射流盤組件壓裝技術研究*

由 博 王曉東

(①吉林化工學院航空工程學院，吉林 吉林 132102; ②大連理工大學精密與特加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023)

軸孔過盈聯接是零件間的主要聯接形式，通過軸孔過盈聯接，構成復雜的產品以實現不同的功能。此時，產品的最終精度不僅和各零件的加工精度有關，還與零件間的聯接形式及裝配精度有關。裝配精度受很多因素的影響，往往很難滿足使用要求，尤其是在基于過盈聯接的精密零件軸孔壓裝作業時，由于壓裝力較大不便于在壓裝過程中對軸或孔進行位置調整，因此會對壓裝精度產生不利影響，且自動壓裝時的精度補償也很難實現。

射流盤組件的壓裝精度包括兩個方面：一是射流盤組件中各零件自身的加工精度對壓裝完成后組件壓裝精度的影響；二是壓裝設備中相關零部件(例如，壓力傳感器、位移傳感器等)的精度對壓裝完成后組件壓裝精度的影響。

由于高精度的偏轉板式射流伺服閥普遍用于國防、航空航天等領域，國家對相關技術進行保密，因此國內能查到的有關射流盤組件壓裝精度的資料很少，只有涉及偏轉板式射流伺服閥相關零部件的加工工藝方面的文獻[1]。該文獻年代久遠，所講的相關零件加工工藝與現今的加工工藝相比明顯落后，實際上現在所用電液伺服閥的加工工藝和精度都有了很大改進。該文獻只提到了偏轉板式射流伺服閥各零件的加工工藝方法和最終工藝要求，對于射流盤組件的壓裝也只是提到最終精度要求，并沒有詳細分析射流盤組件壓裝精度影響因素及其影響規律。

還有一些文獻是研究偏轉板式射流伺服閥精度的，但大多數集中于伺服閥整體性能的研究[2～6]及射流盤、端蓋和殼體的加工質量研究[7～9]，很少涉及偏轉板式射流伺服閥中射流盤組件的壓裝精度研究。在國外，很多工業化程度較高的國家在這方面已經有了很高的研究水平，比較有代表性的是美國MOOG制閥公司。該公司最初專門從事飛機與導彈所使用的電液伺服閥的設計與供應，而經過多年的發展，現在的MOOG電液伺服閥與其他品牌的同類產品相比，具有響應速度快、控制精度高及使用壽命長等優點，因此現已廣泛應用于航空、航天、兵器等領域的電液伺服控制系統中[10]。

國外一般的高精度壓裝設備的控制精度可達到10 μm以內，并且針對壓裝過程中各影因素的估計、壓裝設備的性能提升方面做了不少的研究工作[11]，在射流盤組件壓裝精度的影響因素及其影響規律的研究方面也取得了一定的進展。

綜上所述，國內主要研究的是偏轉射流伺服閥整體性能和射流盤組件關鍵零件的加工質量，而對于射流盤組件的壓裝作業，很少有文獻提及。針對上述研究現狀，對射流盤組件壓裝精度要求的影響因素進行了研究，確定射流盤組件壓裝精度要求的主要影響因素的種類，而后對壓裝設備相關零部件進行標定，進而使射流盤組件壓裝精度能夠滿足要求。

1 射流盤組件壓裝精度要求分析

1.1 射流盤組件結構及其壓裝要求

射流盤組件是偏轉板式射流伺服閥的核心部件，主要由錐銷(2個)、上端蓋、射流盤、下端蓋及上殼體6個零件組成，具體結構如圖1所示。其壓裝過程是共分為兩步，一是通過錐銷(2個)將上端蓋、射流盤、下端蓋裝配成一個整體(中間件)；二是將中間件壓入上殼體孔中。

組件壓裝完成后，應滿足如下要求：射流盤一字槽側面(D2)與上殼體側面平行度誤差(壓裝平行度)≤0.01 mm；上端蓋上表面與上殼體上表面之間的高度差(壓裝高度差)在0.01～0.03 mm(如圖2所示)。

根據偏轉式射流伺服閥的使用情況可知，其上端蓋上端面上的兩孔應與射流盤上兩孔及下端蓋上端面上的兩孔對正，因此壓裝平行度和壓裝高度差這兩項指標很重要。

1.2 射流盤組件壓裝精度要求分析

中間件和上殼體孔之間的過盈聯接壓裝屬于軸孔精密裝配，軸孔裝配受零件加工精度、表面加工質量、工裝精度及壓裝設備定位誤差等因素的影響，使壓裝和導向誤差增大，從而導致壓裝平行度超差。由上述原因導致的壓裝平行度誤差達到了0.02 mm。除此之外，伴隨著壓裝過程的進行，中間件與上殼體孔之間的過盈配合長度逐漸增加，壓裝力逐漸增大，但由于各零件過盈配合面的加工精度和表面加工質量與理想狀態相比，存在一定差異，導致壓裝力-位移關系發生變化，致使中間件壓裝不到位或壓過頭。

通過上述分析可以發現，中間件的壓裝平行度誤差和壓裝高度差的大小取決于壓裝設備的定位誤差和壓裝力-位移關系。因此須消除壓裝設備的定位誤差，并對壓裝力-位移關系進行補償，使壓裝設備滿足壓裝精度要求，從而順利完成射流盤組件壓裝作業。

2 壓裝設備標定

2.1 視覺裝置標定

已研制的壓裝設備如圖3所示，其中壓裝夾具(上部)負責夾持中間件，而壓裝夾具(下部)用來夾持上殼體。零件裝夾完成后，視覺裝置在電動機作用下沿導軌向前運動，使其處于已裝夾的兩個零件之間，分別對上端蓋一字槽中間部分和上殼體側面棱邊進行圖像采集。

將上述圖像采集的結果轉換到同一坐標系下，根據兩個圖像的相對位置關系，調整壓裝夾具(上部)，使上端蓋一字槽側面與上殼體側面平行。

由于視覺裝置是由上下兩臺CCD相機構成，而兩臺相機在安裝過程中必定要產生裝配誤差——相對位置誤差和角度誤差，其中對壓裝平行度有影響的是角度誤差，因此須對其進行標定。具體標定方法如下：在進行上下相機角度誤差標定時，以相機X軸導軌為基準，分別測量上相機坐標系X軸和下相機坐標系X軸與相機X軸導軌的夾角，這樣就得到了上下相機X軸之間的角度誤差。

在測量上相機坐標系X軸與相機X軸導軌之間的夾角時，將光學標準尺安裝在壓裝夾具(上部)上，使相機沿X軸導軌前進至位置1采集一張圖片，設此時相機坐標系為XOY，取其中一點A；然后繼續前進至位置2再采集一張圖片，設此時相機坐標系為X′O′Y′，取其中一點B，點B是點A在坐標系X′O′Y′的對應點，由于上相機X軸與相機X軸導軌之間存在夾角，因此點B和點A在Y軸方向上必然存在差異，具體情況如圖4所示。同理可測下相機坐標系X軸與相機X軸導軌之間的夾角，從而得到上下相機X軸之間的夾角為0.722 9°，進而通過程序控制在將兩個圖像轉換到同一坐標系時，進行角度誤差補償，使壓裝平行度滿足要求。

2.2 壓力-位移補償

在進行射流盤組件壓裝時，由于壓裝力較大，壓裝夾具(下部)在受壓情況下會產生一定的變形。當壓裝夾具(下部)發生變形時，被其夾持的零件——上殼體會向下移動，如果不對由壓裝力產生的變形進行補償，被壓裝的中間件就會壓不到位，即無法保證組件的壓裝高度差，因此須對壓裝夾具(下部)的受壓變形量進行標定，即壓力-位移補償。

標定時應先將壓裝夾具(下部)工裝全部取下，通過控制程序使上橫梁向下運動，使壓裝夾具(上部)與事先放置的量塊表面接觸，此時觀察壓力傳感器的讀數，當讀數發生突變時，將光柵尺讀數清零。此時通過控制程序使上橫梁緩慢向下運動，同時記錄不同位置時壓力傳感器的讀數和光柵尺的讀數，這樣就得到了壓裝夾具(下部)在不同壓力作用下的變形量。標定數據如表1所示。

表1 壓裝夾具(下部)受力變形標定數據

壓力值/kgf54.880.2105.6變形量/μm536880壓力值/kgf131.0156.4181.8變形量/μm92102113

根據表1中的數據，擬合出壓裝力與壓裝夾具(下部)受壓變形量之間的關系曲線，如圖5所示。

由于射流盤組件的最大壓裝力在60～180 kgf，因此在測量壓裝夾具(下部)受壓變形時，選擇表1中的壓力值。根據圖5進行壓力值和變形量之間的關系擬合，得到：

y=0.465x+29.5

式中：y為變形量，μm；x為壓力值，kgf。

將上述關系編入控制程序中，使壓裝夾具(下部)的受壓變形得到補償，從而保證壓裝高度差。

3 射流盤組件壓裝實驗

為驗證標定結果的正確性，利用已研制的壓裝設備對14套射流盤組件進行壓裝實驗(如圖6所示)。

中間件壓裝完成后，檢測其壓裝平行度和壓裝高度差，具體結果如表2所示。

表2 射流盤組件壓裝實驗結果

編號壓裝平行度/μm壓裝高度差/μm編號壓裝平行度/μm壓裝高度差/μm110148103021317991433161051849211122155181215146918133187102014712

4 結語

針對射流盤組件的壓裝精度指標要求，對已研制的精密自動化壓裝設備的視覺裝置和壓裝力-位移關系進行標定。通過對二者的標定，使壓裝設備滿足了射流盤組件的壓裝精度指標要求。對14套射流盤組件進行了壓裝實驗，壓裝結果表明：中間件壓裝平行度≤±0.01 mm、射流盤組件中間件壓裝高度差在0.01～0.03 mm。組件壓裝精度滿足使用要求，壓裝設備能夠完成射流盤組件壓裝作業。