由 博 王曉東

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

軸孔過盈聯(lián)接是零件間的主要聯(lián)接形式，通過軸孔過盈聯(lián)接，構(gòu)成復(fù)雜的產(chǎn)品以實現(xiàn)不同的功能。此時，產(chǎn)品的最終精度不僅和各零件的加工精度有關(guān)，還與零件間的聯(lián)接形式及裝配精度有關(guān)。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(lián)接的精密零件軸孔壓裝作業(yè)時，由于壓裝力較大不便于在壓裝過程中對軸或孔進(jìn)行位置調(diào)整，因此會對壓裝精度產(chǎn)生不利影響，且自動壓裝時的精度補償也很難實現(xiàn)。

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(shè)備中相關(guān)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(zhuǎn)板式射流伺服閥普遍用于國防、航空航天等領(lǐng)域，國家對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行保密，因此國內(nèi)能查到的有關(guān)射流盤組件壓裝精度的資料很少，只有涉及偏轉(zhuǎn)板式射流伺服閥相關(guān)零部件的加工工藝方面的文獻(xiàn)[1]。該文獻(xiàn)年代久遠(yuǎn)，所講的相關(guān)零件加工工藝與現(xiàn)今的加工工藝相比明顯落后，實際上現(xiàn)在所用電液伺服閥的加工工藝和精度都有了很大改進(jìn)。該文獻(xiàn)只提到了偏轉(zhuǎn)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(xì)分析射流盤組件壓裝精度影響因素及其影響規(guī)律。

還有一些文獻(xiàn)是研究偏轉(zhuǎn)板式射流伺服閥精度的，但大多數(shù)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(zhì)量研究[7～9]，很少涉及偏轉(zhuǎn)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(yè)化程度較高的國家在這方面已經(jīng)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(jī)與導(dǎo)彈所使用的電液伺服閥的設(shè)計與供應(yīng)，而經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在的MOOG電液伺服閥與其他品牌的同類產(chǎn)品相比，具有響應(yīng)速度快、控制精度高及使用壽命長等優(yōu)點，因此現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器等領(lǐng)域的電液伺服控制系統(tǒng)中[10]。

國外一般的高精度壓裝設(shè)備的控制精度可達(dá)到10 μm以內(nèi)，并且針對壓裝過程中各影因素的估計、壓裝設(shè)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(guī)律的研究方面也取得了一定的進(jìn)展。

綜上所述，國內(nèi)主要研究的是偏轉(zhuǎn)射流伺服閥整體性能和射流盤組件關(guān)鍵零件的加工質(zhì)量，而對于射流盤組件的壓裝作業(yè)，很少有文獻(xiàn)提及。針對上述研究現(xiàn)狀，對射流盤組件壓裝精度要求的影響因素進(jìn)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(shè)備相關(guān)零部件進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)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(jié)構(gòu)及其壓裝要求

射流盤組件是偏轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(yīng)滿足如下要求：射流盤一字槽側(cè)面(D2)與上殼體側(cè)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(jù)偏轉(zhuǎn)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(yīng)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(biāo)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(lián)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(zhì)量、工裝精度及壓裝設(shè)備定位誤差等因素的影響，使壓裝和導(dǎo)向誤差增大，從而導(dǎo)致壓裝平行度超差。由上述原因?qū)е碌膲貉b平行度誤差達(dá)到了0.02 mm。除此之外，伴隨著壓裝過程的進(jìn)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(zhì)量與理想狀態(tài)相比，存在一定差異，導(dǎo)致壓裝力-位移關(guān)系發(fā)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(fā)現(xiàn)，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(shè)備的定位誤差和壓裝力-位移關(guān)系。因此須消除壓裝設(shè)備的定位誤差，并對壓裝力-位移關(guān)系進(jìn)行補償，使壓裝設(shè)備滿足壓裝精度要求，從而順利完成射流盤組件壓裝作業(yè)。

2 壓裝設(shè)備標(biāo)定

2.1 視覺裝置標(biāo)定

已研制的壓裝設(shè)備如圖3所示，其中壓裝夾具(上部)負(fù)責(zé)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(jī)作用下沿導(dǎo)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(cè)面棱邊進(jìn)行圖像采集。

將上述圖像采集的結(jié)果轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，根據(jù)兩個圖像的相對位置關(guān)系，調(diào)整壓裝夾具(上部)，使上端蓋一字槽側(cè)面與上殼體側(cè)面平行。

由于視覺裝置是由上下兩臺CCD相機(jī)構(gòu)成，而兩臺相機(jī)在安裝過程中必定要產(chǎn)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(jìn)行標(biāo)定。具體標(biāo)定方法如下：在進(jìn)行上下相機(jī)角度誤差標(biāo)定時，以相機(jī)X軸導(dǎo)軌為基準(zhǔn)，分別測量上相機(jī)坐標(biāo)系X軸和下相機(jī)坐標(biāo)系X軸與相機(jī)X軸導(dǎo)軌的夾角，這樣就得到了上下相機(jī)X軸之間的角度誤差。

在測量上相機(jī)坐標(biāo)系X軸與相機(jī)X軸導(dǎo)軌之間的夾角時，將光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)尺安裝在壓裝夾具(上部)上，使相機(jī)沿X軸導(dǎo)軌前進(jìn)至位置1采集一張圖片，設(shè)此時相機(jī)坐標(biāo)系為XOY，取其中一點A；然后繼續(xù)前進(jìn)至位置2再采集一張圖片，設(shè)此時相機(jī)坐標(biāo)系為X′O′Y′，取其中一點B，點B是點A在坐標(biāo)系X′O′Y′的對應(yīng)點，由于上相機(jī)X軸與相機(jī)X軸導(dǎo)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(jī)坐標(biāo)系X軸與相機(jī)X軸導(dǎo)軌之間的夾角，從而得到上下相機(jī)X軸之間的夾角為0.722 9°，進(jìn)而通過程序控制在將兩個圖像轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系時，進(jìn)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(jìn)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(chǎn)生一定的變形。當(dāng)壓裝夾具(下部)發(fā)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(chǎn)生的變形進(jìn)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(jìn)行標(biāo)定，即壓力-位移補償。

標(biāo)定時應(yīng)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(shù)，當(dāng)讀數(shù)發(fā)生突變時，將光柵尺讀數(shù)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(shù)和光柵尺的讀數(shù)，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(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 壓裝夾具(下部)受力變形標(biāo)定數(shù)據(jù)

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

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，擬合出壓裝力與壓裝夾具(下部)受壓變形量之間的關(guān)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(jù)圖5進(jìn)行壓力值和變形量之間的關(guān)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(guān)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(biāo)定結(jié)果的正確性，利用已研制的壓裝設(shè)備對14套射流盤組件進(jìn)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(jié)果如表2所示。

表2 射流盤組件壓裝實驗結(jié)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(jié)語

針對射流盤組件的壓裝精度指標(biāo)要求，對已研制的精密自動化壓裝設(shè)備的視覺裝置和壓裝力-位移關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。通過對二者的標(biāo)定，使壓裝設(shè)備滿足了射流盤組件的壓裝精度指標(biāo)要求。對14套射流盤組件進(jìn)行了壓裝實驗，壓裝結(jié)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(shè)備能夠完成射流盤組件壓裝作業(yè)。