李江艷，毛寬民，陳奇兵，聶應(yīng)新

(1.沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司，云南昆明 650000;2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074;

3.北京工研精機(jī)股份有限公司，北京 100000)

機(jī)床大件不同裝配工藝下裝配應(yīng)力分布試驗(yàn)研究

李江艷1，毛寬民2，陳奇兵2，聶應(yīng)新3

(1.沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司，云南昆明 650000;2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074;

3.北京工研精機(jī)股份有限公司，北京 100000)

影響機(jī)床大件螺栓固定裝配質(zhì)量的主要因素是裝配應(yīng)力的狀態(tài)與分布，為此，提出了一種基于應(yīng)變測(cè)試的裝配應(yīng)力測(cè)試方法，該方法無(wú)需破壞工件的表面。在對(duì)自由表面應(yīng)力狀態(tài)分析的基礎(chǔ)上建立了三向應(yīng)變花測(cè)試數(shù)據(jù)與表面主應(yīng)變的關(guān)系，再根據(jù)胡克定理建立主應(yīng)力的計(jì)算公式。以某機(jī)床廠的主軸箱與導(dǎo)軌滑塊的螺栓裝配為對(duì)象，研究了螺栓裝配不同工藝下裝配應(yīng)力狀態(tài)與分布，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了文中所提出方法的有效性。

螺栓裝配;主應(yīng)力;主應(yīng)變;裝配應(yīng)力測(cè)試

0 前言

隨著機(jī)床向高速、高精、高效方向發(fā)展，機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能引起了研究者的普遍關(guān)注。研究表明，機(jī)床上出現(xiàn)的振動(dòng)問(wèn)題有60%以上源自結(jié)合部，其阻尼值的90%以上來(lái)源于結(jié)合部的阻尼［1－2］。機(jī)床結(jié)構(gòu)中大件的裝配精度、動(dòng)力學(xué)特性 (固有頻率、模態(tài)阻尼、模態(tài)振型)受到裝配質(zhì)量的極大影響，而其主要因素就是裝配應(yīng)力的狀態(tài)和分布。目前應(yīng)力測(cè)試方法主要分為破壞性與非破壞性無(wú)損兩種。其中破壞性測(cè)試方法有鉆孔法、取條法、切槽法、剝層法等［3］，由于此類方法多半會(huì)破壞原件本身，故不適用于原件不可破壞的情況;非破壞性無(wú)損測(cè)試方法又稱物理測(cè)量法，主要包含X射線法，中子衍射法，超聲波法，磁性法［4］。X射線法是利用X射線入射到物質(zhì)時(shí)的衍射現(xiàn)象，根據(jù)材料晶面間距的變化來(lái)確定應(yīng)變，其精度較高，但其設(shè)備復(fù)雜，對(duì)測(cè)試表面要求高，所以其應(yīng)用受到了一定的限制。中子衍射法［5］是通過(guò)研究衍射束的峰值位置和強(qiáng)度，獲得應(yīng)力或應(yīng)變的數(shù)據(jù)，是目前唯一可以測(cè)定大體積工件三維應(yīng)力分布的方法，其具有許多的優(yōu)點(diǎn)，穿透力強(qiáng)，空間分辨可調(diào)等等，但其與X射線法一樣，設(shè)備昂貴復(fù)雜，對(duì)試件有嚴(yán)格的要求。并且目前中子衍射法只能固定在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。超聲波法的理論依據(jù)是聲彈性理論，對(duì)于大多數(shù)介質(zhì)而言，超聲波的穿透性是比較強(qiáng)的，并且其方向性好，可以實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射，與中子衍射法相比，超聲測(cè)試儀可以方便的攜帶到現(xiàn)場(chǎng)和室外使用，但其測(cè)定結(jié)果受材料性能、工件形狀和組織結(jié)構(gòu)的影響，測(cè)量的靈敏度較低。磁性法［6］是無(wú)損檢測(cè)法中的新型測(cè)試方法之一，其相對(duì)于其他集中無(wú)損測(cè)試方法最顯著的優(yōu)點(diǎn)便是可以對(duì)使用中的對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，沒(méi)有輻射危險(xiǎn)，但其對(duì)材料結(jié)構(gòu)和屬性很敏感，容易影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且只能測(cè)試磁性材料。針對(duì)于表面應(yīng)力的測(cè)試，使用電阻應(yīng)變計(jì)［7］測(cè)量應(yīng)變的這一電測(cè)法相對(duì)于以上幾種測(cè)試方法，顯示出了其不同的特點(diǎn)，其設(shè)備便宜，操作簡(jiǎn)單易行，可適用于現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)環(huán)境沒(méi)有太過(guò)苛刻的要求，對(duì)滿足彈塑性理論的材料均可實(shí)現(xiàn)測(cè)量。并且準(zhǔn)確度較高，滿足了一般情況下的應(yīng)力測(cè)試的需要。本文作者將利用基于應(yīng)變測(cè)試的應(yīng)力測(cè)試方法對(duì)于螺栓裝配應(yīng)力分布進(jìn)行研究。

1 基于應(yīng)變的應(yīng)力測(cè)試原理

由彈性體力學(xué)理論可知，對(duì)于自由表面上一點(diǎn)，其法線方向?yàn)橐粋€(gè)主應(yīng)力方向，而另外兩個(gè)應(yīng)力主方向就位于該自由表面上。假設(shè)物體表面一點(diǎn)處的應(yīng)變?chǔ)舩、εy和γxy皆為已知量，這里 εx和εy表示沿x和 y方向的線應(yīng)變，γxy表示直角xoy的角度變化即剪應(yīng)變。該點(diǎn)處任意方向的線應(yīng)變及剪應(yīng)變可由式 (1)計(jì)算得到:

當(dāng)導(dǎo)數(shù)為0時(shí)，則此時(shí)角α所確定的截面上正應(yīng)變?chǔ)纽寥O值。同時(shí)將公式 (1)、(2)進(jìn)行比較可知此時(shí)剪應(yīng)變等于零，即為主應(yīng)變方向。再將α值代入公式 (1)即可求得此時(shí)主應(yīng)變的大小及角度α的值，如式 (3)下:

使用儀器直接測(cè)量物體應(yīng)變時(shí)，由于剪應(yīng)變?chǔ)脁y不能直接測(cè)得，所以一般先測(cè)出3個(gè)選定方向α1、α2和α3上的線應(yīng)變，然后代入公式 (1)得式 (4)并求解該方程組而得到。

實(shí)際測(cè)量中，一般把α1、α2、α3選取為便于計(jì)算的數(shù)值，以簡(jiǎn)化計(jì)算。例如將應(yīng)變片的三個(gè)方向分別選為0°、45°、90°。這樣就得到了圖1所示的直角應(yīng)變花。

圖1 直角應(yīng)變花

在實(shí)際使用中時(shí)代入公式 (4)，計(jì)算簡(jiǎn)化為:

主應(yīng)力的方向與主應(yīng)變的方向一致。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖2所示。對(duì)試件測(cè)試表面經(jīng)過(guò)處理 (潔凈、平整)，并粘貼三向應(yīng)變片，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集在螺栓擰緊過(guò)程中試件的應(yīng)變變化時(shí)間歷程，并存入計(jì)算機(jī)，通過(guò)相應(yīng)的程序分析計(jì)算試件的應(yīng)力狀態(tài)和分布情況。試驗(yàn)中所采用的應(yīng)變計(jì)為溫度自補(bǔ)償型BE120－2BC(11)三向應(yīng)變花，其電阻值為120Ω，對(duì)平均電阻值公差≤±0.1%，靈敏系數(shù)1.86～2.20，疲勞壽命10 000 000，使用溫度范圍－30～+80℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)是全智能化的巡回?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以太網(wǎng)通訊，系統(tǒng)可邊采樣、邊傳送、邊存硬盤、邊顯示，利用計(jì)算機(jī)海量的存儲(chǔ)硬盤，長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)、無(wú)間斷記錄所有通道信號(hào)。

圖2 基于應(yīng)變的應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)流程圖

3 不同裝配工藝對(duì)裝配應(yīng)力的影響

以某機(jī)床廠生產(chǎn)的臥式加工中心的主軸箱與導(dǎo)軌滑塊螺栓聯(lián)結(jié)裝配為對(duì)象，研究不同裝配工藝下裝配應(yīng)力的狀態(tài)與分布，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 主軸箱裝配實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)整體圖

3.1 工藝安排

圖4是直線導(dǎo)軌滑塊與主軸箱體螺栓聯(lián)結(jié)位置的示意圖，圖中字母所對(duì)應(yīng)的圓圈為各個(gè)螺栓的位置，在此次實(shí)驗(yàn)中，共選取了18個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均處在螺栓正下方，圖4中1－10號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在主軸箱上，(1)－(8)布置在直線導(dǎo)軌滑塊上。實(shí)驗(yàn)中采用兩種螺栓裝配工藝，其中方式一為順序擰緊方式，采用順時(shí)針?lè)较?BbEeOoHh→AaDdpPmM→CcFfnNgG;方式二為對(duì)稱擰緊方式，采用對(duì)角線順序:BbOoEeHh→AacC→pPNn→fFDd→mMGg。兩種工藝下螺栓擰緊力矩是一樣的，按照50%→80%→100%力矩分3次將所有螺栓擰緊至規(guī)定力矩。

圖4 直線導(dǎo)軌滑塊與主軸箱體螺栓聯(lián)結(jié)示意圖

3.2 同一工藝多次重復(fù)試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

按擰緊工藝方式二進(jìn)行了三次試驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)平均、主應(yīng)變求解處理，得到圖5所示的各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)變數(shù)據(jù)。

圖5 同種裝配工藝下主軸箱及滑塊上測(cè)點(diǎn)處最大主應(yīng)變曲線圖

按照第一部分所討論的主應(yīng)力與主應(yīng)變的關(guān)系， 可得到各測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力，如圖6所示:

圖6 同種裝配工藝下主軸箱及滑塊上測(cè)點(diǎn)處最大主應(yīng)力曲線圖

由圖5、6可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有非常好的重復(fù)性，除個(gè)別點(diǎn)外，各次實(shí)驗(yàn)之間最大誤差不超過(guò)5%。但是在整個(gè)被連接件上最大主應(yīng)力分布是不均勻的，從圖5(a)、圖6(a)上可以看出主軸箱正面上的G—P螺栓對(duì)應(yīng)的6個(gè)測(cè)點(diǎn)處的主應(yīng)力值小于主軸箱左側(cè)面上A、c、m、G螺栓所對(duì)應(yīng)的4個(gè)測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力值。R?TSCHER［8］指出在單個(gè)螺栓聯(lián)接中其應(yīng)力場(chǎng)是以頂角為2α的圓錐體分布的;R.H OSKOUEI等［9］使用了有限元方法研究了雙搭接螺栓連接中的應(yīng)力分布，結(jié)果表明整體的應(yīng)力分布呈瓦罐形:上面的平板和下面的平板的應(yīng)力分布仍然是錐形的，中間的平板的應(yīng)力分布沿厚度方向均勻分布 (如圖7所示)。

圖7 螺栓應(yīng)力分布圖

從這些研究中可以看出各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力值與距離螺栓的位置有關(guān)，在粘貼應(yīng)變片時(shí)10個(gè)測(cè)點(diǎn)距離結(jié)合面的高度一致，但由于主軸箱的結(jié)構(gòu)原因，左側(cè)面4個(gè)測(cè)點(diǎn)與螺栓軸線的距離小于正面6個(gè)測(cè)點(diǎn)與螺栓的距離，因此導(dǎo)致兩邊結(jié)果差異的原因之一就是由于測(cè)點(diǎn)距離螺栓孔中心空間距離的不同;同時(shí)，從圖8中可以看到，左側(cè)的4個(gè)測(cè)點(diǎn)周圍分布有若干螺紋孔，而這些螺紋孔會(huì)引起構(gòu)件的應(yīng)力集中，導(dǎo)致應(yīng)力在局部區(qū)域內(nèi)顯著提高，這也是導(dǎo)致主軸箱上左側(cè)面

4個(gè)測(cè)點(diǎn)值大于正面6個(gè)測(cè)點(diǎn)值的又一個(gè)原因。

圖8 主軸箱上左側(cè)應(yīng)變花布置圖

滑塊上左右兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)值也有較大的差異，與主軸箱上左側(cè)面上對(duì)應(yīng)的4個(gè)測(cè)點(diǎn)值比右側(cè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)值大，最主要原因可能是由于主軸箱滾珠絲杠的裝配所引起的。從圖3可以看出，滾珠絲杠位置并不是沿主軸箱中心布置的，而是偏向左側(cè)。這使得絲杠在裝配過(guò)程中起到了“支點(diǎn)”的作用，在優(yōu)先擰緊的左側(cè)，主軸箱與調(diào)整墊、滑塊緊密接觸，而此時(shí)右側(cè)則有相互脫離的趨勢(shì)，再用同樣力矩?cái)Q緊右側(cè)時(shí)，由于“支點(diǎn)”偏左，此時(shí)就不能完全消除之前引起的位移，這樣就導(dǎo)致左右兩側(cè)滑塊接觸面上的壓力的不同，從而導(dǎo)致了左右兩側(cè)應(yīng)力值的差異。右側(cè)測(cè)點(diǎn)3與同側(cè)其他3個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值的差異是由于調(diào)整墊的平面度和粗糙度引起的，屬于偶然因素。關(guān)于平面度、粗糙度對(duì)裝配應(yīng)力場(chǎng)的影響將會(huì)在后面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

3.3 不同工藝下應(yīng)力狀態(tài)與分布

按擰緊工藝方式一和方式二進(jìn)行了多次試驗(yàn)，取其中一組對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理得到如圖9所示的主應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線圖。

圖9 不同裝配工藝下主軸箱及滑座上測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)變曲線圖

按照第一部分所討論的主應(yīng)力與主應(yīng)變的關(guān)系，可得到各測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力，分別如圖10(a)、 (b)所示。

圖10 不同裝配工藝下主軸箱及滑塊上測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力曲線

由圖9、10可以看出，在不同螺栓裝配工藝下，主軸箱上各個(gè)測(cè)點(diǎn)值之間的差異很小，直線導(dǎo)軌滑塊上方式二的值在某些測(cè)點(diǎn)處比方式一的值稍小，但是測(cè)點(diǎn)值的變化趨勢(shì)基本一致，不同裝配工藝對(duì)主軸箱與直線導(dǎo)軌滑塊裝配的應(yīng)力分布影響并不明顯。造成這一現(xiàn)象的原因是由于直線導(dǎo)軌4個(gè)滑塊是相互獨(dú)立的，而且彼此之間距離較遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致滑塊與滑塊之間應(yīng)力場(chǎng)相互影響很小。圖11為4個(gè)滑塊上所對(duì)應(yīng)的4個(gè)測(cè)點(diǎn)值在3次加載中的連續(xù)變化趨勢(shì)，當(dāng)擰緊某一螺栓時(shí)，其正對(duì)的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值變化非常明顯，但是從圖中可以看出其他3個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值基本沒(méi)有變化，也就是對(duì)其他滑塊上的應(yīng)力場(chǎng)基本沒(méi)有影響。而圖中各個(gè)測(cè)點(diǎn)曲線會(huì)出現(xiàn)較小的變化，這是由于在整個(gè)加載過(guò)程中會(huì)受到同一滑塊上距離較近的螺栓的影響。

圖11 方式一加載下4個(gè)滑塊上應(yīng)變花0°方向應(yīng)變值變化趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

針對(duì)某機(jī)床廠的臥式加工中心的主軸箱與直線導(dǎo)軌滑塊裝配過(guò)程，利用三向應(yīng)變花測(cè)試不同的裝配工藝下裝配應(yīng)力的狀態(tài)與分布。在同種裝配工藝下，多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的重復(fù)性，驗(yàn)證了應(yīng)力測(cè)試的有效性。從測(cè)試結(jié)果對(duì)比可以看出不同裝配工藝下，裝配應(yīng)力的變化趨勢(shì)是基本類似的，并沒(méi)有十分明顯的差異。其他因素 (零部件之間的約束，工件表面平面度、粗糙度等)對(duì)裝配應(yīng)力場(chǎng)的分布也存在較大影響，還需要進(jìn)一步的研究分析。

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Experimental Research of Large Com ponents of Machine Tools Assembly Stress Distribution Under Different Assembly Process

LIJiangyan1，MAO Kuanmin2，CHEN Qibing2，NIE Yingxin3
(1.Shenji Group Kunming Machine Tool Co.，Ltd.，Kunming Yunnan 650000，China;2.School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei430074，China;3.Beijing Precision Machinery＆ Engineering Research Co.，Ltd.，Beijing 100000，China)

Assembly stress distribution and state are themain factor of the quality of largebolted joints in machine tool.Therefore，an assembly stress testmethod based on strain test is proposed.There was no need to damage the surface of the workpiece by thismethod.The relationship between the three－dimensional(3D)rosette gauge test data and the surface principal strain was builtup based on theanalysis of free surface stress state.Then according to Hooke’s law，the calculationformula of principal stresswas established.By taking the spindle box and the guide rail slider bolt assembly of amachine tool plant as research objects，assembly stress distribution and state were researchedof different assembly process for bolt assembly.Theresults of this experiment validate the effectiveness of the presented method.

Bolt assembly;Principal stress;Principal strain;Assembly stress test

TH162+.1

A

1001－3881－ (2015)21－118－5

11.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.028

2014－09－17

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2012AA040700)

李江艷 (1970—)，女，學(xué)士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇笮途芘P式加工中心設(shè)計(jì)。E－mail:janeol@sina.com。