付 玄，劉自成，葉本遠(yuǎn)，徐廣慶，楊 光

（中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽(yáng)621000）

0 引言

過(guò)盈配合因其定位精度高、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，在航空機(jī)械結(jié)構(gòu)的軸類(lèi)組件中廣泛應(yīng)用。過(guò)盈配合一般采用熱壓合法進(jìn)行裝配，但拆卸過(guò)盈配合零件時(shí)則相對(duì)困難，目前常用的機(jī)械拔具拆卸法易對(duì)零組件配合面造成損傷，而溫差拆卸法存在操作風(fēng)險(xiǎn)較高且等待時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題，2種操作方法均費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響了軸上過(guò)盈配合零件拆卸的質(zhì)量和效率。

為解決上述問(wèn)題，本文根據(jù)超聲振動(dòng)的功率、傳遞等相關(guān)特性，擬將超聲振動(dòng)應(yīng)用于軸上過(guò)盈配合零件的拆卸領(lǐng)域。盡管目前超聲振動(dòng)在機(jī)械加工方面已廣泛應(yīng)用[1-2]，但將其應(yīng)用于零部件的裝配及拆卸操作中的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道，而對(duì)這類(lèi)振動(dòng)拆卸工藝方法的探索及研究將具有十分重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 基本原理

當(dāng)摩擦發(fā)生在相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的接觸表面時(shí)，為普通摩擦狀態(tài)，而當(dāng)其中1個(gè)表面處于高頻振動(dòng)時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致2個(gè)表面的摩擦狀態(tài)發(fā)生改變，在高頻振動(dòng)狀態(tài)下的接觸面摩擦系數(shù)遠(yuǎn)低于普通接觸面的摩擦系數(shù)，從而能有效減小2個(gè)物體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力，且摩擦力的減小程度與振動(dòng)頻率的高低和振幅的大小相關(guān)。

超聲振動(dòng)拆卸的基本原理是在分解軸上過(guò)盈配合零件時(shí)，通過(guò)對(duì)所需分解的包容件施加沿軸向的高頻振動(dòng)激勵(lì)，促使包容件與被包容件配合面的摩擦狀態(tài)發(fā)生改變，無(wú)數(shù)微粒的軸向位移將使零件沿軸向的移動(dòng)趨勢(shì)不斷加強(qiáng)，從而削弱零件沿徑向的移動(dòng)趨勢(shì)[3]（如圖1所示），此時(shí)過(guò)盈配合面的摩擦系數(shù)將大幅減小，所以分解時(shí)所需抵消的摩擦力也隨之減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軸上過(guò)盈配合零件的快速拆卸。

圖1 超聲振動(dòng)拆卸基本原理

1.2 裝置總體結(jié)構(gòu)

基于超聲振動(dòng)的軸上過(guò)盈配合零件拆卸系統(tǒng)裝置主要由壓力機(jī)、連接機(jī)構(gòu)、振動(dòng)子、過(guò)盈配合試驗(yàn)件、壓力峰值儀和超聲波發(fā)生器等組成，如圖2所示。裝置以壓力機(jī)為工作平臺(tái)，通過(guò)連接機(jī)構(gòu)將振動(dòng)子固定于壓力機(jī)升降齒條上，壓力峰值儀和超聲波發(fā)生器分別用于測(cè)量拆卸時(shí)壓力值和為振動(dòng)子提供振蕩信號(hào)源。

連接機(jī)構(gòu)主要分為夾持收口端和矩形法蘭套筒2部分。夾持收口端通過(guò)對(duì)半夾緊方式固定于壓力機(jī)的升降齒條上，可隨齒條做上下移動(dòng)，矩形法蘭套筒上端通過(guò)螺栓連接與夾持收口端下端相固定；振動(dòng)子由換能器、變幅桿工具頭及緊定螺栓組成，矩形法蘭套筒下端通過(guò)螺栓連接與變幅桿工具頭的法蘭邊（振幅為0部位）相固定，以確保振動(dòng)子通過(guò)連接機(jī)構(gòu)最終與壓力機(jī)的升降齒條形成剛性連接[4]，如圖3所示。

圖2 裝置總體結(jié)構(gòu)

圖3 連接機(jī)構(gòu)與振動(dòng)子安裝方式

1.3 振動(dòng)部件

系統(tǒng)的核心部件為產(chǎn)生軸向振動(dòng)及對(duì)過(guò)盈配合零件作功的振動(dòng)子，在工作過(guò)程中，換能器啟振并作軸向振動(dòng)，通過(guò)變幅桿工具頭對(duì)振幅加以放大并激勵(lì)工具頭端部高頻振動(dòng)[5-6]。

1.3.1 換能器設(shè)計(jì)

換能器采用夾心式壓電換能器結(jié)構(gòu)，壓板材料為鎂鋁合金，前轉(zhuǎn)接段采用45號(hào)鋼，壓電片采用PZT-8（串聯(lián)），電極片采用鈹青銅。當(dāng)施加的電場(chǎng)頻率與壓電片的固有頻率相同時(shí)，即產(chǎn)生諧振[7]，此時(shí)聲輻射最強(qiáng)，壓電片厚度方向的逆壓電效應(yīng)為

式中：S2為沿厚度方向的伸縮應(yīng)變量；U2為加載電壓；d22為壓電常數(shù)；t=5 mm，為故壓電片材料厚度。

選擇前蓋板與壓電片接觸端面為節(jié)面位置（振幅為0），同時(shí)為使振動(dòng)以軸向振動(dòng)為主，換能器各部分直徑均應(yīng)小于1/4波長(zhǎng)，負(fù)載對(duì)換能器具有一定的影響，但通常很小，設(shè)計(jì)時(shí)按空載計(jì)算[8]。

圖4 換能器尺寸計(jì)算

換能器各組成部分尺寸參數(shù)設(shè)置如圖4所示。為保證對(duì)壓電片的有效對(duì)夾固定，換能器前、后蓋板的直徑均與壓電片的直徑相等，即D2=D3=D4=30 mm。建立串聯(lián)傳輸矩方程[9]，計(jì)算得出L5=21.78 mm。

1.3.2 換能器阻抗特性分析

對(duì)于超聲換能振動(dòng)系統(tǒng)，阻抗特性和啟振特性是其最重要的2個(gè)參數(shù)。其中啟振特性可以通過(guò)拆卸試驗(yàn)驗(yàn)證，而阻抗特性則通過(guò)阻抗測(cè)量獲得，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到振動(dòng)拆卸部分的聲電轉(zhuǎn)換效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性[10]。

本次設(shè)計(jì)的換能器的諧振頻率Fs=25293.3 Hz，半功率點(diǎn)F1=25195.9 Hz，F(xiàn)2=25395.3 Hz，反諧振頻率Fp=28821.0 Hz，如圖5所示。其中諧振頻率FS與設(shè)計(jì)的理想值有所偏差，有待后續(xù)比較分析。

圖5 換能器對(duì)數(shù)坐標(biāo)系曲線

最大電導(dǎo)Gmax=47.14 ms，動(dòng)態(tài)電阻R1=21.21Ω，動(dòng)態(tài)電感L1=16.93 mH，動(dòng)態(tài)電容C1=2.34 nF，靜態(tài)電容C0=7.30 nF，自由電容CT=9.64 nF。其中動(dòng)態(tài)電阻R1=21.21Ω，數(shù)值偏高，說(shuō)明換能器內(nèi)阻較大，有一定的振動(dòng)能量損失。

機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm=126.85，有效機(jī)電耦合系數(shù)Keff=0.48，平面機(jī)電耦合系數(shù)Kp=0.60。其中機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm=126.85，說(shuō)明系統(tǒng)電-振效率轉(zhuǎn)換較高，且在電源匹配范圍內(nèi)滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3.3 變幅桿工具頭設(shè)計(jì)

變幅桿工具頭采用2級(jí)階梯型變幅桿與套筒組合結(jié)構(gòu)，材料為45號(hào)鋼，變幅桿工具頭的大端直徑應(yīng)和換能器的前蓋板直徑相等，即D1=30 mm，輸出端套筒等效直徑D5≈15 mm，故該變幅桿工具頭的放大倍數(shù)約為4。根據(jù)振動(dòng)能量密度公式，能量密度正比于振幅的平方

式中：Ke=ρXω2；ρ為彈性介質(zhì)密度。

能量密度ρe越大，振幅也就越大；能量密度ρe一定時(shí)，介質(zhì)的密度ρ越小，振幅α越大。變幅桿工具頭各部分尺寸設(shè)置如圖6所示。建立串聯(lián)傳輸矩方程，計(jì)算得出L5=61.47mm，約等于1/4波長(zhǎng)。換能器輻射部位理論輸出振幅約為8μm，故最終變幅桿工具頭端部輸出振幅約為32μm。

圖6 變幅桿工具頭尺寸計(jì)算

2 模態(tài)及諧響應(yīng)分析

2.1 換能器模態(tài)分析

對(duì)換能器進(jìn)行模態(tài)分析（如圖7所示）。從圖中可見(jiàn)，當(dāng)固有頻率為26246 Hz（第10階）時(shí)，其振型分布規(guī)則，沿軸向逐層分布，x、y方向及彎曲振動(dòng)分量不明顯，振動(dòng)主要在z方向，且前蓋板端部振幅較大，后蓋板能量耗散較少，符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 換能器第10階振型

2.2 振動(dòng)子諧響應(yīng)分析

對(duì)振動(dòng)子進(jìn)行諧響應(yīng)分析（如圖8～10所示）。以變幅桿工具頭套筒前端面振幅為輸出，設(shè)定激勵(lì)頻率范圍為12.5～37.5 Hz，得出響應(yīng)頻率為28000 Hz時(shí)，振動(dòng)子整體振型均較規(guī)則，主要沿軸向振動(dòng)，徑向及彎曲振動(dòng)微弱，且工具頭前端面輸出振幅最大，法蘭盤(pán)處振幅接近于0，振型分布滿足設(shè)計(jì)要求[11]。

圖8 振動(dòng)子諧響應(yīng)頻率響應(yīng)

圖9 振動(dòng)子Z向位移振型

3 拆卸對(duì)比試驗(yàn)

以拆卸某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸上的襯套為試驗(yàn)方案輸入，設(shè)計(jì)類(lèi)似結(jié)構(gòu)的過(guò)盈配合試驗(yàn)件并進(jìn)行拆卸對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)分為A、B 2組，均采用同一套系統(tǒng)裝置進(jìn)行操作，其中A組為常規(guī)拆卸（不加超聲振動(dòng)），B組為超聲振動(dòng)拆卸，如圖11所示。試驗(yàn)后主要從拆卸壓力峰值、試驗(yàn)件表面溫度和表面質(zhì)量等3個(gè)方面對(duì)拆卸效果進(jìn)行驗(yàn)證，并為后續(xù)研究提供參考。

圖10 振動(dòng)子總位移振型

圖11 基于超聲振動(dòng)的軸上過(guò)盈配合零件拆卸系統(tǒng)試驗(yàn)裝置

3.1 試驗(yàn)件過(guò)盈配合設(shè)計(jì)

試驗(yàn)件采用基本尺寸為φ＝36.00 mm的試驗(yàn)軸與試驗(yàn)套組合結(jié)構(gòu)，材料為45號(hào)鋼，二者設(shè)計(jì)配合尺寸為過(guò)盈 0～0.03 mm，試驗(yàn)軸下端連接壓力傳感器，用于測(cè)量拆卸過(guò)程中所承受的軸向力（如圖12所示）。試驗(yàn)件正式裝配前測(cè)量記錄軸孔實(shí)際配合尺寸，并采用相同參數(shù)的熱壓合法將試驗(yàn)套裝入試驗(yàn)軸上，維持載荷冷卻至常溫狀態(tài)。

圖12 過(guò)盈配合試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

根據(jù)過(guò)盈接觸分析，試驗(yàn)軸與試驗(yàn)套接觸面壓應(yīng)力P為

將試驗(yàn)套從試驗(yàn)軸上拆卸所需的最小軸向力

式中：D為過(guò)盈配合面尺寸；D1為試驗(yàn)套外徑；D2為試驗(yàn)軸內(nèi)徑；B為承力面長(zhǎng)度；I為過(guò)盈緊度。計(jì)算得出不同過(guò)盈緊度條件下拆卸所需的最小軸向力見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)件拆卸理論所需最小軸向力

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容及步驟

將設(shè)計(jì)過(guò)盈量為0～0.03 mm的6組試驗(yàn)件采用相同參數(shù)的熱壓合法進(jìn)行反復(fù)裝配及相應(yīng)的壓力拆卸，并測(cè)量記錄拆裝前、后配合值的變化量，至配合值穩(wěn)定為止，以消除機(jī)加表面粗糙度等對(duì)拆卸壓力的影響，測(cè)得6組試驗(yàn)件的最終實(shí)際過(guò)盈量分別為0.005、0.011、0.013、0.019、0.026 和 0.031 mm。

將過(guò)盈配合試驗(yàn)件固定于壓力機(jī)底部工作臺(tái)上，調(diào)整試驗(yàn)件水平位置，保證變幅桿工具頭前端套筒下壓過(guò)程中能順利壓住試驗(yàn)套上端面且不與試驗(yàn)軸發(fā)生干涉。首先進(jìn)行A組試驗(yàn)，即不開(kāi)啟超聲波發(fā)生器，操作壓力機(jī)將試驗(yàn)套從試驗(yàn)軸上壓出，并記錄測(cè)量的壓力峰值與摩擦表面溫度。然后進(jìn)行B組試驗(yàn)，開(kāi)啟超聲波發(fā)生器，使振動(dòng)子進(jìn)入高頻諧振狀態(tài)，讓試驗(yàn)套在向下壓力和高頻軸向振動(dòng)的共同作用下從試驗(yàn)軸上快速分解下來(lái)，同樣記錄測(cè)量的壓力峰值與摩擦表面溫度。重復(fù)上述操作，將6組試驗(yàn)件依次用A、B 2種拆卸方法分解下來(lái)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 壓力峰值對(duì)比

試驗(yàn)件采用2種方法拆卸的壓力峰值見(jiàn)表2和圖13，從表和圖中可見(jiàn)，當(dāng)拆卸過(guò)盈量為0.005 mm的試驗(yàn)套時(shí)，常規(guī)拆卸所需壓力峰值為2016 N，超聲振動(dòng)拆卸所需壓力峰值為1672 N，減小了17.1%，同理拆卸過(guò)盈量為 0.011、0.013、0.019、0.026 和 0.031 mm的試驗(yàn)套時(shí)，超聲振動(dòng)拆卸所需的壓力峰值較常規(guī)拆卸的分別減小14.5%、12.3%、9.6%、10.5%和5.0%，初步說(shuō)明在軸上過(guò)盈配合零件拆卸時(shí)，添加超聲振動(dòng)能夠降低拆卸所需的最小軸向力，且隨著配合過(guò)盈量的增大，壓力峰值的減小效果逐步弱化。初步原因分析為過(guò)盈配合連接時(shí)，包容件和被包容件通過(guò)徑向變形使二者配合面間產(chǎn)生足夠的彈性壓力，從而獲得緊固連接的效果，但當(dāng)過(guò)盈量逐步增大時(shí)，包容件和被包容件的徑向變形將逐步接近于塑性變形的邊界（即所謂永久性過(guò)盈配合連接狀態(tài)，如H7/u6、H7/v6），此時(shí)有限的振動(dòng)頻率和振幅將難以徹底激勵(lì)并改變大過(guò)盈量狀態(tài)下配合面的摩擦狀態(tài)。

表2 試驗(yàn)件拆卸壓力峰值

圖13 試驗(yàn)件拆卸壓力峰值對(duì)比

3.3.2 試驗(yàn)件表面溫度

在溫度為29.3～29.8℃、濕度為55%～57%的工作環(huán)境下，使用紅外溫度儀對(duì)A、B組拆卸后的軸套內(nèi)表面瞬間溫度進(jìn)行測(cè)量，各組所得溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表3和圖14。從表和圖中可見(jiàn)，當(dāng)拆卸過(guò)盈量為0.005 mm的試驗(yàn)套時(shí)，常規(guī)拆卸軸套內(nèi)表面瞬間溫度為30.2℃，超聲振動(dòng)拆卸軸套內(nèi)表面瞬間溫度為32.7℃，同理拆卸過(guò)盈量為 0.011、0.013、0.019、0.026 和 0.031 mm的試驗(yàn)套時(shí)，超聲振動(dòng)拆卸軸套內(nèi)表面瞬間溫度較常規(guī)拆卸的均有一定幅度升高，溫升范圍為2～5℃，與試驗(yàn)前假設(shè)的“摩擦減小、發(fā)熱降低”結(jié)論相悖，初步原因分析為裝置高頻振動(dòng)部件內(nèi)部作功發(fā)熱，傳遞至試驗(yàn)件所致。

表3 試驗(yàn)件拆卸表面溫度

3.3.3 試驗(yàn)件表面質(zhì)量

對(duì)完成超聲振動(dòng)拆卸后的各組試驗(yàn)件進(jìn)行配合面熒光檢查。其中，過(guò)盈為0.005、0.011、0.013和0.019 mm的試驗(yàn)軸表面未見(jiàn)明顯劃痕或點(diǎn)狀凹陷，過(guò)盈為0.026、0.031 mm的試驗(yàn)軸表面有少數(shù)周向均布的環(huán)形痕跡，沿試驗(yàn)件脫落方向成逐步遞減趨勢(shì)（如圖15所示），測(cè)量顯示環(huán)形痕跡無(wú)深度，同時(shí)對(duì)過(guò)盈為0.026、0.031 mm的試驗(yàn)軸進(jìn)行配合面跳動(dòng)測(cè)量檢查，與裝配前相比，跳動(dòng)未見(jiàn)異常。

圖14 試驗(yàn)件拆卸表面溫度對(duì)比

圖15 試驗(yàn)件表面拆卸質(zhì)量

4 總結(jié)

基于超聲振動(dòng)的軸上過(guò)盈配合零件拆卸系統(tǒng)主要將超聲振動(dòng)和壓力拆卸組合，通過(guò)對(duì)所需分解的零件施加沿軸向的高頻振動(dòng)，以加強(qiáng)零件的軸向移動(dòng)趨勢(shì)，從而削弱零件的徑向移動(dòng)趨勢(shì)，以減小分解時(shí)所需抵消的摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軸上過(guò)盈配合零件的快速分解，系統(tǒng)裝置證明超聲振動(dòng)能有效提高軸上過(guò)盈配合零件拆卸的質(zhì)量與效率，提高操作安全性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)目前已在某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸上的襯套零件分解中進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的試用驗(yàn)證，效果良好，未見(jiàn)零件損傷或拆卸卡滯等異常情況，分解質(zhì)量受控，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，由于個(gè)人能力不足、設(shè)備條件限制等原因，目前試驗(yàn)裝置主要依托壓力機(jī)進(jìn)行操作，軸向空間有限，影響了大功率振動(dòng)子的使用，且壓力機(jī)自身存在的運(yùn)行精度與手動(dòng)操作問(wèn)題也對(duì)試驗(yàn)造成了一定的不確定性，目前所開(kāi)展的試驗(yàn)只能對(duì)基于超聲振動(dòng)的軸上過(guò)盈配合零件拆卸理論進(jìn)行初步的探索與驗(yàn)證，后續(xù)可設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)平臺(tái)，用以滿足各種振動(dòng)拆卸對(duì)比試驗(yàn)的需要。同時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中，還有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究解決，主要包括以下3個(gè)方面：

（1）避免振動(dòng)子與其他非振動(dòng)部件產(chǎn)生共振。振動(dòng)子通過(guò)變幅桿工具頭的法蘭邊與其他機(jī)構(gòu)連接在一起，設(shè)計(jì)時(shí)該法蘭邊振幅為0，故理論上該處不會(huì)作為啟振源激勵(lì)其他零部件產(chǎn)生振動(dòng)。但在實(shí)際操作中，待分解的零件直接固定于壓力機(jī)底座上，從而與壓力機(jī)形成剛性連接，故振動(dòng)子對(duì)待分解的零件做高頻振動(dòng)時(shí)，也存在對(duì)其他非振動(dòng)部件產(chǎn)生共振的可能，故還需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

（2）避免因?yàn)槲⑽灰颇Σ潦拐駝?dòng)能大量轉(zhuǎn)化為熱能散失。理論上，各零部件接觸面均應(yīng)完全貼合，形成剛性連接，彼此之間不存在相對(duì)位移。但實(shí)際操作過(guò)程中，因加工精度等原因，換能器與變幅桿工具頭等接觸面都會(huì)存在一定的間隙，不可能完全貼合形成一體，所以在高頻振動(dòng)情況下，各接觸面均會(huì)產(chǎn)生一定的相對(duì)微位移摩擦，而使振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能散失掉。該問(wèn)題暫無(wú)法完全避免，只有通過(guò)提高接觸面加工精度、連接預(yù)緊力等減少摩擦生熱的程度。

（3）避免振動(dòng)子實(shí)際工作振型為非理論設(shè)計(jì)振型。為保證超聲作功的效果，振動(dòng)子尤其是工具頭的振型，一般都被設(shè)計(jì)為沿軸向逐層分布，但在實(shí)際操作中，因沖擊、載荷、約束、溫度等因素的干擾，實(shí)際工作的諧振頻率與理論設(shè)計(jì)的諧振頻率往往存在誤差[12]，振型也會(huì)隨之變化（比如連續(xù)環(huán)繞型圓圈狀、間斷性扇形分布狀等），雖也可起到一定的減小摩擦效果，但工具頭端面并非振幅最大處，不能達(dá)到最佳減摩狀態(tài)，所以在后續(xù)試驗(yàn)中，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)振動(dòng)子工作中的實(shí)時(shí)振型進(jìn)行監(jiān)測(cè)調(diào)整。