裝底座,使得加工不得不停下來(lái),等待工裝冷卻后再繼續(xù)。

為有效緩解加熱過(guò)程中工裝被動(dòng)加熱對(duì)加工效率帶來(lái)的影響,本文采用ANSYS熱變形分析手段對(duì)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(jì)提供數(shù)據(jù)和理論支撐。仿真系統(tǒng)實(shí)物如圖1所示。

圖1仿真系統(tǒng)實(shí)物圖

根據(jù)需要研究工裝變形實(shí)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(guò)程中,系統(tǒng)的熱量存在輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)等三種傳遞方式。利用ANSYS對(duì)感應(yīng)加熱工裝這一系統(tǒng)的熱平衡進(jìn)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(shí)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(duì)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(fù)號(hào)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(duì)流換熱量:ht為對(duì)流換熱系數(shù):A為壁面的有效對(duì)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(duì)溫度。

2網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了能夠順利對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行分析,對(duì)模型進(jìn)行了如圖2所示的簡(jiǎn)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(tái)階等與仿真無(wú)關(guān)的模型特征,并按照?qǐng)D3對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。

圖2分析模型簡(jiǎn)化

圖3系統(tǒng)模型網(wǎng)格劃分

為了驗(yàn)證仿真的可行性和有效性,對(duì)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(wú)關(guān)性驗(yàn)證分析,網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

由表1的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果可知,在仿真過(guò)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(shí)際仿真過(guò)程中,為了節(jié)約仿真資源,加快仿真速度,選擇5mm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3種常見(jiàn)的工裝材質(zhì)進(jìn)行計(jì)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(yuǎn)超過(guò)間隙配合設(shè)計(jì)0.02mm的要求,同時(shí),工裝的最大變形發(fā)生在邊緣部分,符合實(shí)際情況。

通過(guò)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(guò)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(jī)殼裝配部位的變形和應(yīng)力情況,對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行剖切,對(duì)剖面上關(guān)心的點(diǎn)和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的現(xiàn)實(shí)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(jī)殼裝配結(jié)合處的最大變形均大于0.03mm,超過(guò)間隙配合設(shè)計(jì)0.02mm的要求:同時(shí),在工裝與機(jī)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300MPa。

3.3特殊不銹鋼材料仿真分析

為實(shí)現(xiàn)工裝在加工過(guò)程中不會(huì)由于熱變形超差,通過(guò)查找相關(guān)的材料手冊(cè),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(jī)殼與工裝裝配結(jié)合處的最大變形量為0.01423mm,符合設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)致工裝熱變形,使得加工過(guò)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(huì)在熱變形情況下膨脹,在機(jī)殼和工裝之間產(chǎn)生較大的應(yīng)力,影響到機(jī)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(shí)還能夠有效降低機(jī)殼和工裝之間的應(yīng)力。

(4）通過(guò)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(jī)殼與工裝之間的應(yīng)力水平。