基于Solidworks simulation的热装法温度场分析

孟庆霞

（神华宁夏煤业集团有限责任公司选配煤中心，宁夏银川 750021）

0 引言

孔、轴的过盈配合是机械产品设计与制造中常见的一种连接方式。过盈配合零部件的装配，通常采用压入装配法、加热装配法（俗称热装法）和低温装配法（俗称冷装法）。在实际产品装配中，由于加热装配法比低温装配法更容易实现与操作，从而在大中型零件的装配方法中得到了广泛的应用。目前在热装配法中常用的加热方法有4种。

（1）介质加热法。即借助水、水蒸汽、油等介质，将工件浸入介质中进行加热。这种加热法不需要专用设备，操作方便且工件受热均匀，一般不会因为加热温度过高而改变工件材料的金相组织结构。沸水加热的温度（80～100）益，水蒸汽的加热温度能达到120℃或更高，而热油的温度可达到320℃（热油加热多用于过盈量较小、配合要求严格的轴承类零件）。

（2）火焰加热法利用火焰进行加热，实际上经常采用氧气乙炔焰进行加热，加热温度>350℃。装配小型零件常用此方法，其缺点是温度不易精确控制且受热不均匀。

（3）燃料燃烧加热法。是以油、焦炭或木柴等为燃料，直接燃烧加热或烘烤方式，加热温度可达350℃或更高。这种方法操作简单、成本低廉，但受热不均匀，对周围环境影响较大，容易在工件表面形成积碳。

（4）电炉加热法。利用电阻丝在封闭的炉内对零件进行加热，是目前极为流行的加热方法。这种方法可以精确控制炉温，受热也较为均匀，缺点是需要专用设备，适合批量生产，单价小批量成本较高。

由上述热装配方法可知，热装配对零件的加热温度控制较为严格，尤其是对发动机连杆装配、精密轴承装配等精密产品的装配尤为苛刻：温度过低，则因为孔类零件的膨胀量小于过盈量无法形成合适的装配间隙，致使无法装入被包容零件；温度过高，则容易引起工件的金相组织改变，影响装配零部件的力学性能，同时还会造成能源损耗。同时，零件的受热是否均匀与温度控制一样，对产品的装配及使用性能都会产生重要影响。目前热装法的温度控制主要是依靠装配工的经验，很难做到装配温度的精确控制。

利用Solidworks simulation分析模块，对孔类零件的加热过程进行温度场分析，可以分析产品过盈装配最合适的加热温度，以及在该温度下的热变形及应力分布情况，为产品的合理装配工艺参数提供依据。

1 传统加热装配法

1.1 传统热装法经验公式计算

实施热装法装配工艺时，需要考虑热装配工艺能否满足零部件的装配要求。应考虑以下问题：工件在加热到合适的温度后，其膨胀尺寸应能够改变配合性质，即变过盈配合为间隙配合，产生合适的间隙量以确保工件的顺利安装；同时，还应确保加热温度不能引起工件的金相组织变化，否则会影响零部件的力学结构性能，从而影响装配零件的正常使用。

实际生产中，热装配的加热温度常用式（1）的经验公式计算。

式中t——加热温度，℃

t0——加热后的温度，℃

l——过盈配合中孔的直径，mm

1.2 装配实验

实验通过4盘MU208E轴承（旧牌号32208E，外径80 mm，内径40 mm，宽带18 mm）与同一尺寸的轴（轴径为40.032 mm）进行过盈配合装配测试。加热方法采用介质加热法与电炉辐射加热法。安装前测得4盘轴承的实际内径分别为：Φ40 mm，Φ40.015 mm，Φ40.012 mm和Φ40 mm。按照加热装配法的温度经验计算公式计算出最小内径的轴承加热温度，然后将其他轴承统一加热到这一温度即可进行装配。加热时，Φ40.012 mm和Φ40 mm为一组，进行电炉加热；Φ40.015 mm和Φ40 mm为一组，以油为介质进行加热。具体温度t=181℃。即无论是介质加热法还是电炉加热法，只需将2组轴承加热到181℃即可。

实际装配时，介质加热法顺利装配，但是电炉加热法，在温度显示181℃时，直接将零件取出后无法进行顺利装配。分析认为，由于电炉内采用辐射加热，必须在传感器温度达到设定温度后，要等一定时间让零件的所有部位达到181℃时，才可顺利装配，而且受热不够均匀。

2 有限元分析

2.1 模型的构建

轴承与加热炉的主要结构参数为：圆柱滚子轴承外圈直径80 mm，内径 20 mm，宽 18 mm（图 1）；加热炉内炉体的内径800 mm，高度400 mm，壁厚 30 mm（图 2）。轴承材料为合金钢，弹性模量为210 GPa，泊松比 0.3，线膨胀系数为 1.2伊10-5℃-1。

2.2 温度场分析

利用Solidworks simulation中的热力分析模块分别对2种加热方式进行分析，得到在不同加热方式下的温度分布（图3）。可以看出，采用介质加热法加热方法，温度分布较为均匀，而采用加热炉的加热方法则温度分布不均匀，模拟实际电炉加热功率40 kW，在加热20 min后（炉温传感器显示到达181℃），并指定恒温加热模式（即：到达181℃时停止加热，而约178℃时继续加热）。部分零件的局部温度不能够达到预定温度，这是由于这种加热方法是采用局部加热与辐射加热相结合的方法，故零件的温度分布特别的不均匀，有些区域温度已到达指定温度，而有些区域则还要等待更久的时间才能到达指定温度。

图1 轴承模型

图2 加热炉模型

图3 不同加热方式轴承的温度分布

2.3 热变形分析

根据温度分布结果作为输入，利用Solidworks simulation中的静应力分析模块来分析2种加热方式下轴承的热变形情况（图4）。可以看出，电炉加热模式下内孔平均变形为0.031 22 mm，在实际装配实验时很难装配；介质加热模式下内孔平均变形为0.051 mm，在实际装配实验时较易装配。

3 结语

从有限元分析结果可以看出，采用介质加热法温度的受热均匀性及热变形的均匀性都优于电炉加热法。电炉加热法的温度不均匀性与升温速度有直接关系，升温速度较平缓，则温度比较均匀，而如果升温速度较快，则温度均匀性就较差，同时热变形的均匀性也较差。

采用有限元分析可以很好地分析零件在一定加热温度及加热方式下的温度分布及热变形状况，同时可以根据零件的装配间隙，来反推在某种加热方式下需要的加热温度，从而为精确控制温度、改善热装配工艺提供依据。

图4 不同加热方式轴承的热变形

现代制造系统的许多先进生产模式都强调并行化与虚拟化的概念，如并行工程与精益制造模式都提出要在设计阶段就发现能够发现制造、装配等后续阶段可能出现的问题，虚拟样机就是计算机模拟装配从而在设计阶段就发现是否出现装配干涉能问题。本研究思想与上述理念一样，也可以利用计算机模拟的方法为后续实际装配提供必要的工艺控制数据支撑，同时还可以分析热装完成后零件的热应力分布情况，为产品的结构设计提供相关的依据。这种分析方法简便可行，对于中小型企业有较好的应用前景。