精密机电产品均匀性装配技术研究

张璐

（庆安集团有限公司，陕西西安 710077）

0.引言

实际上，装配就是将已经加工完成的零件，依据规定的要求进行组装，再经过调试与检验后使产品合格。装配是产品生产的后端环节，不仅耗时长，且工作量大，往往会伴随着较高的费用支出，装配工作量一般会占据产品研制的45%以上，装配时间会占据产品制造时间的60%左右，可见装配质量将会直接对产品性能产生影响。

1.精密机电产品均匀性装配的内涵与意义

1.1 均匀性装配的内涵

精密机电产品主要是制造精度达到某量级的产品，具有高精度与高稳定性的特点，比如高精密惯性仪表，装配关键组件的精度需要达到5μm以内，甚至是1μm，装配体质心的漂移要求应保持在0.5mm范围内，且确保产品在使用期间的稳定性。产品在装配期间会产生装配应力，在贮存期间会产生非均匀变化，零件在形状上可能有所改变，这是影响设备精度的重要原因。

传统的精密装配方法就是采用几何量控制理论，遵循最小包容区域原则，降低零件表面几何误差，采取尺寸链公差计算的方式确保装配精度。但是这样的装配方法却容易忽略装配之后结构的应力分布情况，导致产品使用性能受到影响，应力主要来源于零件加工之后的残余应力，以及装配期间的应力等。分析均匀性装配的主要内涵，大致包含以下几部分：（1）基于几何精度的控制保证应力均匀控制，以往的精密装配就是将形状误差看成是附加尺寸误差，依靠几何控制措施确保装配环节的精度。但是均匀性装配不同，这是以几何精度控制为基础采取的装配方式，应力控制不仅包含装配环节的应力均匀控制，也包含产品服役期间对非对称应力的有效调控措施。（2）基于装配界面的形貌误差主导，零件表面一般会存在波峰与波谷相结合的误差，大小与分布会影响装配精度，均匀装配技术可以按照具体的精度要求选择相应表面形貌误差尺寸。

1.2 均匀性装配的意义

随着航空制造产品的复杂化与精密化发展，面对当前航空机电一体化的发展态势和操作环境的极限化特征，产品装配环节对于机电产品的装配精度与产品性能稳定提出严格的要求。均匀性装配对于精密性机电产品来说有着重要意义，具体如下：

（1）保障产品装配精度，使精密机电产品性能更加稳定。传统的装配方法需要考虑到产品可装配性，在几何量的控制下，装配参数与产品的装配性能缺乏稳定性联系，虽然可以提高精度等级，但无法保证所有精密机电产品都能够使用，即使装配精度提升，但性能却不够稳定。将连接结构的应力均匀分布，以此作为装配精度和性能稳定之间的变量，确定均匀装配理论，以此提升装配精度，保持产品装配之后有可靠的性能。

（2）促进智能化装配发展，这是未来机电产品装配的重要趋势，需要在传感技术、自动化技术以及人工智能的融合下，实现各个学科的交叉融合。一直以来智能装配的难点都体现在装配性能与稳定性能的预测方面，而均匀性装配以连接结构应力的对称作为关键，可实现数据智能感知与实时监测，并在自动控制技术的应用下使产品装配环节更加智能。

（3）实现精密装配技术的发展。对于机械制造领域来说，精度的提高是整个行业的重要目标，精密装配技术通过控制几何量提升精度与性能，均匀性装配以结构应力对称分布作为发展目标，对几何量、特征量和工艺参数定量分析，加强对产品性能预测，实现对装配环节的有效控制，为精密装配技术的未来发展提供技术支持[1]。

2.均匀性装配的主要特征分析

根据上文提到的内涵，从中提取特征，均匀性装配的特征大致包含以下几方面内容：（1）精密性特征。针对精密型机电产品，均匀性装配技术的应用存在着精密性特征，要求装配精度能够控制在10μm范围内。（2）对称均匀性特征。对于精密机电产品来说，均匀性装配旨在实现连接结构应力分布的对称与均匀，所以应具备以上特征。（3）连接多样性，该类产品一般会涉及到多种连接结构，比如配合面和异种材料连接，有时还会遇到微间隙连接方式。（4）多学科性特征，均匀性分配技术的应用一般会涉及到接触力学和材料学等方面内容，仿真分析时会用到计算图形学和数值计算方法，所以该技术的应用需要多个学科融合[2]。

3.精密机电产品均匀性装配的连接结构类型

将两个相互连接的零件表面、表面实体、中间间隙以及填充介质构成的结构看作是装配连接结构，按照表面间相对位置关系，合理的划分连接结构类型，大致分为以下3种情况：

（1）配合面连接结构，这是一种十分常见的结构形式，在装配环节内零件表面产生直接接触，表面材料特性会影响装配之后的微观变形，微观形貌会对结构应力分布情况长生印子昂。对配合面连接结构采取均匀性装配，依据材料本构关系优化装配工艺，实现连接结构在完成装配之后的应力均匀分布，提高装配精度，保证产品服役期间的性能稳定。

（2）异种材料填充连接结构，这样的结构形式指的是零件表面间填充其他材料，以此实现的配合连接，常用到的材料就是胶粘剂，材料本构关系和表面键合行为有可能影响装配之后的应力分布，所以该形式下的均匀性装配应考虑到材料特性与界面行为。通过对异种材料与零件表面键合行为的分析，寻找应力松弛规律，以此实现对装配工艺的优化，实现对固化时间与温度等参数的有效调整，通过以上措施保证应力能够均匀分布。

（3）微间隙连接结构，主要指结合面在电磁、电流作用之下，对微小间隙展开配合连接的方式。这样的连接结构中，间隙均匀分布情况将会对应力均匀程度产生影响。此时可确立多物理场耦合模型，从中寻找微间隙分布规律，实现间隙大小与分布状态的调整，以此达到应力均匀分布的目的[3]。

4.精密机电产品均匀性装配的关键技术

4.1 表面微观形貌表征

依据当前国际标准规定，形状误差就是被测要素对拟合要素的变动量，以最小包容区域宽度与直径进行表征，在仿真时将形状误差当做附加尺寸误差，从而满足常规机电产品装配需求，但不适合用在精密机电产品的均匀性装配中。航空精密机电产品的均匀装配应充分考虑到产品表面的微观形貌特征。零件接触表面在微观下会看到波峰波谷形状的形貌误差，此时均匀性装配技术的应用要点大致如下：

（1）微观形貌一般会由多尺度特征，可以按照尺度大小进行误差划分，划分成粗糙度与波纹度几种情况，选择不同尺度的误差表征完成均匀性装配。一般情况下，装配精度需求更高，所选择的尺度就会越小，比如三浮陀螺仪，在均匀性装配期间需要根据粗糙度的情况进行微观形貌表征分析。

（2）常见的分析方法主要有2种，一种是实验测量法，另一种是理论建模法。其中实验测量法主要应用形貌测量仪对表面的数据点加以提取，再基于差值理论确立三维形貌。但是该方法会受到仪器测量精度的限制，人们就选择了统计学领域参量近似模拟的替代方法，表面形貌应用分形维数与尺度系数，确立W-M分形函数，因此来表述围观轮廓。与此同时，再根据装配精度要求和材料特性，结合产品加工工艺确定误差表面表征方法的应用[4]。

4.2 装配应力应变求解

怎样对连接结构的应变进行求解分析，这是均匀性装配技术的应用关键，其结果将关系到应力分布的均匀情况。将形状误差看作是附加尺寸误差，采用有限元网格进行划分，从中求解应力与应变情况，综合表面微观存在的形貌误差，可采用以下求解方法：

首先，解析法求解。这是对微观形貌进行简化处理，对其中的参数进行假设分析，从中获得应力应变解析解，为了避免误差过大，可建立微凸体模型，使粗糙表面简化为球形微凸体表面，再使用HERZT接触理论完成微凸体弹性接触全过程的理论表征分析，求解回收应变应力数值大小的影响。将平面挤压过程中结合面的接触应力函数进行假设，承重寻找统计学参数和应力分布情况的关系。

其次，数值法求解，即直接对三维形貌接触求解，采用有限元模型分析方法，直接建立三维模型，从中得到应力应变信息，接触计算时刻引入穿透量相关概念，最后再对计算结果进行验证分析即可，以此保证分析结果的准确性。

4.3 装配工艺优化

在精密机电产品装配期间，均匀性装配是可以实现结构应力分布均匀的技术，以此为目标对装配顺序、工艺参数以及装配路径优化分析，突出装配环节的非线性特征，采用智能优化算法，在固定的时间内求解，以此达到预期装配精度要求。该算法适合用于解决复杂问题，比如使用局部搜索法，在局部优化策略下完成盘算算法。除此之外，还可以应用指导性搜索方法，在相应规则下使用遗传算法和免疫算法，优化装配环节，基于产品装配精度需求，合理设计算法，争取在最短的时间内得出最佳答案。精密机电产品的装配设计也被称为装配性设计，需要在考虑到装配约束条件下，确保零件结构装配的科学性与可操作性，同时满足装配性能的稳定性需求，比如采用接触界面材料刚度为前提条件的优化算法，提升压力分布均匀程度。

以某航空发动机低压涡轮静子叶片的装配作为案例，面对冲击力与装配应力问题，针对静子叶片应采取科学有效的装配方法，以此保证装配精度和装配效果。静子叶片在装配时，叶片角度的控制比较库岸南，需要与机匣凸缘装配关系相符合，解决叶片在安装控件方面的问题，防止冲击力影响设备使用。在装配工艺改进与优化方面，静子叶片的叶片角度可以采用连杆机构进行调整，让叶片处于水平的状态，同时可主动保持倾斜，为了防止安装时叶片和机匣凸缘影响安装效果，或者对叶片造成损伤，建议对每组叶片角度进行柔性化调节，在倾斜状态调整到水平状态时，适应机匣对叶片的限制。为了解决安装空间方面的问题，可以对静子叶片进行外部预组装处理，机匣外部叶片安装在半环定位盘中，再连接叶片，半环叶片安装有可用的侧面空间，上部位置不会被机匣干涉，无需对静子叶片进行敲击或者挤压，可通过合理有效的装配调节解决冲击力问题。

5.总结

一直以来我国机械加工与装配发展存在着不平衡的现象，随着精密机电产品加工和装配环节对精度和性能稳定性需求的提升，为了保证产品可以在恶劣的环境下稳定服役，有必要探寻一种有效的装配技术。通过对均匀性装配技术的研究，了解其中技术要点，以保证产品可靠性为基础探索装配工艺的优化路径，从而保证装配的精确性，尽可能地延长设备使用寿命。