精密機電產品均勻性裝配技術研究

張璐

（慶安集團有限公司，陜西西安 710077）

0.引言

實際上，裝配就是將已經加工完成的零件，依據規定的要求進行組裝，再經過調試與檢驗后使產品合格。裝配是產品生產的后端環節，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產品研制的45%以上，裝配時間會占據產品制造時間的60%左右，可見裝配質量將會直接對產品性能產生影響。

1.精密機電產品均勻性裝配的內涵與意義

1.1 均勻性裝配的內涵

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

傳統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構的應力分布情況，導致產品使用性能受到影響，應力主要來源于零件加工之后的殘余應力，以及裝配期間的應力等。分析均勻性裝配的主要內涵，大致包含以下幾部分：（1）基于幾何精度的控制保證應力均勻控制，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節的精度。但是均勻性裝配不同，這是以幾何精度控制為基礎采取的裝配方式，應力控制不僅包含裝配環節的應力均勻控制，也包含產品服役期間對非對稱應力的有效調控措施。（2）基于裝配界面的形貌誤差主導，零件表面一般會存在波峰與波谷相結合的誤差，大小與分布會影響裝配精度，均勻裝配技術可以按照具體的精度要求選擇相應表面形貌誤差尺寸。

1.2 均勻性裝配的意義

隨著航空制造產品的復雜化與精密化發展，面對當前航空機電一體化的發展態勢和操作環境的極限化特征，產品裝配環節對于機電產品的裝配精度與產品性能穩定提出嚴格的要求。均勻性裝配對于精密性機電產品來說有著重要意義，具體如下：

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

（2）促進智能化裝配發展，這是未來機電產品裝配的重要趨勢，需要在傳感技術、自動化技術以及人工智能的融合下，實現各個學科的交叉融合。一直以來智能裝配的難點都體現在裝配性能與穩定性能的預測方面，而均勻性裝配以連接結構應力的對稱作為關鍵，可實現數據智能感知與實時監測，并在自動控制技術的應用下使產品裝配環節更加智能。

（3）實現精密裝配技術的發展。對于機械制造領域來說，精度的提高是整個行業的重要目標，精密裝配技術通過控制幾何量提升精度與性能，均勻性裝配以結構應力對稱分布作為發展目標，對幾何量、特征量和工藝參數定量分析，加強對產品性能預測，實現對裝配環節的有效控制，為精密裝配技術的未來發展提供技術支持[1]。

2.均勻性裝配的主要特征分析

根據上文提到的內涵，從中提取特征，均勻性裝配的特征大致包含以下幾方面內容：（1）精密性特征。針對精密型機電產品，均勻性裝配技術的應用存在著精密性特征，要求裝配精度能夠控制在10μm范圍內。（2）對稱均勻性特征。對于精密機電產品來說，均勻性裝配旨在實現連接結構應力分布的對稱與均勻，所以應具備以上特征。（3）連接多樣性，該類產品一般會涉及到多種連接結構，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）多學科性特征，均勻性分配技術的應用一般會涉及到接觸力學和材料學等方面內容，仿真分析時會用到計算圖形學和數值計算方法，所以該技術的應用需要多個學科融合[2]。

3.精密機電產品均勻性裝配的連接結構類型

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構成的結構看作是裝配連接結構，按照表面間相對位置關系，合理的劃分連接結構類型，大致分為以下3種情況：

（1）配合面連接結構，這是一種十分常見的結構形式，在裝配環節內零件表面產生直接接觸，表面材料特性會影響裝配之后的微觀變形，微觀形貌會對結構應力分布情況長生印子昂。對配合面連接結構采取均勻性裝配，依據材料本構關系優化裝配工藝，實現連接結構在完成裝配之后的應力均勻分布，提高裝配精度，保證產品服役期間的性能穩定。

（2）異種材料填充連接結構，這樣的結構形式指的是零件表面間填充其他材料，以此實現的配合連接，常用到的材料就是膠粘劑，材料本構關系和表面鍵合行為有可能影響裝配之后的應力分布，所以該形式下的均勻性裝配應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，尋找應力松弛規律，以此實現對裝配工藝的優化，實現對固化時間與溫度等參數的有效調整，通過以上措施保證應力能夠均勻分布。

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

4.精密機電產品均勻性裝配的關鍵技術

4.1 表面微觀形貌表征

依據當前國際標準規定，形狀誤差就是被測要素對擬合要素的變動量，以最小包容區域寬度與直徑進行表征，在仿真時將形狀誤差當做附加尺寸誤差，從而滿足常規機電產品裝配需求，但不適合用在精密機電產品的均勻性裝配中。航空精密機電產品的均勻裝配應充分考慮到產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的應用要點大致如下：

（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用形貌測量儀對表面的數據點加以提取，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，人們就選擇了統計學領域參量近似模擬的替代方法，表面形貌應用分形維數與尺度系數，確立W-M分形函數，因此來表述圍觀輪廓。與此同時，再根據裝配精度要求和材料特性，結合產品加工工藝確定誤差表面表征方法的應用[4]。

4.2 裝配應力應變求解

怎樣對連接結構的應變進行求解分析，這是均勻性裝配技術的應用關鍵，其結果將關系到應力分布的均勻情況。將形狀誤差看作是附加尺寸誤差，采用有限元網格進行劃分，從中求解應力與應變情況，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，對其中的參數進行假設分析，從中獲得應力應變解析解，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，求解回收應變應力數值大小的影響。將平面擠壓過程中結合面的接觸應力函數進行假設，承重尋找統計學參數和應力分布情況的關系。

其次，數值法求解，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，從中得到應力應變信息，接觸計算時刻引入穿透量相關概念，最后再對計算結果進行驗證分析即可，以此保證分析結果的準確性。

4.3 裝配工藝優化

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

以某航空發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力問題，針對靜子葉片應采取科學有效的裝配方法，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，防止沖擊力影響設備使用。在裝配工藝改進與優化方面，靜子葉片的葉片角度可以采用連桿機構進行調整，讓葉片處于水平的狀態，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節，在傾斜狀態調整到水平狀態時，適應機匣對葉片的限制。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組裝處理，機匣外部葉片安裝在半環定位盤中，再連接葉片，半環葉片安裝有可用的側面空間，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節解決沖擊力問題。

5.總結

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