郝 博，韓丹鋒，羅 宏

（重慶理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，重慶 400054）

0 引言

高頻感應(yīng)加熱技術(shù)不僅具有加熱速度快、熱效率高、無污染、占地面積小、容易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點[1,15]，而且還滿足智能化、綠色化的發(fā)展要求，因此，正逐步應(yīng)用于汽車、摩托車曲軸箱孔的熱裝配。但是，就目前而言，由于缺少合理的熱裝配工藝參數(shù)，仍然需要依靠熟練有經(jīng)驗的工人對加熱設(shè)備進行操作，憑經(jīng)驗不斷的調(diào)整加熱頻率、加熱時間等參數(shù)[2]，更重要的是，加熱結(jié)束后，其溫度、變形量無法直觀的得知，操作工人不能準(zhǔn)確判斷曲軸箱孔是否消除過盈量達到裝配要求，這成了迫切需要解決的問題。

曲軸箱孔在感應(yīng)加熱裝配過程中涉及電、磁、熱、相變、力學(xué)等方面的綜合知識，以及磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等參數(shù)隨溫度變化[3,17]，使得憑經(jīng)驗公式手動計算、測量得到的結(jié)果不能令人滿意。由此，陳利斯[4]利用APDL編寫出了一套基于ANSYS軟件的曲軸紅套的加熱過程的命令流，通過APDL對ANSYS進行二次開發(fā)，確定了一組合理的曲軸紅套加熱參數(shù)；于振環(huán)[5]對曲軸熱裝工藝進行了分析，設(shè)計了熱裝機系統(tǒng)，利用8051單片機實現(xiàn)了實時控制；J. Mucha[6]采用有限元法，利用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，對薄壁環(huán)和輪轂的過盈配合進行了應(yīng)力分析和變形分析，得到比傳統(tǒng)方法更全面、更準(zhǔn)確的結(jié)果；G Gopal[7]利用CAD建立了曲軸、連桿模型并進行了裝配，通過ANSYS模擬分析了裝配后的變形及應(yīng)力分布，得到了預(yù)期的效果。

因此，本文簡述了感應(yīng)加熱裝配技術(shù)，運用APDL開發(fā)了一套曲軸箱孔從建模、網(wǎng)格劃分、載荷加載、求解、后處理的命令流程序，設(shè)計了基于VB的模塊化的熱裝配人機交互界面，用于熱裝配人機交互系統(tǒng)，采用USB接口技術(shù)實現(xiàn)與高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊的通訊。通過VB借助APDL將ANSYS進行后臺封裝，自動調(diào)用ANSYS，模擬分析了曲軸箱孔在熱裝配過程中溫度、變形量的分布及變化，最后加以總結(jié)。

1 感應(yīng)加熱裝配

感應(yīng)加熱裝配是實現(xiàn)相關(guān)零部件之間過盈配合所使用的一種熱裝技術(shù)，首先，它由感應(yīng)加熱電源產(chǎn)生交變的磁場，在電磁場的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，作用于孔的表面，將電能高效的轉(zhuǎn)換為熱能[8]；其次，待孔加熱到一定溫度，利用材料熱脹冷縮的特性，使孔內(nèi)徑增大，產(chǎn)生裝配條件；最后，將軸套入到經(jīng)加熱之后膨脹的孔中，受環(huán)境溫度的影響，孔溫度下降，縮緊套在軸上，進而完成孔的熱裝配。

曲軸箱孔在感應(yīng)加熱裝配過程中必須要滿足如下要求：

1）要確定好曲軸箱孔的熱裝配溫度。曲軸箱孔加熱結(jié)束以后，孔內(nèi)壁溫度需要分布均勻，從而確保其在受熱膨脹后仍保持為圓柱形，進而確保曲軸箱孔熱裝配的質(zhì)量。

曲軸箱孔熱裝配溫度可由如下經(jīng)驗公式計算[9]：

式中：t為加熱后的理論溫度（℃）；t0為加熱前的環(huán)境溫度（℃）；δ為過盈量（mm）；δ0為加熱后的間隙量，通?？扇ˇ?=（1-2）δ（mm）；α為加熱時工件的線性膨脹系數(shù)；l為被加熱工件的內(nèi)徑（mm）；T為實際加熱溫度（℃）。

2）要能夠暫時消除曲軸箱孔的過盈量。曲軸箱孔加熱以后，其受熱膨脹產(chǎn)生的變形量要大于其過盈量，確保曲軸箱孔達到裝配要求。

總而言之，變形量、熱裝配溫度在曲軸箱孔熱裝配過程中至關(guān)重要。

2 基于APDL語言的曲軸箱孔感應(yīng)加熱裝配多場耦合有限元建模

2.1 APDL語言

APDL（ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言），是一種用來完成有限元常規(guī)分析操作或通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的腳本語言。其具有以下優(yōu)點，首先可以執(zhí)行一條命令、宏程序，同時也可以重復(fù)執(zhí)行。其次APDL還有類似于C語言的選擇結(jié)構(gòu)IF-THEN-ELSE、循環(huán)結(jié)DOLOOP等。最后還可以對ANSYS的有限元數(shù)據(jù)庫進行訪問可以通過參數(shù)化建模、參數(shù)化加載復(fù)雜載荷、參數(shù)化求解控制以及后處理的數(shù)據(jù)處理分析來達到想要達到的目的[10,11,16]，尤其適用于復(fù)雜模型的建立，以及模型需要修改進行多次分析的問題。

2.2 建立有限元模型及劃分網(wǎng)格

建模過程如下：首先設(shè)定工作名和工作標(biāo)題；接著進入前處理模塊，定義電磁場單元solid236、溫度場單元solid90、結(jié)構(gòu)場單元solid186。定義變量參數(shù)，主要是線圈和曲軸箱孔的尺寸參數(shù)、以及電流大小，頻率，加熱時間等。選擇MKS(米千克秒)作為單位。定義相對相對磁導(dǎo)率μ，電導(dǎo)率ρ，熱導(dǎo)系數(shù)K，彈性模量E，泊松比NUXY，熱膨脹系數(shù)α等參數(shù) 。除線圈相對磁導(dǎo)率μ=1、空氣相對磁導(dǎo)率μ=1、比熱容C=434J/kg·℃、密度DENS=7850kg/m3是一個定值外，其余參數(shù)隨溫度變化。最后根據(jù)尺寸建立曲軸箱孔、線圈和空氣模型并進行網(wǎng)格劃分。圖1為曲軸箱孔感應(yīng)加熱裝配的實物模型，為了簡化模型，工程上常常將感應(yīng)加熱線圈簡化成薄壁圓筒，其簡化模型如圖2所示，曲軸箱孔的簡化模型如圖3所示，空氣模型如圖4所示，曲軸箱孔感應(yīng)加熱裝配有限元模型如圖5所示。

圖1 曲軸箱孔感應(yīng)加熱裝配實物模型

圖2 感應(yīng)加熱線圈簡化模型

曲軸箱孔在高頻感應(yīng)加熱裝配時，在曲軸箱孔的表面存在“集膚效應(yīng)”和相互滲透，為此，在靠近感應(yīng)加熱線圈部分，網(wǎng)格劃分較密；靠近空氣部分，網(wǎng)格劃分較疏，所以，曲軸箱孔網(wǎng)格劃分如圖6所示，感應(yīng)線圈、空氣網(wǎng)格劃分如圖7、圖8所示。

圖3 曲軸箱孔簡化模型

圖4 空氣模型

圖5 曲軸箱孔感應(yīng)加熱裝配有限元模型

圖6 曲軸箱孔網(wǎng)格劃分

圖7 感應(yīng)線圈網(wǎng)格劃分

圖8 空氣網(wǎng)格劃分

3 曲軸箱孔熱裝配人機交互系統(tǒng)

3.1 曲軸箱孔熱裝配人機交互界面設(shè)計

由于VB具有模塊性、封裝性、繼承性、可靠性等優(yōu)勢[12,18]，為此，利用VB設(shè)計了曲軸箱孔熱裝配人機交互系統(tǒng)中最重要的一環(huán)：熱裝配人機交互界面。用戶只需在前臺界面的引導(dǎo)下輸入材料參數(shù)、載荷參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)等，即可自動調(diào)用ANSYS進行分析計算，最后將計算結(jié)果返回給用戶界面。

1）主界面設(shè)計

曲軸箱孔熱裝配人機交互界面下有6個菜單，分別為“文件”、“設(shè)置”、“參數(shù)設(shè)置”、“計算”、“結(jié)果”、“報告”，其中“文件”菜單下有“新建”子菜單，“設(shè)置”菜單下有“ANSYS設(shè)置”和“文件設(shè)置”子菜單，“結(jié)果”菜單下有“溫度計算結(jié)果”和“變形量計算結(jié)果”子菜單，每個菜單下都對應(yīng)著各自的模塊部分。“ANSYS設(shè)置”對應(yīng)著ANSYS版本及啟動程序定義模塊；“文件設(shè)置”對應(yīng)著項目名稱和工作目錄定義模塊；“參數(shù)設(shè)置”對應(yīng)著結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、材料屬性參數(shù)、載荷參數(shù)定義模塊；“計算”對應(yīng)著ANSYS求解模塊；“結(jié)果”對應(yīng)著溫度、變形量結(jié)果輸出模塊。模塊化的曲軸箱孔熱裝配人機交互界面的主界面如圖9所示。

2）ANSYS設(shè)置界面和文件設(shè)置界面設(shè)計

圖9 主界面

ANSYS設(shè)置界面下包括ANSYS版本及ANSYS啟動程序，“設(shè)置”控件是用來手動加載ANSYS啟動程序；文件設(shè)置界面下包括項目名稱及工作目錄，“設(shè)置”控件是用來手動設(shè)置工作目錄。ANSYS設(shè)置界面和文件設(shè)置界面如圖10、圖11所示。

圖10 ANSYS設(shè)置界面

圖11 文件設(shè)置界面

3）數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置界面設(shè)計

數(shù)據(jù)參數(shù)包括：線圈結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、曲軸箱孔結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、材料屬性參數(shù)和載荷參數(shù)。數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置界面如圖12所示。

4）ANSYS計算界面設(shè)計

ANSYS計算界面是曲軸箱孔熱裝配人機交互界面的核心，因為所有的分析計算都在這個界面中完成。ANSYS計算界面下包括：“一鍵轉(zhuǎn)換”控件和“曲軸箱孔熱裝計算”控件，其中 “一鍵轉(zhuǎn)換” 控件是將APDL代碼一鍵轉(zhuǎn)換成VB可用的代碼，其轉(zhuǎn)換后的代碼形式為：PrintLine(input,"……")；“曲軸箱孔熱裝配計算”控件是用VB實現(xiàn)ANSYS的后臺調(diào)用，即實現(xiàn)VB與ANSYS的接口連接，這需要用到SHELL函數(shù)，SHELL函數(shù)調(diào)用ANSYS主程序的關(guān)鍵代碼如下：

x = Shell(ANSYS設(shè)置Form.ANSYS啟動程序.Text& “ -p ane3 fl ds -dir “ & 文件設(shè)置Form.工作目錄.Text& “ -j “ & 文件設(shè)置Form.項目名稱.Text & “ -s read -l en-us -b -i “ & 文件設(shè)置Form.工作目錄.Text & “input.mac” & “ -o “ & 文件設(shè)置Form.工作目錄.Text &“output.mac”, 1, False, -1)。ANSYS計算界面如圖13所示。

圖12 數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置界面

圖13 ANSYS計算界面

5）溫度計算結(jié)果界面設(shè)計和變形量計算結(jié)果界面設(shè)計

為了更直觀的將溫度、變形量計算結(jié)果反饋給用戶，需要將曲軸箱孔熱裝配結(jié)束后的溫度、變形量云圖；溫度、變形量與時間關(guān)系曲線；溫度、變形量數(shù)據(jù)顯示在界面上。為此，溫度、變形量計算結(jié)果界面如圖14、圖15所示。

6）生成報告界面設(shè)計

生成報告界面下包括報告名稱和報告位置，“設(shè)置”控件是用來手動設(shè)置報告文件位置?！吧蓤蟾妗笨丶菍崿F(xiàn)VB與Microsoft Word的連接，用Word來生成曲軸箱孔熱裝配計算報告書，這需要用到Microsoft Word 14.0 Object Library、Microsoft Office 14.0 Object Library插件。生成報告界面如圖16所示。

ANSYS設(shè)置界面、文件設(shè)置界面、數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置界面、ANSYS計算界面、溫度計算結(jié)果界面、變形量計算結(jié)果界面，生成報告界面的窗口切換，需用到的代碼為：[窗體對象].Show。用該人機交互界面完成曲軸箱孔熱裝配計算程序的具體流程如圖17所示。

圖14 溫度計算結(jié)果界面

圖15 變形量計算結(jié)果界面

圖16 生成報告界面

3.2 接口設(shè)計

為了實現(xiàn)曲軸箱孔熱裝配人機交互系統(tǒng)與外設(shè)高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊的數(shù)據(jù)通訊，采用了USB接口技術(shù)，將溫度數(shù)據(jù)通過PC機高速的傳輸給溫度控制模塊DSP芯片中，用于實現(xiàn)其后續(xù)的溫度控制。

1）USB接口芯片

圖17 曲軸箱孔熱裝配計算程序流程圖

市場上USB接口芯片很多，使用較為廣泛的是CYPRESS公司的EZ-USB FX2LP系列的USB接口芯片CY7C68013A-56PVXC，特點是直接通過USB接口下載USB固件，無需二次編程器投入。同時，該芯片功耗低，可以減少資源的消耗，有利于更好的保護好器件，避免長期通電而遭到損壞[13]。

2）高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊DSP芯片

高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊采用TI公司的TMS320C28X系列的DSP芯片TMS320CF2812，TMS320CF2812是定點DSP芯片，它具有數(shù)字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制能力，特別適用于大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合，最高傳輸速度達到了150MHz。

3）溫度控制模塊DSP芯片與USB接口芯片的連接

在CY7C68013A-56PVXC芯片和TMS320CF2812芯片之間采用FIFO芯片連接，可以使USB接口芯片和DSP之間的最大數(shù)據(jù)交換速度超過USB總線的速度，從而使DSP和主機間的數(shù)據(jù)傳輸速度只受USB協(xié)議限制[14]。

由于CY7C68013A-56PVXC芯片內(nèi)嵌8051處理器，所以使用FIFO芯片實現(xiàn)了從USB接口到DSP之間的通信。從CY7C68013A-56PVXC芯片傳輸?shù)臄?shù)據(jù)先保存在FIFO芯片中，然后再由高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊的DSP芯片TMS320CF2812讀取，完成數(shù)據(jù)的高速傳輸。溫度控制模塊DSP芯片與USB接口芯片的連接如圖18所示。

圖18 溫度控制模塊DSP芯片與USB接口芯片的連接

4 曲軸箱孔熱裝配的可視化分析

材料參數(shù)，載荷參數(shù)，感應(yīng)線圈、曲軸箱孔的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如圖12所示，曲軸箱孔的過盈量為2絲，即0.02mm，由式(1)和式(2)知，熱裝配溫度范圍為114℃～156℃。在ANSYS計算界面上點擊“曲軸箱孔熱裝配計算”按鈕后，自動調(diào)用ANSYS完成計算，其溫度計算結(jié)果如圖19、圖20所示，變形量計算結(jié)果如圖21、圖22所示。

圖19 曲軸箱孔熱裝配溫度云圖顯示

圖20 曲軸箱孔熱裝配溫度曲線

由圖19知，曲軸箱孔在高頻感應(yīng)加熱裝配過程中存在著“集膚效應(yīng)”、“圓環(huán)效應(yīng)”，并且橫向和縱向有著不同程度的滲透，但加熱結(jié)束后，曲軸箱孔中心溫度分布均勻，溫度在148℃～165℃之間，滿足曲軸箱孔的熱裝配溫度；圖20顯示了曲軸箱孔中心溫度隨時間的變化曲線以及在每個時間點所對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)，其中，溫度數(shù)據(jù)將通過USB接口傳輸給高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊中，為后續(xù)溫度控制提供數(shù)據(jù)支撐。

圖21 曲軸箱孔變形量云圖

圖22 曲軸箱孔變形量曲線

由圖21知，加熱結(jié)束后，曲軸箱孔的最小變形量位于孔中心，最小變形量為0.204×10-4m及0.0204mm，能夠暫時消除0.02mm的過盈量，滿足裝配條件；圖22顯示了曲軸箱孔中心變形量隨時間的變化曲線以及在每個時間點所對應(yīng)的變形數(shù)據(jù)，可供現(xiàn)場操作人員判斷是否暫時消除過盈量，達到現(xiàn)場裝配要求。

由圖20和圖22綜合可以得到，在相同過盈量下通過式(1)、式(2)理論計算得到的曲軸箱孔熱裝配溫度和ANSYS模擬得到的熱裝配溫度對比如圖23所示。從圖中可以看出通過ANSYS模擬得出的曲軸箱孔熱裝配溫度與理論計算值幾乎一致，從另一方面也驗證了計算值和ANSYS模擬值的正確性，可以按照理論計算和ANSYS模擬分析的結(jié)果進行曲軸箱孔熱裝配工藝參數(shù)的選擇，同時， 更進一步的說明了ANSYS模擬分析出的曲軸箱孔熱裝配溫度數(shù)據(jù)可以用于高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊中。

圖23 過盈量與曲軸箱孔熱裝配溫度關(guān)系對比圖

綜上所述，在曲軸箱孔熱裝配人機交互界面上輸入如下熱裝配工藝參數(shù)：電流：225A、頻率：34000Hz、加熱時間：6s，在加熱結(jié)束后，曲軸箱孔中心溫度分布均勻，其溫度值為148℃～165℃之間，達到了曲軸箱孔的熱裝配溫度；最小變形量位于曲軸箱孔中心，其值為0.0204mm，能夠暫時消除0.02mm的過盈量，滿足現(xiàn)場裝配要求；在該熱裝配工藝參數(shù)下，通過ANSYS模擬得出的曲軸箱孔熱裝配溫度與理論計算值幾乎一致，不僅驗證了計算值和ANSYS模擬值的正確性，還說明了ANSYS模擬分析出的曲軸箱孔熱裝配溫度數(shù)據(jù)用于高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制口模塊的合理性。

5 結(jié)束語

采用參數(shù)化設(shè)計語言APDL，開發(fā)了一套基于高頻感應(yīng)加熱電源曲軸箱孔熱裝配的電磁-熱-結(jié)構(gòu)耦合命令流程序，利用可視化語言VB，設(shè)計了基于VB的模塊化的人機交互界面，用于曲軸箱孔熱裝配人機交互系統(tǒng)，運用USB接口技術(shù)，實現(xiàn)了該系統(tǒng)與高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊的通信。結(jié)果表明，用戶只需要在該系統(tǒng)界面上輸入或修改參數(shù)，便可以自動調(diào)用ANSYS，模擬分析出曲軸箱孔在熱裝配過程中溫度、變形量的分布及變化，并直觀地將計算結(jié)果顯示在界面上供用戶參考判斷，使人機交互效果得到了明顯提升，這不僅能夠減少大量的人工試驗調(diào)試及手動計算工作，還可以確定出合理的曲軸箱孔熱裝配工藝參數(shù)（電流：225A、頻率：34000Hz、加熱時間：6s），為曲軸箱孔的熱裝配提供了數(shù)據(jù)指導(dǎo)，從而提高了熱裝配效率，保證了裝配質(zhì)量，為實現(xiàn)曲軸箱孔熱裝配的自動化甚至智能化提供了技術(shù)手段。