張璐

（慶安集團有限公司，陜西西安 710077）

0.引言

實際上，裝配就是將已經(jīng)加工完成的零件，依據(jù)規(guī)定的要求進行組裝，再經(jīng)過調(diào)試與檢驗后使產(chǎn)品合格。裝配是產(chǎn)品生產(chǎn)的后端環(huán)節(jié)，不僅耗時長，且工作量大，往往會伴隨著較高的費用支出，裝配工作量一般會占據(jù)產(chǎn)品研制的45%以上，裝配時間會占據(jù)產(chǎn)品制造時間的60%左右，可見裝配質(zhì)量將會直接對產(chǎn)品性能產(chǎn)生影響。

1.精密機電產(chǎn)品均勻性裝配的內(nèi)涵與意義

1.1 均勻性裝配的內(nèi)涵

精密機電產(chǎn)品主要是制造精度達到某量級的產(chǎn)品，具有高精度與高穩(wěn)定性的特點，比如高精密慣性儀表，裝配關(guān)鍵組件的精度需要達到5μm以內(nèi)，甚至是1μm，裝配體質(zhì)心的漂移要求應(yīng)保持在0.5mm范圍內(nèi)，且確保產(chǎn)品在使用期間的穩(wěn)定性。產(chǎn)品在裝配期間會產(chǎn)生裝配應(yīng)力，在貯存期間會產(chǎn)生非均勻變化，零件在形狀上可能有所改變，這是影響設(shè)備精度的重要原因。

傳統(tǒng)的精密裝配方法就是采用幾何量控制理論，遵循最小包容區(qū)域原則，降低零件表面幾何誤差，采取尺寸鏈公差計算的方式確保裝配精度。但是這樣的裝配方法卻容易忽略裝配之后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，導(dǎo)致產(chǎn)品使用性能受到影響，應(yīng)力主要來源于零件加工之后的殘余應(yīng)力，以及裝配期間的應(yīng)力等。分析均勻性裝配的主要內(nèi)涵，大致包含以下幾部分：（1）基于幾何精度的控制保證應(yīng)力均勻控制，以往的精密裝配就是將形狀誤差看成是附加尺寸誤差，依靠幾何控制措施確保裝配環(huán)節(jié)的精度。但是均勻性裝配不同，這是以幾何精度控制為基礎(chǔ)采取的裝配方式，應(yīng)力控制不僅包含裝配環(huán)節(jié)的應(yīng)力均勻控制，也包含產(chǎn)品服役期間對非對稱應(yīng)力的有效調(diào)控措施。（2）基于裝配界面的形貌誤差主導(dǎo)，零件表面一般會存在波峰與波谷相結(jié)合的誤差，大小與分布會影響裝配精度，均勻裝配技術(shù)可以按照具體的精度要求選擇相應(yīng)表面形貌誤差尺寸。

1.2 均勻性裝配的意義

隨著航空制造產(chǎn)品的復(fù)雜化與精密化發(fā)展，面對當(dāng)前航空機電一體化的發(fā)展態(tài)勢和操作環(huán)境的極限化特征，產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)對于機電產(chǎn)品的裝配精度與產(chǎn)品性能穩(wěn)定提出嚴(yán)格的要求。均勻性裝配對于精密性機電產(chǎn)品來說有著重要意義，具體如下：

（1）保障產(chǎn)品裝配精度，使精密機電產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定。傳統(tǒng)的裝配方法需要考慮到產(chǎn)品可裝配性，在幾何量的控制下，裝配參數(shù)與產(chǎn)品的裝配性能缺乏穩(wěn)定性聯(lián)系，雖然可以提高精度等級，但無法保證所有精密機電產(chǎn)品都能夠使用，即使裝配精度提升，但性能卻不夠穩(wěn)定。將連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均勻分布，以此作為裝配精度和性能穩(wěn)定之間的變量，確定均勻裝配理論，以此提升裝配精度，保持產(chǎn)品裝配之后有可靠的性能。

（2）促進智能化裝配發(fā)展，這是未來機電產(chǎn)品裝配的重要趨勢，需要在傳感技術(shù)、自動化技術(shù)以及人工智能的融合下，實現(xiàn)各個學(xué)科的交叉融合。一直以來智能裝配的難點都體現(xiàn)在裝配性能與穩(wěn)定性能的預(yù)測方面，而均勻性裝配以連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力的對稱作為關(guān)鍵，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能感知與實時監(jiān)測，并在自動控制技術(shù)的應(yīng)用下使產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)更加智能。

（3）實現(xiàn)精密裝配技術(shù)的發(fā)展。對于機械制造領(lǐng)域來說，精度的提高是整個行業(yè)的重要目標(biāo)，精密裝配技術(shù)通過控制幾何量提升精度與性能，均勻性裝配以結(jié)構(gòu)應(yīng)力對稱分布作為發(fā)展目標(biāo)，對幾何量、特征量和工藝參數(shù)定量分析，加強對產(chǎn)品性能預(yù)測，實現(xiàn)對裝配環(huán)節(jié)的有效控制，為精密裝配技術(shù)的未來發(fā)展提供技術(shù)支持[1]。

2.均勻性裝配的主要特征分析

根據(jù)上文提到的內(nèi)涵，從中提取特征，均勻性裝配的特征大致包含以下幾方面內(nèi)容：（1）精密性特征。針對精密型機電產(chǎn)品，均勻性裝配技術(shù)的應(yīng)用存在著精密性特征，要求裝配精度能夠控制在10μm范圍內(nèi)。（2）對稱均勻性特征。對于精密機電產(chǎn)品來說，均勻性裝配旨在實現(xiàn)連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的對稱與均勻，所以應(yīng)具備以上特征。（3）連接多樣性，該類產(chǎn)品一般會涉及到多種連接結(jié)構(gòu)，比如配合面和異種材料連接，有時還會遇到微間隙連接方式。（4）多學(xué)科性特征，均勻性分配技術(shù)的應(yīng)用一般會涉及到接觸力學(xué)和材料學(xué)等方面內(nèi)容，仿真分析時會用到計算圖形學(xué)和數(shù)值計算方法，所以該技術(shù)的應(yīng)用需要多個學(xué)科融合[2]。

3.精密機電產(chǎn)品均勻性裝配的連接結(jié)構(gòu)類型

將兩個相互連接的零件表面、表面實體、中間間隙以及填充介質(zhì)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)看作是裝配連接結(jié)構(gòu)，按照表面間相對位置關(guān)系，合理的劃分連接結(jié)構(gòu)類型，大致分為以下3種情況：

（1）配合面連接結(jié)構(gòu)，這是一種十分常見的結(jié)構(gòu)形式，在裝配環(huán)節(jié)內(nèi)零件表面產(chǎn)生直接接觸，表面材料特性會影響裝配之后的微觀變形，微觀形貌會對結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況長生印子昂。對配合面連接結(jié)構(gòu)采取均勻性裝配，依據(jù)材料本構(gòu)關(guān)系優(yōu)化裝配工藝，實現(xiàn)連接結(jié)構(gòu)在完成裝配之后的應(yīng)力均勻分布，提高裝配精度，保證產(chǎn)品服役期間的性能穩(wěn)定。

（2）異種材料填充連接結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)形式指的是零件表面間填充其他材料，以此實現(xiàn)的配合連接，常用到的材料就是膠粘劑，材料本構(gòu)關(guān)系和表面鍵合行為有可能影響裝配之后的應(yīng)力分布，所以該形式下的均勻性裝配應(yīng)考慮到材料特性與界面行為。通過對異種材料與零件表面鍵合行為的分析，尋找應(yīng)力松弛規(guī)律，以此實現(xiàn)對裝配工藝的優(yōu)化，實現(xiàn)對固化時間與溫度等參數(shù)的有效調(diào)整，通過以上措施保證應(yīng)力能夠均勻分布。

（3）微間隙連接結(jié)構(gòu)，主要指結(jié)合面在電磁、電流作用之下，對微小間隙展開配合連接的方式。這樣的連接結(jié)構(gòu)中，間隙均勻分布情況將會對應(yīng)力均勻程度產(chǎn)生影響。此時可確立多物理場耦合模型，從中尋找微間隙分布規(guī)律，實現(xiàn)間隙大小與分布狀態(tài)的調(diào)整，以此達到應(yīng)力均勻分布的目的[3]。

4.精密機電產(chǎn)品均勻性裝配的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 表面微觀形貌表征

依據(jù)當(dāng)前國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，形狀誤差就是被測要素對擬合要素的變動量，以最小包容區(qū)域?qū)挾扰c直徑進行表征，在仿真時將形狀誤差當(dāng)做附加尺寸誤差，從而滿足常規(guī)機電產(chǎn)品裝配需求，但不適合用在精密機電產(chǎn)品的均勻性裝配中。航空精密機電產(chǎn)品的均勻裝配應(yīng)充分考慮到產(chǎn)品表面的微觀形貌特征。零件接觸表面在微觀下會看到波峰波谷形狀的形貌誤差，此時均勻性裝配技術(shù)的應(yīng)用要點大致如下：

（1）微觀形貌一般會由多尺度特征，可以按照尺度大小進行誤差劃分，劃分成粗糙度與波紋度幾種情況，選擇不同尺度的誤差表征完成均勻性裝配。一般情況下，裝配精度需求更高，所選擇的尺度就會越小，比如三浮陀螺儀，在均勻性裝配期間需要根據(jù)粗糙度的情況進行微觀形貌表征分析。

（2）常見的分析方法主要有2種，一種是實驗測量法，另一種是理論建模法。其中實驗測量法主要應(yīng)用形貌測量儀對表面的數(shù)據(jù)點加以提取，再基于差值理論確立三維形貌。但是該方法會受到儀器測量精度的限制，人們就選擇了統(tǒng)計學(xué)領(lǐng)域參量近似模擬的替代方法，表面形貌應(yīng)用分形維數(shù)與尺度系數(shù)，確立W-M分形函數(shù)，因此來表述圍觀輪廓。與此同時，再根據(jù)裝配精度要求和材料特性，結(jié)合產(chǎn)品加工工藝確定誤差表面表征方法的應(yīng)用[4]。

4.2 裝配應(yīng)力應(yīng)變求解

怎樣對連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)變進行求解分析，這是均勻性裝配技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵，其結(jié)果將關(guān)系到應(yīng)力分布的均勻情況。將形狀誤差看作是附加尺寸誤差，采用有限元網(wǎng)格進行劃分，從中求解應(yīng)力與應(yīng)變情況，綜合表面微觀存在的形貌誤差，可采用以下求解方法：

首先，解析法求解。這是對微觀形貌進行簡化處理，對其中的參數(shù)進行假設(shè)分析，從中獲得應(yīng)力應(yīng)變解析解，為了避免誤差過大，可建立微凸體模型，使粗糙表面簡化為球形微凸體表面，再使用HERZT接觸理論完成微凸體彈性接觸全過程的理論表征分析，求解回收應(yīng)變應(yīng)力數(shù)值大小的影響。將平面擠壓過程中結(jié)合面的接觸應(yīng)力函數(shù)進行假設(shè)，承重尋找統(tǒng)計學(xué)參數(shù)和應(yīng)力分布情況的關(guān)系。

其次，數(shù)值法求解，即直接對三維形貌接觸求解，采用有限元模型分析方法，直接建立三維模型，從中得到應(yīng)力應(yīng)變信息，接觸計算時刻引入穿透量相關(guān)概念，最后再對計算結(jié)果進行驗證分析即可，以此保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.3 裝配工藝優(yōu)化

在精密機電產(chǎn)品裝配期間，均勻性裝配是可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻的技術(shù)，以此為目標(biāo)對裝配順序、工藝參數(shù)以及裝配路徑優(yōu)化分析，突出裝配環(huán)節(jié)的非線性特征，采用智能優(yōu)化算法，在固定的時間內(nèi)求解，以此達到預(yù)期裝配精度要求。該算法適合用于解決復(fù)雜問題，比如使用局部搜索法，在局部優(yōu)化策略下完成盤算算法。除此之外，還可以應(yīng)用指導(dǎo)性搜索方法，在相應(yīng)規(guī)則下使用遺傳算法和免疫算法，優(yōu)化裝配環(huán)節(jié)，基于產(chǎn)品裝配精度需求，合理設(shè)計算法，爭取在最短的時間內(nèi)得出最佳答案。精密機電產(chǎn)品的裝配設(shè)計也被稱為裝配性設(shè)計，需要在考慮到裝配約束條件下，確保零件結(jié)構(gòu)裝配的科學(xué)性與可操作性，同時滿足裝配性能的穩(wěn)定性需求，比如采用接觸界面材料剛度為前提條件的優(yōu)化算法，提升壓力分布均勻程度。

以某航空發(fā)動機低壓渦輪靜子葉片的裝配作為案例，面對沖擊力與裝配應(yīng)力問題，針對靜子葉片應(yīng)采取科學(xué)有效的裝配方法，以此保證裝配精度和裝配效果。靜子葉片在裝配時，葉片角度的控制比較庫岸南，需要與機匣凸緣裝配關(guān)系相符合，解決葉片在安裝控件方面的問題，防止沖擊力影響設(shè)備使用。在裝配工藝改進與優(yōu)化方面，靜子葉片的葉片角度可以采用連桿機構(gòu)進行調(diào)整，讓葉片處于水平的狀態(tài)，同時可主動保持傾斜，為了防止安裝時葉片和機匣凸緣影響安裝效果，或者對葉片造成損傷，建議對每組葉片角度進行柔性化調(diào)節(jié)，在傾斜狀態(tài)調(diào)整到水平狀態(tài)時，適應(yīng)機匣對葉片的限制。為了解決安裝空間方面的問題，可以對靜子葉片進行外部預(yù)組裝處理，機匣外部葉片安裝在半環(huán)定位盤中，再連接葉片，半環(huán)葉片安裝有可用的側(cè)面空間，上部位置不會被機匣干涉，無需對靜子葉片進行敲擊或者擠壓，可通過合理有效的裝配調(diào)節(jié)解決沖擊力問題。

5.總結(jié)

一直以來我國機械加工與裝配發(fā)展存在著不平衡的現(xiàn)象，隨著精密機電產(chǎn)品加工和裝配環(huán)節(jié)對精度和性能穩(wěn)定性需求的提升，為了保證產(chǎn)品可以在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定服役，有必要探尋一種有效的裝配技術(shù)。通過對均勻性裝配技術(shù)的研究，了解其中技術(shù)要點，以保證產(chǎn)品可靠性為基礎(chǔ)探索裝配工藝的優(yōu)化路徑，從而保證裝配的精確性，盡可能地延長設(shè)備使用壽命。