自動控制數字化過盈偶件精密裝配技術研究

周衛衛，劉鳳江，常冬艷，趙東明，邵沖，楊振宇

自動控制數字化過盈偶件精密裝配技術研究

周衛衛，劉鳳江，常冬艷，趙東明，邵沖，楊振宇

（中國運載火箭技術研究院 a. 北京精密機電控制設備研究所；b. 航天伺服驅動與傳動技術實驗室，北京 100076）

開展自動控制數字化的壓裝技術研究，以改善手工裝配過盈偶件周期長、裝配質量參差不齊等問題。通過制定電機鍵槽寬度測量方法，獲取合適的過盈量范圍；隨后設計狹小空間平鍵壓裝工裝，計算不同材質的壓裝力，仿真分析壓裝力的范圍。過盈偶件過盈量為0.004～0.007 mm，合理壓裝力的范圍為1～2.5 kN。通過量化過盈偶件的壓裝力，能夠有效分析產品的傳遞扭矩或定位基準，為產品的關鍵工序提供了理論基礎。

自動控制；過盈偶件；精密壓裝

機電伺服機構產品中的過盈偶件主要包括銷與銷孔、平鍵與電機鍵槽等[1—4]，伺服電機以平鍵的兩側面為工作面，依靠鍵和鍵槽側面擠壓傳遞轉矩[5—6]。銷與銷孔、平鍵與電機鍵槽為過盈配合，過盈配合下的優選配合為中等壓入配合，配合公差要求為過盈量大于0.002 mm，且小于0.012 mm；并要求過盈偶件兩側面均勻接觸，其結合面不得有間隙[7—8]。為保證過盈偶件具有足夠的結構強度和較長的使用壽命，其中銷、平鍵以及電機鍵槽均采用沉淀硬化不銹鋼（05Cr17Cu4Ni4Nb）棒材制備，經充分塑性變形和固溶時效熱處理后，材料的抗拉強度大于1.16 GPa、屈服強度大于1 GPa、伸長率大于11%。

文中擬通過對平鍵鍵槽進行精確測量，選擇適配的平鍵，得到有效的過盈量范圍；設計平鍵壓裝工裝[9]，利用數字化過盈偶件壓裝機得到實際平鍵壓裝力，與ANSYS分析軟件模擬出的壓裝力進行對比[10—15]，找出合理的壓裝力范圍[16]，最終實現過盈偶件的精密壓裝。

1 過盈偶件裝配現狀

由于電機殼體的干涉等問題，電機輸出軸的鍵槽寬度無法用現有量具測量。采用0.002 mm為一檔的分級塞規，在槽的前、中、后位置測量多個點，記錄數值，這種方法不僅在精度上無法滿足要求，而且測量的準確性會受塞規磨損和人員因素影響。

電機輸出軸低于電機殼體止口，坡口最大直徑為40 mm，最小直徑為32 mm，坡口深度為9.5 mm。普通工具沒有操作空間，僅依靠操作者手持銅棒在與電機軸徑向成60°方向上斜向裝鍵，施力不均勻，易造成鍵配合不均勻。目前，過盈偶件的裝配完全依靠裝配者手工完成，裝配質量只能通過測試產品性能驗證。

根據過盈偶件的現有技術條件，計劃從以下3個方面進行研究。

1）電機鍵槽寬度測量方法的研究。按照測量的一般原則，平鍵和鍵槽寬度測量量具的綜合誤差高于0.01 mm。

2）狹小空間平鍵壓裝工裝的設計。作動桿與電機輸出軸之間依靠平鍵連接傳遞扭矩，鍵槽是沿電機軸向開的槽，要求平鍵在電機輸出軸的徑向完成壓裝。

3）自動控制過盈偶件精密裝配技術。

2 過盈偶件精密裝配技術研究

2.1 高精度平鍵鍵槽的測量

分別設計適合鍵槽的專用塞規式測量系統。采用比較測量的方法，鍵槽寬度的測量精度提高到了0.001 mm，滿足測量要求。

2.1.1 測量系統誤差分析

經專業檢定，此測量系統在任意0.02 mm內的示值誤差為0.001 mm，鍵槽公差要求為4P9（?0.004/ ?0.016），即上偏差為?0.004 mm，下偏差為?0.016 mm，公差帶為0.012 mm<0.02 mm。此系統使用數顯千分表，測量系統內為硬接觸，且手柄上有可調的圓弧與測頭的導向體，共同保證測量時測頭與槽壁的平行，故可以保證精度高于0.0012 mm。

2.1.2 測量方法

使用塞規式測量系統對電機輸出軸的鍵槽進行測量。

1）將指示（千分）表、手柄、測針、導向體依次擰緊，保證在指示表壓緊時，讀數為0.1～0.2。

2）使用測量組合體測量槽規，指示表清零。

3）調整限位螺母至合適的高度，使用測量組合體測量軸上的鍵槽寬度，得到讀數。

4）鍵槽的實際寬度為3.985 mm+。

5）按上述步驟在鍵槽前、中、后均勻取5個點測量，并記錄數值。

2.1.3 試驗驗證與過盈量計算

使用專用塞規式測量系統可以將鍵槽測量精度提高到0.001 mm，為精確計算平鍵與鍵槽的過盈量提供了保證。

鍵槽的設計寬度為4?0.004 ?0.016 mm，平鍵的設計寬度為4?0.002 ?0.012 mm，通過使用專用塞規式測量系統測量實際加工鍵槽尺寸，選擇適配的平鍵，計算過盈量，結果如表1所示。

整理過盈量數據，并按照0.002 mm為1個樣本組距，確定鍵槽公差尺寸在各小區間內的個數（即頻數），隨后計算出數據在各小區間的頻率，最后繪制頻率直方圖，如圖1所示。

由圖1可知，頂部的臺階曲線呈兩頭低、中間高的特點，且中心線比較對稱，與正態變量的概率密度曲線一致。對于過盈量的樣本值，將置信區間作為評估的精度。

過盈量的樣本曲線近似服從正態分布（，2），的置信水平（1?）的置信區間為：

式中：為樣本數；為樣本均值；為樣本標準差；1.96為關鍵值。

樣本數=50，置信水平（1?）=0.95，=0.0054，=0.0047。的置信水平取0.95，置信區間為：

即過盈量落入（0.004，0.007）區間的概率為95%，因此，將過盈偶件的過盈量細化為（0.004，0.007）。

表1 鍵槽實際測量尺寸及過盈量

Tab.1 Actual measured dimension and interference of keyway mm

圖1 過盈量的概率密度直方圖

2.2 狹小空間平鍵壓裝工裝設計

伺服電機以平鍵的兩側面為工作面，依靠鍵和鍵槽側面擠壓傳遞轉矩。由于平鍵與鍵槽為過盈配合，需借助工裝進行壓裝。

設計一種靴型壓接工裝，可以保證“靴頭”伸入電機坡口內，實現平鍵上表面與壓接工裝完全貼合，平鍵可均勻受力。壓裝機通過轉接頭與靴型工裝連在一起，壓裝機與轉接頭通過銷軸連接，靴型工裝與轉接頭通過螺紋連接。

為保證電機軸不受彎矩，設計了一種保護支座，其可支撐電機軸下側，使電機軸在壓裝過程中免受徑向壓力。該保護支座需與電機軸面完全貼合，會對電機軸起到支撐和保護作用。

將上述工裝如圖2所示裝配，將電機置于壓裝機工作臺面（壓裝機工作臺面有凹凸2個半球面組成，可以自動找平），用電機軸支座支撐電機軸，保證電機軸在徑向不受力。將靴型工裝與轉接頭螺紋連接，轉接頭與壓裝機通過銷軸連接。

手動將電機軸鍵槽位置與靴型工裝對齊，保證平鍵與鍵槽平行，受力均勻。

2.3 精密裝配的工藝研究

2.3.1 過盈偶件壓裝力的計算

根據GB/T 5371—2004《極限與配合過盈配合的計算和選用》，過盈偶件由結合壓力產生的變形與應力呈線性關系，壓裝力計算式為：

圖2 壓裝平鍵示意

max(2)

式中：為壓裝力（N）；max為結合面的最大壓強（N/mm2）；為接觸面摩擦因數；為接觸面積（mm2），圓柱銷=π2/4，為圓柱銷的直徑（mm）；連接鍵=，為連接鍵的長度（mm），為連接鍵的高度（mm）。

銷和平鍵、銷軸和鍵槽的材質均為不銹鋼，根據實際裝配情況，過盈偶件在裝配時不使用潤滑劑，故取0.12。

2.3.2 仿真分析

使用CREO 2.0建立電機輸出軸的實體模型，將鍵槽的表面粗糙度設為1.6。

鍵槽主要的受力部位在直線段12 mm處，鍵槽深為2.5 mm，使用ANSYS軟件對鍵槽受到的壓裝力進行仿真，根據連接鍵寬度與鍵槽寬度配合過盈量的不同，模擬出鍵槽的過盈應力。鍵槽實際受力面的施加壓強仿真如圖3所示，不同過盈量下的結合面應力分析如圖4所示。

當過盈偶件過盈量分別為0.010，0.006，0.002 mm時，結合面壓強分別約為437.8，262.7，87.06 MPa（應力均遠低于材料抗拉強度），根據式（2）計算得出壓裝力分別為2889.5，1733.8，574.6 N。

圖3 鍵槽應力分析

Fig.3 Stress analysis of keyway

圖4 不同過盈量下的結合面應力分析

Fig.4 Stress analysis of joint surface with different interferences

2.3.3 試驗驗證

為進一步確定真實鍵槽壓裝力的范圍，利用自動控制數字化壓裝機對平鍵與鍵槽配合進行實際壓裝試驗，根據試驗和ANSYS仿真數據分析對比計算壓裝力與實際壓裝力，找出合適的壓裝力范圍。

1）將壓裝工裝安裝到壓裝機上，將電機置于壓裝平臺的工裝上，保證電機軸上鍵槽及平鍵與靴型工裝底面平行，鍵槽與平鍵完全置于工裝壓力面中間，使得壓裝機均勻施壓。

2）試驗通過壓力傳感器與位移傳感器實時監測平鍵壓裝過程中不同位置的壓力變化，記錄平鍵壓裝到位所需的實際壓力，實際壓力情況如圖5所示。

圖5 實際壓裝力曲線

Fig.5Curves of actual pressing force

試驗采用20件平鍵進行壓裝裝配，驗證平鍵徑向壓裝時過盈量與壓裝力的關系以及狹小空間裝配壓裝力的范圍，驗證結果如表2所示。

表2 壓裝力對比

Tab.2 Comparison table of pressing forces

試驗結果表明，平鍵裝配過程穩定，計算壓裝力與實測壓裝力的偏差在±10%以內，考慮到測量誤差、摩擦因數選取等因素均會造成偏差，因此，可將計算壓裝力與實際壓裝力視為一致。

影響過盈偶件壓裝力的因素主要是過盈量，當過盈量較小時，壓裝力小，實際產品在使用過程中容易發生磨損，使偶件不能精確傳遞扭矩或準確定位；當過盈量較大時，壓裝力增大，壓裝過程中會對電機的旋變造成不可逆的影響，因此，合理的過盈量至關重要。

由理論分析和實際過盈量的概率密度曲線可知，當過盈偶件的過盈量為0.004～0.007 mm時，合理壓裝力的范圍為1～2.5 kN。

3 結語

使用高精度鍵槽測量裝置精確測量鍵槽、凹槽的尺寸，可為過盈偶件的配合提出更合理的要求；設計的靴型工裝能夠在狹小空間對平鍵實施對稱徑向壓裝力。仿真分析表明，當銷、平鍵以及電機鍵槽采用沉淀硬化不銹鋼（05Cr17Cu4Ni4Nb）制備時，壓裝應力遠低于材料抗拉強度；通過自動控制數字化壓裝機，采用定位移方式進行壓裝，可精確控制壓裝力和壓裝行程，實時記錄數據，量化過盈偶件的壓裝力，進而實現產品傳遞扭矩或定位基準的有效分析，最終為產品的關鍵工序提供理論基礎。

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Research on Precision Assembly Technology of Automatic Control Digital Interference Coupling

ZHOU Wei-wei, LIU Feng-jiang, CHANG Dong-yan, ZHAO Dong-ming, SHAO Chong, YANG Zhen-yu

(a. Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls; b. Laboratory of Aerospace Servo Actuation and Transmission, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

This paper aims to carry out the research of automatic control digital press fitting technology, to improve the problems including long cycles of manual assembly interference parts and uneven assembly quality level. The measurement method of motor keyway width was established to obtain the appropriate range of interference, then, the press fitting tooling of flat key in narrow space is designed to calculate the press fitting force of different materials and simulate and analyze the range of press fitting force. By editing the test program and adopting the automatic control digital press fit technology, the interference of the interference couple was 0.004-0.007 mm, and the reasonable press fit force was 1-2.5 kN. By quantifying the press fit force of the interference couple, the effective analysis of the transmission torque or positioning reference of the product can be realized, which provides a theoretical basis for the key process of the product.

automatic control; the interference parts; precision pressing

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.04.026

TJ7

A

1674-6457(2021)04-0179-06

2021-05-14

中國航天科技集團有限公司重大工藝課題（ZDGY2013-10）

周衛衛（1982—），女，碩士，工程師，主要研究方向為航天伺服系統制造技術。

陳增奎（1984—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為彈體結構設計與熱防護設計。