热装配失效计算分析

李宏伟，国旭华，毕泗元，刘心藜，祝国荣

(1.北京北方车辆集团有限公司 工艺技术中心，北京 100072；2.北京市特种车辆部件先进制造与评估工程技术研究中心，北京 100072)



热装配失效计算分析

李宏伟1,2，国旭华1,2，毕泗元1,2，刘心藜1,2，祝国荣1,2

(1.北京北方车辆集团有限公司 工艺技术中心，北京 100072；2.北京市特种车辆部件先进制造与评估工程技术研究中心，北京 100072)

摘要：热装配是过盈联接常用的一种方法，热装后，包容件与被包容件均会产生变形，这种变形既包含热变形也包含挤压变形。过盈量越大，挤压变形越大，并逐渐成为变形主要因素。挤压变形不仅影响包容件与被包容件接合区，在接合区、非接合区及过渡区域，表面变形并产生连续变化，常常造成不均匀变形，不规则尺寸，尤其对于形状呈非对称性的零件。当接合区或过渡区存在配合表面时，变形将导致装配失效。应用三维实体建模Pro/E技术，能够较好的计算分析变形，及早发现影响配合的变形位置及变形量，指导设计避免热装配变形失效。Pro/E计算可以成为热装配设计的一种有效方法。

关键词：挤压变形；装配；计算；有限元

用于特种车辆的传动组件，相配件包括联接肘、内花键轴及外花键轴等3件，联接关系如图1所示，结构中内花键轴与联接肘过盈组成传动组件，内表面花键再与外花键轴配合并传递扭矩，装配工艺是加热联接肘→热装内花键轴→自然冷却→与外花键轴组合→……。然而，在新产品研制中，应用此工艺，花键组合失败，即外花键无法插入内花键孔。将配合面齿槽加大，仍无法解决问题。经检查，内花键表面尺寸不规则改变，传动组件变形失效。

图1　装配结构简图

1检测与分析

抽取传动轴组件5组，检验花键孔尺寸，结果是花键孔通规局部不能通过，不通过尺寸出现在L区域内(见图2)，L值见表1。检测花键孔内径d0，尺寸不均匀减小，偏差见表2。

图2　传动组件结构简图

长度1组2组3组4组5组L/mm1525152020

表2　花键孔小径测量偏差值

热装后花键孔变形，尺寸变化呈复杂性，即X向、Z向变化不同，同时沿Y向分布也不同。热加工、挤压均会导致装配尺寸变化，采用降低温度的方法，装配难度增加，但装配结果几乎不变，外花键依然无法插入，说明挤压变形产生主要作用。

2挤压变形计算

2.1挤压变形公式

相配零件压装后，相互施加作用力(见图2)，包容件外径将增大，而被包容件内径受挤压会减小，变形数值可由公式求得[1]。

图3　压配件相互作用图

内径d0变化值为：

(1)

配合表面压应力为：

(2)

系数为：

(3)

(4)

式中，d为配合公称直径；d0为被包容件内孔直径；E1为被包容件弹性模量系数，单位为Pa；E2为包容件弹性模量系数，单位为Pa；μ1为被包容件波桑系数；μ2为包容件波桑系数；δ为计算过盈量。

2.2有限元模型的建立

应用三维实体建模软件Pro/E，建立联接肘与内花键轴装配模型(见图4)，然后将模型导入有限元分析软件ANSYS12.1中。

1)材料特性的定义。相配件均为合金钢，其弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.28。

2)结合面结合特性。根据ANSYS有限元分析结合面内在结合原理，将两结合面结合特性设置为frictional，摩擦因数κ=0.2，过盈量用参数offset体现。

3)网格的划分。由于花键数量较多，导致有限元分析网格划分过于密集，计算不易收敛；本计算对花键以节圆尺寸进行圆整，使得网格划分变得平整，网格数从23 508减值4 550，计算呈现了更好的收敛性，并节省了分析时间。

图4　传动组件装配模型

2.3有限元求解

图5　组件变形云图

使用ANSYS12.1求解器求解之后，作出组件变形云图，如图5所示。变形云图显示，内花键变形不均匀，X轴方向变形，最大点和最小点出现区域如图5a所示，当过盈量为0.32 mm时，变形最大点为131.33 μm，最小点为5.526 1 μm，两者相差125.8 μm；Z轴方向变形，最大点和最小点出现区域如图5b所示，当过盈量为0.30 mm时，最大点为57.161 μm，最小点为41.147 μm，两者数值接近，X轴方向比Z轴方向具有更多变形。在花键轴轴向，云图变形显示变形不仅存在于包容区，在过渡区与包容区变形依然存在，但逐渐减小。

2.4内径及尺寸精度变化

过盈量δ逐渐增加，被包容件内径逐渐减少，输入不同过盈量δ内径变化值及精度等级见表3。过盈量与内径变化ΔR关系图如图6所示。

表3　过盈量与内径变化ΔR关系

图6　过盈量与内径变化ΔR关系图

3有限元计算与实验检测对比

检测3组样本热装前后内径变化，将有限元计算值与实际检测测量值进行对比，X向平均偏差值为0.029 mm；Z向平均偏差值为0.011 mm，对比值见表4。

表4　计算与实测比较

4分析

1)采用热装配，挤压产生的变形将导致产品表面尺寸发生变化，图7表明，过盈量δ越大，表面变形越大。从表3可以看出，当过盈量δ≥0.195 mm时，表面内花键尺寸精度由7级变为9级，已不能满足相配件花键轴7级要求，足以导致装配失效。

2)图5、图6表明，具有不均匀壁厚尺寸的热装配产品，表面尺寸变化呈现不均匀性；这种不均匀性既发生在径向区域，也存在于轴向区域，在包容区X向出现最大值。

3)表4结果表明，有限元计算较好的反映了周向不同部位不同变形。找出最大点、分析最大点有助于工程设计优化；同时，对工艺人员合理判断工艺方法避免装配失效具有良好的指导意义。

5建议

由于本产品过盈量较大，热装配产生的挤压造成装配面变形，装配失效，解决此类问题，可采用的途径如下。

1)增加配合面尺寸间隙。此方案最简单，但对本产品带来的问题是花键强度降低，同时挤压后花键齿变形不一、有效接触面减小，易造成花键轴早期损伤、失效； 因此，此方法仅适用于配合要求不高的产品。

2)改进工艺。将内表面花键精加工调整到热装配之后，即在装配传动轴组件后加工内花键，这种方法配合精度好；但缺点是加工成本升高。

3)改进结构。设计时将待配合表面移出包容区或全部纳入包容区。移出包容区既可消除挤压影响；但若无法移出时，应全部纳入包容区，减少不均匀性，然后依据有限元计算变形，指导修正相配件尺寸。此方法可获得较好的装配效果。

参考文献

[1] 《金属机械加工工艺人员手册》修订组.金属机械加工艺人员手册[M].上海：上海科学技术出版社出版,1981.

责任编辑马彤

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

作者简介：李宏伟(1974-)，男，研究员级高级工程师，主要从事先进制造工艺技术等方面的研究。

中图分类号：TG 751.2

文献标志码:A