陳 劍，朱林波，張培源，張進華，洪 軍

（1.西安交通大學機械工程學院現(xiàn)代設計與轉子軸承系統(tǒng)教育部重點實驗室，西安710049；2.西安交通大學化學工程與技術學院，西安710049）

0 引言

對于微小精密機電系統(tǒng)的裝配而言，裝配精度與物理性能是一對孿生兄弟，其相互作用、相互影響、密不可分。長期以來，我國精密微小機構在設計裝配過程中，仍然高度依賴技術人員的經驗與感覺，裝配過程更像是 “盲人摸象”，無法實現(xiàn)螺紋副連接裝配載荷的量化控制與可靠保障。以我國某微型撓性擺式加速度計的恒力鎖緊機構為例，在設計階段，鎖緊目標載荷的確定往往不合理，未考慮系統(tǒng)非線性剛度特性的影響；在裝配階段，傳統(tǒng)人工扭矩法擰緊載荷離散度大，載荷一致性水平差，對工人技術要求高，裝配效率低；在服役階段，未考慮典型服役工況 （振動沖擊、循環(huán)溫載等）對連接載荷失效的影響。這就造成了我國高性能加速度計經常存在特級率低、人工裝配勞動強度大、對工人技能要求高、裝配效率低等問題，從而嚴重影響了高性能加速度計的零偏長期穩(wěn)定性。近年來，圍繞裝配結構優(yōu)化、裝配工藝精細化設計、裝配連接可靠性3個方面，國內外學者開展了廣泛的理論和試驗研究。

（1）考慮微觀表面形貌與結合面特性的結構優(yōu)化

機電系統(tǒng)中存在大量結合面，結合面接觸性能對整機系統(tǒng)特性有著重要影響，尤其是微小精密機電系統(tǒng)，例如撓性擺式加速度計。如果無法合理處理結合面問題，將會在系統(tǒng)的設計、制造與裝配環(huán)節(jié)面臨許多難題。近年來，各國學者在結合面特性參數(shù)分析與設計領域進行了不斷的探索與研究。

在裝配結合面特性參數(shù)建模方面，Buczkowski等［1］基于粗糙峰峰頂形狀為橢圓拋物體的假設，建立了光滑表面與各向異性粗糙表面接觸時結合面的彈性剛度-彈塑性剛度-塑性剛度模型。溫淑花等［2］、 趙韓等［3］基于粗糙表面接觸分形理論， 提出了結合面法向接觸剛度分形模型。莊艷等［4］基于彈塑性接觸理論推導出單對微凸體側接觸時接觸載荷與接觸變形的關系，以此得到了結合面的法向接觸剛度計算模型。張金鑫等［5］依據(jù)微小型構件的結構特點，提取了反映制造特性的表面形貌，基于Patir模型建立了含有波紋度和粗糙度特征參數(shù)的表面形貌數(shù)值模型。針對蝶形彈簧，鄭州大學的王曉波［6］以外面包有橡膠膜的特殊組合碟簧為對象，通過理論和實驗測試，分析了單片碟簧和疊合碟簧的動力學特性。在裝配結合面形狀設計方面，針對彈性體與剛體的單邊接觸問題，利用水平集與形狀迭代方法，對結合面形狀與拓撲結構同時進行優(yōu)化，提高了優(yōu)化效率。Beremlijski等［8］基于 Coulomb摩擦定律， 通過設計結合面形狀，實現(xiàn)了結合面接觸壓力分布的控制。王磊等［9］提出一種考慮動力學特性的結合面形狀拓撲設計方法，針對總體固有頻率，對結合面拓撲形狀進行主動設計，減少了結構剛度冗余，提高了整體的動態(tài)特性。南京航空航天大學的王薇［10］基于有限元軟件MSC.Patran／Nastran對 “TXZ” 微小衛(wèi)星進行結構優(yōu)化設計，對整星進行靜力分析、模態(tài)分析、正弦響應分析和隨機振動響應。賀向東等［11］利用Bayes統(tǒng)計理論和結構可靠性優(yōu)化設計方法研究了結構可靠性優(yōu)化設計問題。Holkup等［12］同時考慮了軸承滾珠、滾道的接觸變形線性疊加軸承外圈與軸承座的熱變形來計算軸承間隙。

可見，從微觀尺度入手，建立裝配結合面接觸特性參數(shù)模型，可有效地提高系統(tǒng) “設計階段”的整機性能預測能力。同時，也有學者試圖以結合面接觸壓力分布和系統(tǒng)剛度為設計目標，優(yōu)化裝配結合面的幾何形狀，從而使裝配性能實現(xiàn)精準控制。某型號撓性擺式加速度計的恒力鎖緊機構中有材料屬性差異較大的異種材料接觸對（不銹鋼-軟磁合金、不銹鋼-陶瓷／玻璃、單晶硅-陶瓷／玻璃）和多尺度變形（碟簧為毫米級變形、異種材料螺紋副為毫米級變形、擺組件上下凸臺和極板接觸面為納米級變形）的特征，形成了復雜的非線性剛度系統(tǒng)。因此，在深入研究鎖緊機構中關鍵零部件剛度特性和典型裝配結合面特性參數(shù)建模的基礎上，開展面向零剛度特性和理想接觸性能的鎖緊機構結構優(yōu)化，為加速度計裝配接觸性能的量化控制提供理論支撐。

（2）裝配連接工藝精細化設計技術

螺栓連接工藝是螺栓裝配連接質量的保障，其關鍵在于控制各螺栓的預緊力，從而確保螺栓連接質量。日本質量管理之父石川馨 （Karuo Ishikawa）采用因果圖分析了連接工藝中 4M （Man、Machine、Method和 Material，分別表示操作者、擰緊工具、工藝方法以及螺栓和螺母材料的性能）因素對螺栓連接質量的影響［13］。

在工程實際應用中，螺栓預緊力控制的離散度會受到被連接件、螺栓、墊片的材料、幾何尺寸、表面形貌、結合面潤滑方式、擰緊工具、預緊力控制方法、操作者與操作環(huán)境等許多不確定因素的影響［14］。預緊力控制的方法主要有：手感法、扭矩法、扭矩控制／轉角監(jiān)控、轉角控制扭矩監(jiān)控、屈服點控制法、采用應變儀或超聲儀的螺栓伸長量控制法與直接張力指示法，其中扭矩法的控制成本較低，可以比較簡單、直接地控制預緊力的大小。Bickford［15］分析了螺紋副、支承面的摩擦系數(shù)對預緊力的影響規(guī)律，并獲得了螺栓連接在普通潤滑條件下進行扭矩法擰緊所對應的能量轉換規(guī)律。Nassar等［16-19］通過試驗分析了表面粗糙度、潤滑方式、擰緊速度和重復擰緊等因素對支承面、螺紋副摩擦系數(shù)的影響規(guī)律，并分析了由此導致扭矩系數(shù)的變化與螺栓預緊力的離散性。Nassar等［20］通過對3種不同等級粗糙度表面進行螺栓擰緊實驗，分析了不同表面對扭矩-預緊力關系的影響，并通過表面形貌觀測儀器分別測量擰緊前后的表面形貌，定性的分析了粗糙表面對扭矩-預緊力關系的影響機理。Oliver等［21］研究了不同擰緊速度對潤滑及未潤滑螺栓扭矩-預緊力關系的影響，得到隨著擰緊速度的增加，相同的擰緊扭矩會得到更大的預緊力，且擰緊速度對潤滑后的螺栓扭矩-預緊力關系影響更大。陳成軍等［22］構建了發(fā)動機缸體缸蓋彈性相互作用有限元模型，研究了螺栓預緊順序、預緊力與結合面連接性能間的關系，根據(jù)對密封性能的要求反求裝配連接工藝。朱林波等［23-24］基于真實接觸壓力分布構建了裝配預緊力預測模型，分析了裝配載荷形成過程，并通過試驗方法研究了初始預緊力、連接批次等對裝配殘余載荷的影響，給出了保障裝配載荷的指導性建議。Cheraghi［25］用數(shù)值模擬的手段分析了鉚接過程工藝參數(shù)對鉚接質量的影響規(guī)律，用以指導鉚接工藝設計。Lee等［26］分析了金屬軸與復合材料孔過盈配合的過盈量、配合長度、連接表面摩擦系數(shù)等對過盈配合中應力分布、傳遞扭矩的大小及傳遞可靠性的影響。大連理工大學的王曉東等［27-29］研制了一套基于機器視覺和激光位移傳感器的微小零件精密裝配系統(tǒng)，解決了微小組件的跨尺度尺寸結構裝配、易損、過盈連接問題，實現(xiàn)了目標零件在XY平面內精確定位和Z軸方向上的接觸狀態(tài)檢測和控制。

可見，裝配工藝對裝配連接性能有著極其重要的影響，恰當?shù)难b配工藝可有效減小裝配件的內應力和變形，從而提高裝配性能的精準性和保持性。擺式加速度計中的微小恒力鎖緊機構將多材料屬性（單晶硅、陶瓷、玻璃）和跨尺度 （擺組件具有微觀尺度特征和介觀尺度外形）特征的零部件通過異種材料螺紋副（不銹鋼的緊固螺母、軟磁合金的中心螺栓）裝配到一起，構成了復雜的非線性耦合鎖緊系統(tǒng)。因此，進一步從裝配和服役兩個階段，深入分析鎖緊機構裝配連接工藝對整機連接性能的影響規(guī)律，研究面向整機性能的裝配工藝參數(shù)反演設計方法，進而為實現(xiàn)微小撓性加速度計裝配工藝的精準化設計提供基礎理論。

（3）裝配連接可靠性分析技術

螺紋副作為機電系統(tǒng)中廣泛且重要的連接方式，其可靠性對系統(tǒng)的裝配性能和服役有著重要影響。恒力鎖緊機構中唯一螺紋副連接的可靠性對撓性加速計零偏穩(wěn)定性起著決定性的作用。合理的螺紋副連接結構和連接裝配工藝可以保證螺紋連接可靠性，利于螺紋緊固件的抗松動性能和抗疲勞性能的充分發(fā)揮。

國防科技大學的李至廣［30］針對典型鈦合金螺紋連接結構的預緊力、應力和可靠性3個方面，對預緊力和擰緊力矩關系進行了研究。武漢理工大學的皮之送［31］從保證螺紋聯(lián)接可靠性的角度出發(fā)，通過理論和試驗相結合的方法，研究了預緊力的控制方法和影響扭矩系數(shù)的關鍵因素，運用統(tǒng)計過程控制的方法對螺紋聯(lián)接的擰緊過程進行了分析。西安交通大學的朱林波［32］圍繞螺紋裝配連接載荷的傳遞、形成與衰退過程，系統(tǒng)研究了單點和點群螺紋裝配連接載荷預測、載荷離散度、載荷松弛等問題，提出了裝配工藝參數(shù)優(yōu)化策略。

綜合上述研究工作來看，國外已從單螺栓裝配和螺栓組裝配兩個環(huán)節(jié)深入研究了裝配預緊力的形成過程，且已有了長足的進展。然而，國內對于微小、異種材料屬性和跨尺度（微觀尺度特征和介觀尺度外形）特征的零部件裝配，沒有以裝配結合面特性為驅動，進行裝配結構優(yōu)化，實現(xiàn)螺栓連接載荷 “順暢、均勻”傳遞，進而量化控制裝配連接工藝，實現(xiàn)微小精密裝配系統(tǒng)機電性能的穩(wěn)定性和可靠性。

1 微小恒力鎖緊機構

1.1 微型撓性加速度計的工作原理

加速度計是用來測量由加速度、振動和脈沖載荷產生的機械振動信號的傳感器件。某型號微小型撓性加速度計由殼體、擺組件、固定極板、信號處理電路等組成，擺片、配重、力矩線圈等零部件裝配形成擺組件。撓性加速度計的工作原理如圖1所示，當敏感軸方向有加速度輸入時，在慣性力作用下的配重帶動擺組件偏離平衡位置（裝配完標定后稱為加速度計的零點位置），導致差分電容傳感器的兩個極板間隙發(fā)生變化，差分電容傳感器電路輸出與擺偏角 （輸入加速度）對應的電信號，用于指示輸入加速度大?。凰欧糯笃鲗㈦娦盘栟D換成電流信號，在激磁電源下促使力矩器線圈帶動擺組件重新回到平衡位置。

圖1 撓性擺式電容加速度計原理圖Fig.1 Schematic diagram of FHPA

1.2 鎖緊機構的結構特點與其存在問題

微小恒力鎖緊機構是撓性擺式電容加速度計的核心部件，其鎖緊載荷可靠性直接影響擺式加速度計的零偏長期穩(wěn)定性。微小恒力鎖緊機構主要由壓緊結構 （螺母、蝶形彈簧和開口錐套）、被連接件（引線極板、擺組件和電容極板）和中心螺栓組成，如圖2所示。通過施加連接載荷將加速度計中具有一定物理參數(shù)轉換特性的零組件（擺組件、電容極板等）組裝到一起，并保證擺組件的裝配位置和力學狀態(tài)，以此形成加速度計初始零偏基準。研究表明，只要加速度計零偏基準保持穩(wěn)定，便可通過補償?shù)姆绞綄⑵湎?。因此，零偏長期穩(wěn)定性是加速度計精度的重要指標。而從裝配的角度來看，鎖緊機構連接載荷直接決定了加速度計擺組件的安裝狀態(tài)和零偏基準，在裝配與服役階段連接載荷的變動將會引發(fā)擺組件裝配位置的變化，從而導致加速度計初始零偏基準隨之變化。由此可見，鎖緊機構連接載荷的可靠性將直接影響加速度計的零偏長期穩(wěn)定性。

圖2 某微型撓性擺式加速度計的恒力鎖緊機構裝配簡圖Fig.2 Schematic diagram of constant force locking mechanism in a miniature FHPA

針對該加速度計鎖緊機構的結構特點，結合目前國內外裝配連接技術研究現(xiàn)狀，究其原因，微小恒力鎖緊機構具有顯著的異材、異構和跨尺度變形等復雜特性，這使得在設計、裝配和服役階段鎖緊機構連接載荷可靠性的有效保障變得尤為困難。由于結構、功能、制造和裝配工藝等特殊需求，微小恒力鎖緊機構具有復雜的結構與裝配特性，具體表現(xiàn)在：

1）不銹鋼緊固螺母、鈹青銅碟簧、陶瓷／玻璃引線極板、單晶硅擺組件、陶瓷／玻璃電容極板和軟磁合金中心螺栓等形成多材料裝配連接特性；

2）撓性擺組件 （微觀尺度特征和介觀尺度外形）、開口錐套、蝶形彈簧、鎖緊螺母等構成異型異構結構裝配特征；

3）碟簧毫米級變形、異種材料螺紋副毫米級變形、擺組件凸臺和極板接觸面納米級變形等組成跨尺度變形特性。

正是上述異材、異構和跨尺度變形特性的相互耦合影響，該機構在鎖緊載荷作用下表現(xiàn)出極強的非線性形變特征，這就使得在設計過程中關鍵尺寸參數(shù)和目標載荷水平常常難以確定。在裝配過程中，輸入扭矩與鎖緊載荷之間關系也變得異常復雜，傳統(tǒng)裝配工藝無法保障鎖緊載荷的精準控制；在服役過程中，振動松弛、材料蠕變松弛問題也因此變得尤為顯著，直接影響鎖緊載荷的可靠性與保持性。由此可見，微小恒力鎖緊機構裝配連接載荷可靠性面臨3大關鍵難題：1）如何準確評估微小恒力鎖緊機構系統(tǒng)剛度的非線性變化特征，進而實現(xiàn)關鍵結構參數(shù)優(yōu)化及最佳鎖緊載荷確定。2）如何精準設計鎖緊機構裝配工藝參數(shù)，提升鎖緊載荷預測與控制精度，防止裝配過載或連接力不足的問題。3）如何預測和評估微小恒力鎖緊機構連接載荷后續(xù)在諸如振動、溫度等服役環(huán)境下的失效問題，提高鎖緊載荷保持性。

1.3 解決方案

針對上述問題與挑戰(zhàn)，以某微型撓性擺式加速度計的恒力鎖緊機構為對象，從設計-裝配-服役3個階段入手，探索載荷作用下微小恒力鎖緊機構系統(tǒng)剛度 “由內向外”非線性形成機理。提出鎖緊機構結構參數(shù)正向設計方法，獲得鎖緊機構最優(yōu)預緊載荷范圍；研究鎖緊機構裝配連接工藝設計方法，設計微小恒力鎖緊機構螺紋副連接裝配工藝；考慮加速度計的典型服役工況 （振動、溫度），揭示鎖緊機構裝配連接載荷的演變機理，并修正該裝配工藝，形成可精確控制微小恒力鎖緊機構連接載荷的成套裝配工藝規(guī)范，實現(xiàn)恒力鎖緊機構裝配過程中和服役過程中鎖緊載荷 “由外向內”精準形成和穩(wěn)定保持。項目研究成果將為微小型擺式加速度計結構設計與裝配工藝優(yōu)化提供理論基礎，對新型微小型擺式加速度計的設計與制造提供重要指導意義，也可為微小精密機械系統(tǒng)裝配可靠性和穩(wěn)定性的研究拓寬領域，具有重要的理論與實用價值。

2 “由內向外”鎖緊載荷設計

如圖3所示，引線極板、擺組件和電容極板組成了具有不同材料屬性的 “三明治”式結構的被固定組件，這給鎖緊機構的優(yōu)化和剛度預測帶來了挑戰(zhàn)。微小恒力鎖緊機構是某微型撓性擺式加速度計的核心結構，其裝配連接載荷的可靠性直接決定了加速度計的零偏穩(wěn)定性。過大的連接載荷會壓碎被連接件 （陶瓷／玻璃材質的極板、單晶硅擺組件），過小的連接載荷不能保證擺組件的裝配位置和力學狀態(tài)，因此以典型結合面（不銹鋼-陶瓷／玻璃、單晶硅-陶瓷／玻璃）為對象，分析接觸剛度，“由內向外”設計鎖緊載荷范圍，并進行裝配結構參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)螺栓連接載荷 “順暢、均勻”傳遞。

圖3 典型結合面接觸示意圖Fig.3 Diagram of a contact in the typical joint surface

2.1 最優(yōu)預緊載荷設計

撓性擺式加速度計通過電容傳感器檢測位置信息，由電容極板和擺組件形成了微米級別的電容間隙，擺組件在兩極板間的位置精度直接影響了電容傳感器檢測準確性。任何工程表面在任意尺度下都是粗糙的，引線極板、擺組件和電容極板的表面也不例外，兩個粗糙表面相互接觸，在鎖緊機構緊固螺栓的預緊力作用下發(fā)生彈塑性變形，形成了典型結合面的接觸剛度。微米級別的電容極板間隙受極板接觸剛度的影響較大，深入研究螺栓預緊力對結合面接觸剛度的影響規(guī)律，尋找典型結合面接觸剛度近似穩(wěn)定的螺栓預緊力范圍。

以極板間裝配結合面為研究對象，測量不同接觸表面，采用以分水嶺分割為基礎的表面處理算法對接觸表面形貌數(shù)據(jù)進行處理，獲取以粗糙峰特征參數(shù)為表面信息的三維微觀形貌。其次，基于微凸體之間的彈塑性接觸理論，考慮 “三明治”式結構中不同材料屬性和幾何尺寸不同的特點，推導出單對微凸體接觸力學解析模型。然后，基于表面形貌粗糙峰特征參數(shù)信息及單對微凸體側接觸力學模型，建立典型結合面接觸面單位面積法向接觸剛度計算模型，分析螺栓載荷對結合面法向接觸剛度的影響規(guī)律，得到鎖緊結構中螺栓最優(yōu)預緊力范圍。最后，開展結合面法向接觸剛度測量實驗，并與解析模型的計算結果進行比較分析，驗證該理論模型的準確性。

2.2 鎖緊機構結構優(yōu)化

加速度計中的恒力鎖緊機構的鎖緊結構合理性很大程度上決定了螺紋副連接載荷的 “順暢、均勻”傳遞，以及目標鎖緊載荷的精準形成，同時該機構的鎖緊結構合理性也決定了具有一定物理參數(shù)轉換特性零組件間的相對位置精度，最終決定了撓性擺式加速度計的零偏穩(wěn)定性。

當加速度承受較大的交變負載時，恒力鎖緊機構中的單片碟簧有可能無法提供足夠的恢復力使鎖緊機構始終處于恒力狀態(tài)，采用多片碟簧串聯(lián)或并聯(lián)的方式可以避免大載荷沖擊。如圖4所示，采用雙碟簧串聯(lián)的方式可以獲得不同的剛度特性，提高鎖緊機構的承載能力。在研究單碟簧剛度特性的基礎上，改變雙碟簧的組合形式，研究不同雙碟簧組合形式的剛度特性。

圖4 雙碟簧的不同組合形式Fig.4 Different combinations of double disc springs

3 “由外向內”鎖緊載荷保障

某微型撓性擺式加速度計的微小恒力鎖緊機構具有多材料、異型異構、跨尺度變形的復雜結構與裝配特性，這給該機構鎖緊載荷在裝配過程中精準形成和服役過程中穩(wěn)定保持帶來了挑戰(zhàn)。因此，針對微小恒力鎖緊機構在螺紋副連接裝配過程中鎖緊載荷精準控制，探索新型螺紋連接工藝（扭矩轉角法）在微小恒力鎖緊機構中應用的適用性，根據(jù)設計的目標鎖緊載荷范圍，形成可精確控制鎖緊載荷的成套裝配工藝規(guī)范，實現(xiàn)恒力鎖緊機構裝配過程中鎖緊載荷 “由外向內”精準形成。針對微小恒力鎖緊機構在服役過程中的裝配連接失效這一關鍵問題，通過分析多交變載荷下裝配連接界面滑移狀態(tài)變化過程，揭示恒力鎖緊機構自松弛現(xiàn)象發(fā)生的力學本質，同時分析各影響因素對鎖緊載荷松弛的影響規(guī)律，實現(xiàn)面向服役性能的螺紋副連接裝配工藝修正，進一步提升某微型撓性擺式加速度計中微小恒力鎖緊機構“由外向內”鎖緊載荷控制精度和穩(wěn)定性保持。

3.1 鎖緊載荷精準控制

扭矩轉角法的核心工藝參數(shù)包含貼合扭矩和相對轉角，其中貼合扭矩直接關系最終裝配連接載荷離散度水平，而相對轉角決定最終裝配連接載荷大小。為課題分析其他對象時螺紋副連接擰緊過程中，扭矩-載荷的非線性變化曲線如圖5所示，可以看到在貼合點形成后，轉角和螺栓預緊力之間存在線性關系。以此為基礎，初步確定非線性與線性臨界位置，并獲得貼合扭矩大小，分析貼合扭矩誤差對最終裝配連接載荷控制精度的影響規(guī)律，從而給出不同擰緊速度、潤滑狀態(tài)下微小恒力鎖緊機構貼合扭矩的確定工藝方法。

另一方面，結合 “由內向外”鎖緊載荷設計時獲得的鎖緊機構各零部件剛度及關鍵結合面接觸剛度，利用彈性力學理論建立裝配過程中鎖緊機構的變形協(xié)調方程。以此為基礎，構建貼合點后預緊力、扭矩、角位移之間的關聯(lián)模型，進而給出滿足目標載荷的相對轉角計算方法。

通過上述扭矩轉角法裝配工藝確定方法的研究，分析不同連接工藝參數(shù) （貼合扭矩、相對轉角、擰緊速度、擰緊批次等）對鎖緊機構連接載荷的影響規(guī)律。最終，根據(jù) “由內向外”設計的目標鎖緊載荷范圍，結合扭矩轉角策略在裝配載荷精度與工程適用性方面特點，形成可精確控制微小恒力鎖緊機構連接載荷的成套裝配工藝規(guī)范。

3.2 鎖緊載荷穩(wěn)定性分析

針對微小恒力鎖緊機構在服役過程中的螺紋副連接裝配失效這一關鍵問題，致使該鎖緊機構連接載荷不穩(wěn)定、可靠性差等問題，研究典型服役工況（振動、溫度）下誘發(fā)鎖緊機構螺紋連接載荷松弛機理。

通過分析多交變載荷下裝配連接界面滑移狀態(tài)變化過程，揭示恒力鎖緊機構振動自松弛現(xiàn)象發(fā)生的力學本質，分析關鍵連接結構 （螺紋節(jié)距、防松結構等）和裝配工藝參數(shù) （扭矩、擰緊速度、潤滑狀態(tài)）對恒力鎖緊機構鎖緊載荷松弛的影響規(guī)律；揭示溫度載荷下微小恒力鎖緊機構熱變形及熱應力分布規(guī)律，分析由材料蠕變誘發(fā)的螺紋連接裝配鎖緊載荷松弛現(xiàn)象。以此為基礎，以鎖緊載荷恒力穩(wěn)定性為目標，完成面向典型服役工況的微小恒力鎖緊機構螺紋副連接裝配工藝修正，進一步 “由外向內”保障螺紋副連接在服役過程中鎖緊載荷的穩(wěn)定性，以此提高某微型撓性擺式加速度計中恒力鎖緊機構鎖緊載荷的穩(wěn)定性。

4 結論

機電系統(tǒng)中精密微小機構在螺紋副連接裝配過程中，仍然高度依賴技術人員的經驗與感覺，裝配過程更像是 “盲人摸象”，無法實現(xiàn)裝配連接載荷的量化控制與可靠保障。針對該普遍存在的問題，以某微型撓性擺式加速度計的恒力鎖緊機構為例，結合該機構的多材料、異型異構、跨尺度變形的復雜結構與裝配特性，提出了 “由內向外”鎖緊載荷設計和 “由外向內”鎖緊載荷保障的思路，最終解決某微型撓性擺式加速度計的零偏穩(wěn)定性。

1）從裝配結構優(yōu)化、裝配工藝精細化設計、裝配連接可靠性3個方面回顧了國內外研究現(xiàn)狀，并論述了從這3個方面解決某微型撓性擺式加速度計的恒力鎖緊機構載荷精準形成和保持的可行性。

2）針對被連接組件具有不同材料屬性的 “三明治”式結構，提出通過 “由內向外”分析典型結合面接觸剛度，設計鎖緊載荷范圍，并進行裝配結構參數(shù)優(yōu)化的方法，據(jù)此可實現(xiàn)微小恒力鎖緊機構中螺栓連接載荷的 “順暢、均勻”傳遞。

3）針對恒力鎖緊機構具有復雜幾何與裝配特性，提出了裝配連接載荷精準控制與有效保持的方法與措施。采用扭矩轉角法對該機構中螺紋副連接進行裝配，根據(jù)目標鎖緊載荷范圍，設計微小恒力鎖緊機構螺紋副連接裝配工藝；考慮加速度計的典型服役工況，修正該裝配工藝，形成可精確控制鎖緊載荷的成套裝配工藝規(guī)范。據(jù)此實現(xiàn)微小恒力鎖緊機構中鎖緊載荷在裝配過程中“由外向內”精準形成和服役過程中 “由外向內”穩(wěn)定保持。

［1］Buczkowski R， Kleiber M.Statistical models of rough surfaces for finite element 3D-contact analysis［J］.Archives of Computational Methods in Engineering， 2009， 16 （4）：399-424.

［2］溫淑花，張學良，武美先，等.結合面法向接觸剛度分形模型建立與仿真［J］.農業(yè)機械學報，2009，40（11）： 197-202.WEN Shu-hua， ZHANG Xue-liang， WU Mei-xian， et al.Fractal model and simulation of normal contact stiffness of joint interfaces and its simulation［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2009， 40（11）： 197-202.

［3］趙韓，陳奇，黃康.兩圓柱體結合面的法向接觸剛度分形模型［J］. 機械工程學報， 2011， 47 （7）： 53-58.ZHAO Han， CHEN Qi， HUANG Kang.Fractal model of normal contact stiffness between two cylinders'joint interfaces［J］.Journal of Mechanical Engineering， 2011， 47（7）： 53-58.

［4］莊艷，李寶童，洪軍，等.一種結合面法向接觸剛度計算模型的構建［J］.上海交通大學學報，2013，47（2）： 180-186.ZHUANG Yan， LI Bao-tong， HONG Jun， et al.A normal contact stiffness model of the interface［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University， 2013， 47 （2）： 180-186.

［5］金鑫，張之敬.基于制造特性的微小型構件表面形貌數(shù)值模型［J］.北京理工大學學報， 2005，25 （3）：189-193.JIN Xin，ZHANG Zhi-jing.Manufacturing characteristics based numerical surface model of microminiatute com-ponent［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2005， 25 （3）： 189-193.

［6］王曉波 .碟形彈簧的力學性能研究［D］.鄭州大學，2007.WANG Xiao-bo.Study on mechanical properties of disc spring［D］.Zhengzhou University， 2007.

［7］A.Level set method for optimization of contact problems［J］.Engineering Analysis with Boundary Elements， 2008， 32 （11）： 986-994.

［8］Beremlijski P， Haslinger J， Outrata JV， et al.Shape optimization in contact problems with coulomb friction and a solution-dependent friction coefficient［J］.SIAM Journal on Control and Optimization， 2014， 52 （5）： 3371-3400.

［9］王磊，劉海濤，金濤，等.一種機床固定結合面形狀的拓撲設計方法［J］.振動工程學報，2014，27（4）：481-487.WANG Lei， LIU Hai-tao， JIN Tao， et al.A design method of fixed joint contact area topology-based equivalent model for machine tools［J］.Journal of Vibration Engineering， 2014， 27 （4）： 481-487.

［10］王薇.“TXZ”微小衛(wèi)星結構優(yōu)化設計與分析［D］.南京航空航天大學，2008.WANG Wei.Structure optimization and analysis of“TXZ”microsatellite［D］.Nanjing University of Aeronautics ＆ Astronautics，2008.

［11］賀向東，劉書田，張義民.考慮可靠度可信區(qū)間的結構可靠性優(yōu)化設計［J］. 工程設計學報，2014，21（1）：14-17.HE Xiang-dong， LIU Shu-tian， ZHANG Yi-min.Structural reliability-based optimization design with confidence level［J］.Journal of Engineering Design， 2014， 21 （1）：14-17.

［12］Holkup T， Cao H， KolárˇP， et al.Thermo-mechanical model of spindles［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology， 2010， 59 （1）： 365-368.

［13］Defeo J A， Juran J M.Juran's quality handbook： the complete guide to performance excellence ［M］.McGraw-Hill，2011.

［14］Ibrahim R A， Pettit C L.Uncertainties and dynamic problems of bolted joints and other fasteners［J］.Journal of Sound ＆ Vibration， 2005， 279 （3-5）： 857-936.

［15］Bickford J H.Introduction to the design and behavior of bolted joints： non-gasketed joint［M］.CRC Press， 2008.

［16］Nassar S A， Virupaksha V L， Ganeshmurthy S.Effect of bolt tightness on the behavior of composite joints［J］.Journal of Pressure Vessel Technology， 2007， 129 （1）：43-51.

［17］Nassar S A， Wu Z， Yang X.A new tightening metho-dology for gasketed joints based on nonlinear finite element analysis［C］.ASME Pressure Vessels and Piping Conference，2008.

［18］Nassar S A， Yang X.Torque-angle formulation of threaded fastener tightening［J］.Journal of Mechanical Design，2008， 130 （2）： 1073-1080.

［19］Nassar S A， Yang X.Novel formulation of bolt elastic interaction in gasketed joints［J］.Journal of Pressure Vessel Technology， 2009， 131 （5）： 051204.

［20］Nassar S A， Sun T S.Surface roughness effect on the torque-tension relationship in threaded fasteners［C］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， 2007，221 （2）： 95-103.

［21］Oliver M P， Jain V K.Effect of tightening speed on thread and under-head coefficient of friction［J］.Journal of ASTM International， 2005， 3 （3）： 8.

［22］陳成軍，楊國慶，常東方，等.面向結合面密封性能要求的裝配連接工藝設計［J］.西安交通大學學報，2012， 46 （3）： 75-83.CHEN Cheng-jun， YANG Guo-qing， CHANG Dong-fang，et al.Assembly connection design orienting to sealing performance of joint surface［J］.Journal of Xi'an Jiaotong U-niversity， 2012， 46 （3）： 75-83.

［23］Zhu L B， Hong J， Jiang X J.On controlling preload and estimating anti-loosening performance in threaded fasteners based on accurate contact modeling［J］.Tribology International， 2016， 95： 181-191.

［24］Zhu L B， Hong J， Yang G Q， et al.Experimental study on initial loss of tension in bolted joints［C］.ARCHIVE Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2015， 230 （10）： 35-54.

［25］Cheraghi S H.Effect of variations in the riveting process on the quality of riveted joints［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2008， 39 （11-12）：1144-1155.

［26］Lee S W， Dai G L.Torque transmission capability of composite-metal interference fit joints［J］.Composite Str-uctures， 2007， 78 （4）： 584-595.

［27］劉立平，王曉東，陳勇，等.微小易損零件的精密裝配及接觸控制［J］. 儀表技術與傳感器，2013 （1）：47-49.LIU Li-ping， WANG Xiao-dong， CHEN Yong， et al.Precision assembly and contact control of vulnerable miniature parts［J］.Instrument Technique and Sensor， 2013（1）： 47-49.

［28］婁志峰，王曉東，由博，等.精密微小組件壓裝技術及儀器［J］. 光學精密工程， 2015， 23 （6）： 1605-1611.LOU Zhi-feng， WANG Xiao-dong， YOU Bo， et al.Pressing-fitting technology and instrument for precision small parts［J］.Optics and Precision Engineering， 2015，23 （6）： 1605-1611.

［29］阮冶，任同群，王曉東，等.跨尺度微小零件自動精密裝配系統(tǒng)［J］. 光學精密工程， 2015，23 （10z）：259-265.RUAN Ye， REN Tong-qun， WANG Xiao-dong， et al.Automatic precision assembly system for trans-scale miniature parts［J］.Optics and Precision Engineering， 2015， 23（10z）： 259-265.

［30］李至廣.鈦合金螺紋連接結構預緊力、應力、可靠性分析［D］.國防科學技術大學，2004.LI Zhi-guang.Prestress，stress and reliability analysis of Titanium alloy threaded connection structure［D］.National University of Defense Technology，2004.

［31］皮之送.螺紋聯(lián)接可靠性設計及其擰緊工藝研究［D］.武漢理工大學，2012.PI Zhi-song.Reliability design of thread connection and its tightening process research［D］.Wuhan University of Technology，2012.

［32］朱林波.復雜機電系統(tǒng)螺紋裝配連接可靠性基礎研究［D］：西安交通大學，2016.ZHU Lin-bo.Fundamental research on reliability of threaded fasteners in complex electromechanical systems［D］.Xi'an Jiaotong University，2016.