熱裝配失效計算分析

李宏偉，國旭華，畢泗元，劉心藜，祝國榮

(1.北京北方車輛集團有限公司 工藝技術(shù)中心，北京 100072；2.北京市特種車輛部件先進制造與評估工程技術(shù)研究中心，北京 100072)

?

熱裝配失效計算分析

李宏偉1,2，國旭華1,2，畢泗元1,2，劉心藜1,2，祝國榮1,2

(1.北京北方車輛集團有限公司 工藝技術(shù)中心，北京 100072；2.北京市特種車輛部件先進制造與評估工程技術(shù)研究中心，北京 100072)

摘要：熱裝配是過盈聯(lián)接常用的一種方法，熱裝后，包容件與被包容件均會產(chǎn)生變形，這種變形既包含熱變形也包含擠壓變形。過盈量越大，擠壓變形越大，并逐漸成為變形主要因素。擠壓變形不僅影響包容件與被包容件接合區(qū)，在接合區(qū)、非接合區(qū)及過渡區(qū)域，表面變形并產(chǎn)生連續(xù)變化，常常造成不均勻變形，不規(guī)則尺寸，尤其對于形狀呈非對稱性的零件。當接合區(qū)或過渡區(qū)存在配合表面時，變形將導致裝配失效。應(yīng)用三維實體建模Pro/E技術(shù)，能夠較好的計算分析變形，及早發(fā)現(xiàn)影響配合的變形位置及變形量，指導設(shè)計避免熱裝配變形失效。Pro/E計算可以成為熱裝配設(shè)計的一種有效方法。

關(guān)鍵詞：擠壓變形；裝配；計算；有限元

用于特種車輛的傳動組件，相配件包括聯(lián)接肘、內(nèi)花鍵軸及外花鍵軸等3件，聯(lián)接關(guān)系如圖1所示，結(jié)構(gòu)中內(nèi)花鍵軸與聯(lián)接肘過盈組成傳動組件，內(nèi)表面花鍵再與外花鍵軸配合并傳遞扭矩，裝配工藝是加熱聯(lián)接肘→熱裝內(nèi)花鍵軸→自然冷卻→與外花鍵軸組合→……。然而，在新產(chǎn)品研制中，應(yīng)用此工藝，花鍵組合失敗，即外花鍵無法插入內(nèi)花鍵孔。將配合面齒槽加大，仍無法解決問題。經(jīng)檢查，內(nèi)花鍵表面尺寸不規(guī)則改變，傳動組件變形失效。

圖1　裝配結(jié)構(gòu)簡圖

1檢測與分析

抽取傳動軸組件5組，檢驗花鍵孔尺寸，結(jié)果是花鍵孔通規(guī)局部不能通過，不通過尺寸出現(xiàn)在L區(qū)域內(nèi)(見圖2)，L值見表1。檢測花鍵孔內(nèi)徑d0，尺寸不均勻減小，偏差見表2。

圖2　傳動組件結(jié)構(gòu)簡圖

長度1組2組3組4組5組L/mm1525152020

表2　花鍵孔小徑測量偏差值

熱裝后花鍵孔變形，尺寸變化呈復雜性，即X向、Z向變化不同，同時沿Y向分布也不同。熱加工、擠壓均會導致裝配尺寸變化，采用降低溫度的方法，裝配難度增加，但裝配結(jié)果幾乎不變，外花鍵依然無法插入，說明擠壓變形產(chǎn)生主要作用。

2擠壓變形計算

2.1擠壓變形公式

相配零件壓裝后，相互施加作用力(見圖2)，包容件外徑將增大，而被包容件內(nèi)徑受擠壓會減小，變形數(shù)值可由公式求得[1]。

圖3　壓配件相互作用圖

內(nèi)徑d0變化值為：

(1)

配合表面壓應(yīng)力為：

(2)

系數(shù)為：

(3)

(4)

式中，d為配合公稱直徑；d0為被包容件內(nèi)孔直徑；E1為被包容件彈性模量系數(shù)，單位為Pa；E2為包容件彈性模量系數(shù)，單位為Pa；μ1為被包容件波桑系數(shù)；μ2為包容件波桑系數(shù)；δ為計算過盈量。

2.2有限元模型的建立

應(yīng)用三維實體建模軟件Pro/E，建立聯(lián)接肘與內(nèi)花鍵軸裝配模型(見圖4)，然后將模型導入有限元分析軟件ANSYS12.1中。

1)材料特性的定義。相配件均為合金鋼，其彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.28。

2)結(jié)合面結(jié)合特性。根據(jù)ANSYS有限元分析結(jié)合面內(nèi)在結(jié)合原理，將兩結(jié)合面結(jié)合特性設(shè)置為frictional，摩擦因數(shù)κ=0.2，過盈量用參數(shù)offset體現(xiàn)。

3)網(wǎng)格的劃分。由于花鍵數(shù)量較多，導致有限元分析網(wǎng)格劃分過于密集，計算不易收斂；本計算對花鍵以節(jié)圓尺寸進行圓整，使得網(wǎng)格劃分變得平整，網(wǎng)格數(shù)從23 508減值4 550，計算呈現(xiàn)了更好的收斂性，并節(jié)省了分析時間。

圖4　傳動組件裝配模型

2.3有限元求解

圖5　組件變形云圖

使用ANSYS12.1求解器求解之后，作出組件變形云圖，如圖5所示。變形云圖顯示，內(nèi)花鍵變形不均勻，X軸方向變形，最大點和最小點出現(xiàn)區(qū)域如圖5a所示，當過盈量為0.32 mm時，變形最大點為131.33 μm，最小點為5.526 1 μm，兩者相差125.8 μm；Z軸方向變形，最大點和最小點出現(xiàn)區(qū)域如圖5b所示，當過盈量為0.30 mm時，最大點為57.161 μm，最小點為41.147 μm，兩者數(shù)值接近，X軸方向比Z軸方向具有更多變形。在花鍵軸軸向，云圖變形顯示變形不僅存在于包容區(qū)，在過渡區(qū)與包容區(qū)變形依然存在，但逐漸減小。

2.4內(nèi)徑及尺寸精度變化

過盈量δ逐漸增加，被包容件內(nèi)徑逐漸減少，輸入不同過盈量δ內(nèi)徑變化值及精度等級見表3。過盈量與內(nèi)徑變化ΔR關(guān)系圖如圖6所示。

表3　過盈量與內(nèi)徑變化ΔR關(guān)系

圖6　過盈量與內(nèi)徑變化ΔR關(guān)系圖

3有限元計算與實驗檢測對比

檢測3組樣本熱裝前后內(nèi)徑變化，將有限元計算值與實際檢測測量值進行對比，X向平均偏差值為0.029 mm；Z向平均偏差值為0.011 mm，對比值見表4。

表4　計算與實測比較

4分析

1)采用熱裝配，擠壓產(chǎn)生的變形將導致產(chǎn)品表面尺寸發(fā)生變化，圖7表明，過盈量δ越大，表面變形越大。從表3可以看出，當過盈量δ≥0.195 mm時，表面內(nèi)花鍵尺寸精度由7級變?yōu)?級，已不能滿足相配件花鍵軸7級要求，足以導致裝配失效。

2)圖5、圖6表明，具有不均勻壁厚尺寸的熱裝配產(chǎn)品，表面尺寸變化呈現(xiàn)不均勻性；這種不均勻性既發(fā)生在徑向區(qū)域，也存在于軸向區(qū)域，在包容區(qū)X向出現(xiàn)最大值。

3)表4結(jié)果表明，有限元計算較好的反映了周向不同部位不同變形。找出最大點、分析最大點有助于工程設(shè)計優(yōu)化；同時，對工藝人員合理判斷工藝方法避免裝配失效具有良好的指導意義。

5建議

由于本產(chǎn)品過盈量較大，熱裝配產(chǎn)生的擠壓造成裝配面變形，裝配失效，解決此類問題，可采用的途徑如下。

1)增加配合面尺寸間隙。此方案最簡單，但對本產(chǎn)品帶來的問題是花鍵強度降低，同時擠壓后花鍵齒變形不一、有效接觸面減小，易造成花鍵軸早期損傷、失效； 因此，此方法僅適用于配合要求不高的產(chǎn)品。

2)改進工藝。將內(nèi)表面花鍵精加工調(diào)整到熱裝配之后，即在裝配傳動軸組件后加工內(nèi)花鍵，這種方法配合精度好；但缺點是加工成本升高。

3)改進結(jié)構(gòu)。設(shè)計時將待配合表面移出包容區(qū)或全部納入包容區(qū)。移出包容區(qū)既可消除擠壓影響；但若無法移出時，應(yīng)全部納入包容區(qū)，減少不均勻性，然后依據(jù)有限元計算變形，指導修正相配件尺寸。此方法可獲得較好的裝配效果。

參考文獻

[1] 《金屬機械加工工藝人員手冊》修訂組.金屬機械加工藝人員手冊[M].上海：上海科學技術(shù)出版社出版,1981.

責任編輯馬彤

Calculation and Analysis of Thermal Assembly Failure

LI Hongwei1,2, GUO Xuhua1,2, BI Siyuan1,2, LIU Xinli1,2, ZHU Guorong1,2

(1.The Institute of Technologe, Beijing North Vehicle Group Corporation, Beijing 100072, China; 2.Beijing Special Vehicle Parts Engineering Research Center for Advanced Manufacturing and Evaluation, Beijing 100072, China)

Abstract：Hot assembly is a commonly used method in interference fit joint. After hot assembly，inclusive and to be inclusive of parts will produce deformation，which contains both the thermal deformation also contains extrusion deformation.The greater the interference assembly，the greater the extrusion deformation values and so become the main factors.extrusion deformation Both influence contact zone, also affect the transitional region, deformation will produce continuous variation in this area. If the part is asymmetric，often caused uneven deformation and irregular sizes, when there is a matching surface in contact area and transitional area, deformation will lead to assembly failure.Application Pro/E 3D entity modeling technology, can better analysis calculation of deformation，discover deformation zone and deformation values, to guide the design to avoid heat assembly failure. Pro/E calculation can be an effective method of a thermal assembly.

Key words:extrusion deformation， assembly， calculation， finite element

收稿日期：2015-11-20

作者簡介：李宏偉(1974-)，男，研究員級高級工程師，主要從事先進制造工藝技術(shù)等方面的研究。

中圖分類號：TG 751.2

文獻標志碼:A