機床大件不同裝配工藝下裝配應力分布試驗研究

李江艷，毛寬民，陳奇兵，聶應新

(1.沈機集團昆明機床股份有限公司，云南昆明 650000;2.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074;

3.北京工研精機股份有限公司，北京 100000)

機床大件不同裝配工藝下裝配應力分布試驗研究

李江艷1，毛寬民2，陳奇兵2，聶應新3

(1.沈機集團昆明機床股份有限公司，云南昆明 650000;2.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074;

3.北京工研精機股份有限公司，北京 100000)

影響機床大件螺栓固定裝配質量的主要因素是裝配應力的狀態與分布，為此，提出了一種基于應變測試的裝配應力測試方法，該方法無需破壞工件的表面。在對自由表面應力狀態分析的基礎上建立了三向應變花測試數據與表面主應變的關系，再根據胡克定理建立主應力的計算公式。以某機床廠的主軸箱與導軌滑塊的螺栓裝配為對象，研究了螺栓裝配不同工藝下裝配應力狀態與分布，試驗結果驗證了文中所提出方法的有效性。

螺栓裝配;主應力;主應變;裝配應力測試

0 前言

隨著機床向高速、高精、高效方向發展，機床的動態性能引起了研究者的普遍關注。研究表明，機床上出現的振動問題有60%以上源自結合部，其阻尼值的90%以上來源于結合部的阻尼［1－2］。機床結構中大件的裝配精度、動力學特性 (固有頻率、模態阻尼、模態振型)受到裝配質量的極大影響，而其主要因素就是裝配應力的狀態和分布。目前應力測試方法主要分為破壞性與非破壞性無損兩種。其中破壞性測試方法有鉆孔法、取條法、切槽法、剝層法等［3］，由于此類方法多半會破壞原件本身，故不適用于原件不可破壞的情況;非破壞性無損測試方法又稱物理測量法，主要包含X射線法，中子衍射法，超聲波法，磁性法［4］。X射線法是利用X射線入射到物質時的衍射現象，根據材料晶面間距的變化來確定應變，其精度較高，但其設備復雜，對測試表面要求高，所以其應用受到了一定的限制。中子衍射法［5］是通過研究衍射束的峰值位置和強度，獲得應力或應變的數據，是目前唯一可以測定大體積工件三維應力分布的方法，其具有許多的優點，穿透力強，空間分辨可調等等，但其與X射線法一樣，設備昂貴復雜，對試件有嚴格的要求。并且目前中子衍射法只能固定在實驗室測試。超聲波法的理論依據是聲彈性理論，對于大多數介質而言，超聲波的穿透性是比較強的，并且其方向性好，可以實現定向發射，與中子衍射法相比，超聲測試儀可以方便的攜帶到現場和室外使用，但其測定結果受材料性能、工件形狀和組織結構的影響，測量的靈敏度較低。磁性法［6］是無損檢測法中的新型測試方法之一，其相對于其他集中無損測試方法最顯著的優點便是可以對使用中的對象進行測試，沒有輻射危險，但其對材料結構和屬性很敏感，容易影響測試結果的準確性，并且只能測試磁性材料。針對于表面應力的測試，使用電阻應變計［7］測量應變的這一電測法相對于以上幾種測試方法，顯示出了其不同的特點，其設備便宜，操作簡單易行，可適用于現場，對環境沒有太過苛刻的要求，對滿足彈塑性理論的材料均可實現測量。并且準確度較高，滿足了一般情況下的應力測試的需要。本文作者將利用基于應變測試的應力測試方法對于螺栓裝配應力分布進行研究。

1 基于應變的應力測試原理

由彈性體力學理論可知，對于自由表面上一點，其法線方向為一個主應力方向，而另外兩個應力主方向就位于該自由表面上。假設物體表面一點處的應變εx、εy和γxy皆為已知量，這里 εx和εy表示沿x和 y方向的線應變，γxy表示直角xoy的角度變化即剪應變。該點處任意方向的線應變及剪應變可由式 (1)計算得到:

當導數為0時，則此時角α所確定的截面上正應變εα取極值。同時將公式 (1)、(2)進行比較可知此時剪應變等于零，即為主應變方向。再將α值代入公式 (1)即可求得此時主應變的大小及角度α的值，如式 (3)下:

使用儀器直接測量物體應變時，由于剪應變γxy不能直接測得，所以一般先測出3個選定方向α1、α2和α3上的線應變，然后代入公式 (1)得式 (4)并求解該方程組而得到。

實際測量中，一般把α1、α2、α3選取為便于計算的數值，以簡化計算。例如將應變片的三個方向分別選為0°、45°、90°。這樣就得到了圖1所示的直角應變花。

圖1 直角應變花

在實際使用中時代入公式 (4)，計算簡化為:

主應力的方向與主應變的方向一致。

2 試驗系統

試驗系統框圖如圖2所示。對試件測試表面經過處理 (潔凈、平整)，并粘貼三向應變片，通過數據采集系統采集在螺栓擰緊過程中試件的應變變化時間歷程，并存入計算機，通過相應的程序分析計算試件的應力狀態和分布情況。試驗中所采用的應變計為溫度自補償型BE120－2BC(11)三向應變花，其電阻值為120Ω，對平均電阻值公差≤±0.1%，靈敏系數1.86～2.20，疲勞壽命10 000 000，使用溫度范圍－30～+80℃。數據采集系統為DH3816N靜態應變測試系統，DH3816N靜態應變測試系統是全智能化的巡回數據采集系統，以太網通訊，系統可邊采樣、邊傳送、邊存硬盤、邊顯示，利用計算機海量的存儲硬盤，長時間實時、無間斷記錄所有通道信號。

圖2 基于應變的應力測試系統流程圖

3 不同裝配工藝對裝配應力的影響

以某機床廠生產的臥式加工中心的主軸箱與導軌滑塊螺栓聯結裝配為對象，研究不同裝配工藝下裝配應力的狀態與分布，實驗現場如圖3所示。

圖3 主軸箱裝配實驗現場整體圖

3.1 工藝安排

圖4是直線導軌滑塊與主軸箱體螺栓聯結位置的示意圖，圖中字母所對應的圓圈為各個螺栓的位置，在此次實驗中，共選取了18個測點，每個測點均處在螺栓正下方，圖4中1－10號測點布置在主軸箱上，(1)－(8)布置在直線導軌滑塊上。實驗中采用兩種螺栓裝配工藝，其中方式一為順序擰緊方式，采用順時針方向:BbEeOoHh→AaDdpPmM→CcFfnNgG;方式二為對稱擰緊方式，采用對角線順序:BbOoEeHh→AacC→pPNn→fFDd→mMGg。兩種工藝下螺栓擰緊力矩是一樣的，按照50%→80%→100%力矩分3次將所有螺栓擰緊至規定力矩。

圖4 直線導軌滑塊與主軸箱體螺栓聯結示意圖

3.2 同一工藝多次重復試驗應變數據分析

按擰緊工藝方式二進行了三次試驗，對實驗數據經過平均、主應變求解處理，得到圖5所示的各測點主應變數據。

圖5 同種裝配工藝下主軸箱及滑塊上測點處最大主應變曲線圖

按照第一部分所討論的主應力與主應變的關系， 可得到各測點的主應力，如圖6所示:

圖6 同種裝配工藝下主軸箱及滑塊上測點處最大主應力曲線圖

由圖5、6可以看出，實驗數據具有非常好的重復性，除個別點外，各次實驗之間最大誤差不超過5%。但是在整個被連接件上最大主應力分布是不均勻的，從圖5(a)、圖6(a)上可以看出主軸箱正面上的G—P螺栓對應的6個測點處的主應力值小于主軸箱左側面上A、c、m、G螺栓所對應的4個測點的主應力值。R?TSCHER［8］指出在單個螺栓聯接中其應力場是以頂角為2α的圓錐體分布的;R.H OSKOUEI等［9］使用了有限元方法研究了雙搭接螺栓連接中的應力分布，結果表明整體的應力分布呈瓦罐形:上面的平板和下面的平板的應力分布仍然是錐形的，中間的平板的應力分布沿厚度方向均勻分布 (如圖7所示)。

圖7 螺栓應力分布圖

從這些研究中可以看出各個測點處的應力值與距離螺栓的位置有關，在粘貼應變片時10個測點距離結合面的高度一致，但由于主軸箱的結構原因，左側面4個測點與螺栓軸線的距離小于正面6個測點與螺栓的距離，因此導致兩邊結果差異的原因之一就是由于測點距離螺栓孔中心空間距離的不同;同時，從圖8中可以看到，左側的4個測點周圍分布有若干螺紋孔，而這些螺紋孔會引起構件的應力集中，導致應力在局部區域內顯著提高，這也是導致主軸箱上左側面

4個測點值大于正面6個測點值的又一個原因。

圖8 主軸箱上左側應變花布置圖

滑塊上左右兩側的測點值也有較大的差異，與主軸箱上左側面上對應的4個測點值比右側4個測點值大，最主要原因可能是由于主軸箱滾珠絲杠的裝配所引起的。從圖3可以看出，滾珠絲杠位置并不是沿主軸箱中心布置的，而是偏向左側。這使得絲杠在裝配過程中起到了“支點”的作用，在優先擰緊的左側，主軸箱與調整墊、滑塊緊密接觸，而此時右側則有相互脫離的趨勢，再用同樣力矩擰緊右側時，由于“支點”偏左，此時就不能完全消除之前引起的位移，這樣就導致左右兩側滑塊接觸面上的壓力的不同，從而導致了左右兩側應力值的差異。右側測點3與同側其他3個測點的應力值的差異是由于調整墊的平面度和粗糙度引起的，屬于偶然因素。關于平面度、粗糙度對裝配應力場的影響將會在后面進行進一步的研究。

3.3 不同工藝下應力狀態與分布

按擰緊工藝方式一和方式二進行了多次試驗，取其中一組對實驗數據進行計算處理得到如圖9所示的主應變數據曲線圖。

圖9 不同裝配工藝下主軸箱及滑座上測點最大主應變曲線圖

按照第一部分所討論的主應力與主應變的關系，可得到各測點的主應力，分別如圖10(a)、 (b)所示。

圖10 不同裝配工藝下主軸箱及滑塊上測點最大主應力曲線

由圖9、10可以看出，在不同螺栓裝配工藝下，主軸箱上各個測點值之間的差異很小，直線導軌滑塊上方式二的值在某些測點處比方式一的值稍小，但是測點值的變化趨勢基本一致，不同裝配工藝對主軸箱與直線導軌滑塊裝配的應力分布影響并不明顯。造成這一現象的原因是由于直線導軌4個滑塊是相互獨立的，而且彼此之間距離較遠，從而導致滑塊與滑塊之間應力場相互影響很小。圖11為4個滑塊上所對應的4個測點值在3次加載中的連續變化趨勢，當擰緊某一螺栓時，其正對的測點應變值變化非常明顯，但是從圖中可以看出其他3個測點應變值基本沒有變化，也就是對其他滑塊上的應力場基本沒有影響。而圖中各個測點曲線會出現較小的變化，這是由于在整個加載過程中會受到同一滑塊上距離較近的螺栓的影響。

圖11 方式一加載下4個滑塊上應變花0°方向應變值變化趨勢圖

4 結論

針對某機床廠的臥式加工中心的主軸箱與直線導軌滑塊裝配過程，利用三向應變花測試不同的裝配工藝下裝配應力的狀態與分布。在同種裝配工藝下，多次實驗結果具有很好的重復性，驗證了應力測試的有效性。從測試結果對比可以看出不同裝配工藝下，裝配應力的變化趨勢是基本類似的，并沒有十分明顯的差異。其他因素 (零部件之間的約束，工件表面平面度、粗糙度等)對裝配應力場的分布也存在較大影響，還需要進一步的研究分析。

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Experimental Research of Large Com ponents of Machine Tools Assembly Stress Distribution Under Different Assembly Process

LIJiangyan1，MAO Kuanmin2，CHEN Qibing2，NIE Yingxin3
(1.Shenji Group Kunming Machine Tool Co.，Ltd.，Kunming Yunnan 650000，China;2.School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei430074，China;3.Beijing Precision Machinery＆ Engineering Research Co.，Ltd.，Beijing 100000，China)

Assembly stress distribution and state are themain factor of the quality of largebolted joints in machine tool.Therefore，an assembly stress testmethod based on strain test is proposed.There was no need to damage the surface of the workpiece by thismethod.The relationship between the three－dimensional(3D)rosette gauge test data and the surface principal strain was builtup based on theanalysis of free surface stress state.Then according to Hooke’s law，the calculationformula of principal stresswas established.By taking the spindle box and the guide rail slider bolt assembly of amachine tool plant as research objects，assembly stress distribution and state were researchedof different assembly process for bolt assembly.Theresults of this experiment validate the effectiveness of the presented method.

Bolt assembly;Principal stress;Principal strain;Assembly stress test

TH162+.1

A

1001－3881－ (2015)21－118－5

11.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.028

2014－09－17

國家高技術研究發展計劃(2012AA040700)

李江艷 (1970—)，女，學士，教授級高級工程師，研究方向為大型精密臥式加工中心設計。E－mail:janeol@sina.com。