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(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116000)

0 引言

過(guò)盈連接是依靠裝配以后的過(guò)盈量來(lái)達(dá)到緊固連接的一種連接方法。過(guò)盈連接具有對(duì)中性好和承載能力強(qiáng)，并能承受一定的沖擊力等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域中。

過(guò)盈連接組件裝配方法主要有冷裝法、熱裝法、壓入法等。冷裝法和熱裝法是將過(guò)盈配合件的溫度降低或加熱到一定溫度，利用熱脹冷縮的原理，將零件按要求裝配到一起[1]。壓入法是利用壓力機(jī)產(chǎn)生的壓力，將過(guò)盈配合的零件裝配成一體[2]。冷裝法和熱裝法會(huì)導(dǎo)致零件精度、材料組織發(fā)生變化，影響其力學(xué)性能。對(duì)于精密過(guò)盈連接組件，一般由專用壓裝機(jī)進(jìn)行裝配。壓入式裝配過(guò)程中，組件間較大的摩擦力可能會(huì)導(dǎo)致磨損，最終造成組件過(guò)盈量損失，連接力降低[3]。在一些精密設(shè)備中，磨損產(chǎn)生的磨屑還會(huì)影響設(shè)備的性能。

超聲減摩效應(yīng)已經(jīng)應(yīng)用于多種加工領(lǐng)域，如超聲拔絲[4]、超聲銑削[5]等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲壓裝也進(jìn)行了相關(guān)研究。Laurenczy[6]等證明了工業(yè)生產(chǎn)條件下超聲壓裝的可行性，并發(fā)現(xiàn)超聲壓裝可以大幅度減小壓裝力和壓裝能耗。Shao Dongxiang[7]等將超聲振動(dòng)應(yīng)用于雙噴嘴擋板閥噴嘴的壓裝，減小了噴嘴和底座孔之間的爬行。許崇林[8]等研究了過(guò)盈連接組件超聲壓裝時(shí)過(guò)盈量對(duì)組件界面間摩擦力的影響規(guī)律，并證明了經(jīng)過(guò)超聲壓裝的零件相對(duì)于普通壓裝，其連接性能得到提高。

為了探索超聲壓裝過(guò)程中各工藝參數(shù)對(duì)界面間摩擦力的影響情況，本文以錫青銅材料的過(guò)盈連接組件為研究對(duì)象，建立有限元模型，探討過(guò)盈連接組件在超聲振動(dòng)沖擊影響下的摩擦力隨過(guò)盈量的變化情況，并將仿真獲得的過(guò)盈連接組件界面摩擦力，與相同工況下的實(shí)驗(yàn)測(cè)得值進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。然后基于該有限元模型，進(jìn)一步分析超聲壓裝過(guò)程中的振幅、頻率、壓裝速度和摩擦系數(shù)對(duì)軸和孔之間摩擦力的影響規(guī)律。

1 過(guò)盈組件超聲壓裝有限元仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 有限元分析前處理

如圖1所示為壓裝所用實(shí)驗(yàn)件和尺寸圖，軸上位于退刀槽下部的一段軸肩用于壓裝時(shí)對(duì)準(zhǔn)，筒上法蘭部位的通孔用于定位和安裝。選取的實(shí)驗(yàn)件過(guò)盈量分別為14 μm、17 μm、20 μm。首先使用Abaqus有限元軟件分析普通壓裝和超聲壓裝過(guò)程中，不同過(guò)盈量的過(guò)盈連接組件界面摩擦力的變化。本文以錫青銅(ZQSn5-5-5)材料的過(guò)盈連接組件為研究對(duì)象，其材料屬性如表1所示。由于壓頭、過(guò)盈連接組件均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此為了提高分析效率建立了如圖2所示的二維軸對(duì)稱有限元模型， 軸與套筒之間摩擦系數(shù)設(shè)定為0.116。將超聲壓頭設(shè)為剛體，與參考點(diǎn)R形成剛體約束，并根據(jù)超聲壓裝的實(shí)際工況在參考點(diǎn)R上施加式(1)所示的邊界條件。普通壓裝時(shí)，壓頭勻速運(yùn)動(dòng)，超聲壓裝時(shí)，壓頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是勻速運(yùn)動(dòng)和正弦振動(dòng)的疊加。最后提取軸和套筒之間的摩擦力。

圖1 實(shí)驗(yàn)零件

圖2 仿真模型

表1過(guò)盈連接組件材料屬性

y=-vmt-Asin(2πft)

(1)

式中：vm為正常下壓速度，t為壓裝時(shí)間，A為壓頭振幅，f為壓頭振動(dòng)頻率。

使用有限元模擬超聲壓裝時(shí)，將vm、A、f分別設(shè)定為0.4 mm/s、1.5 μm、20 kHz。模擬普通壓裝時(shí)，將壓頭振幅A設(shè)為0即可。

1.2 壓裝實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3，電機(jī)通過(guò)直線推桿帶動(dòng)移動(dòng)橫梁移動(dòng)，超聲換能裝置安裝在移動(dòng)橫梁上，隨著移動(dòng)橫梁作上下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。采用CL-YD-301壓電式傳感器測(cè)量摩擦力，通過(guò)高頻信號(hào)采集系統(tǒng)采集得到電壓信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到摩擦力測(cè)量結(jié)果。試驗(yàn)過(guò)程中，打開(kāi)超聲波發(fā)生器為超聲振動(dòng)輔助壓裝，關(guān)閉超聲波發(fā)生裝置則為正常壓裝，壓裝實(shí)驗(yàn)參數(shù)具體見(jiàn)表2。

表2壓裝實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖3 壓裝實(shí)驗(yàn)裝置

為了分析超聲振動(dòng)沖擊對(duì)壓裝過(guò)程中過(guò)盈連接組件界面摩擦力的影響，進(jìn)行了普通壓裝和超聲壓裝實(shí)驗(yàn)。研究普通壓裝和超聲壓裝條件下，不同過(guò)盈量的過(guò)盈連接組件界面摩擦力的變化，同時(shí)用于驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果。

1.3 仿真結(jié)果分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

首先分析過(guò)盈量對(duì)過(guò)盈連接組件在普通壓裝和超聲壓裝過(guò)程中界面摩擦力的影響，取過(guò)盈量為14 μm、17 μm、20 μm的過(guò)盈連接件各兩組，分別按照普通壓裝和超聲壓裝方案展開(kāi)實(shí)驗(yàn)。

如圖4所示為不同過(guò)盈量下普通壓裝和超聲壓裝摩擦力對(duì)比結(jié)果。普通壓裝提取5 s～10 s的摩擦力測(cè)量數(shù)據(jù)，超聲壓裝提取了7 s～8 s的摩擦力測(cè)量數(shù)據(jù)。從實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果得知，過(guò)盈量是14 μm、17 μm、20 μm，且壓裝時(shí)間為7.5 s時(shí)，超聲壓裝的平均摩擦力相對(duì)于普通壓裝分別減小了29.12%、23.00%、19.32%。過(guò)盈量越小，超聲振動(dòng)沖擊帶來(lái)的減摩效果越明顯。

圖4 不同過(guò)盈量的過(guò)盈組件壓裝過(guò)程中摩擦力的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

在有限元分析中，為了節(jié)約計(jì)算成本，在7.5 s附近的一段時(shí)間內(nèi)按照普通壓裝、超聲壓裝、普通壓裝的順序模擬了相同工況下的壓裝過(guò)程，其中施加超聲振動(dòng)0.0002 s。結(jié)果表明，當(dāng)在壓頭上施加超聲振動(dòng)時(shí)，平均摩擦力明顯減小，如圖5所示。圖6表示壓裝時(shí)間7.5 s時(shí)，不同過(guò)盈量過(guò)盈組件壓裝過(guò)程中摩擦力的仿真分析值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比。結(jié)果表明，仿真分析值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值基本一致，因此本文建立的有限元模型是合理的并且可以用于超聲壓裝過(guò)程的分析。

圖5 不同過(guò)盈量的過(guò)盈組件摩擦力仿真分析結(jié)果

圖6 摩擦力實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與仿真值對(duì)比

2 減摩率分析

過(guò)盈量是14 μm時(shí)的壓裝仿真分析結(jié)果如圖7，7.500113 s～8.500113 s施加超聲振動(dòng)。為了比較和分析超聲壓裝相對(duì)于普通壓裝的減摩效果，做如下定義：減摩率Rf=(f2-f1)/f2，摩擦力振幅Af=2×(f2-f1)，那么減摩率Rf=Af/(2f2)，其中f1是施加超聲振動(dòng)時(shí)摩擦力平均值，f2是振蕩前初始摩擦力。

圖7 摩擦力隨時(shí)間變化曲線

改變超聲壓裝參數(shù)，從仿真中提取數(shù)值，對(duì)減摩率分析如圖8-圖12。過(guò)盈連接組件超聲壓裝時(shí)，除振幅外，頻率、壓裝速度、過(guò)盈量、摩擦系數(shù)對(duì)摩擦力振幅Af的影響很小，頻率或者壓裝速度發(fā)生改變時(shí)，振蕩前初始摩擦力f2基本保持不變，所以減摩率不變，過(guò)盈量增加或者摩擦系數(shù)增加，振蕩前初始摩擦力f2增加，所以減摩率降低。壓頭振幅增加，摩擦力振幅Af增加，振蕩前初始摩擦力f2不變，所以減摩率增加。因此進(jìn)行超聲壓裝工藝設(shè)計(jì)時(shí)，過(guò)盈量較大時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)增加振幅或者降低材料表面粗糙度來(lái)提高減摩效果。

(頻率=20kHz，過(guò)盈量=0.014mm，壓裝速度=0.4mm/s，摩擦系數(shù)=0.116)圖8 振幅和減摩率關(guān)系分析曲線

(振幅=0.0015mm，過(guò)盈量=0.014mm，壓裝速度=0.4mm/s，摩擦系數(shù)=0.116)圖9 頻率和減摩率關(guān)系分析曲線

(振幅=0.0015mm，頻率=20kHz，過(guò)盈量=0.014mm，摩擦系數(shù)=0.116)圖10 壓裝速度和減摩率關(guān)系分析曲線

3 結(jié)論

通過(guò)有限元仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，分析了超聲振動(dòng)沖擊對(duì)不同過(guò)盈量的過(guò)盈連接組件界面摩擦力的影響。得出如下結(jié)果：

1)通過(guò)Abaqus軟件建立壓裝過(guò)程有限元模型，計(jì)算得到的摩擦力仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值近似，仿真分析能夠準(zhǔn)確地模擬真實(shí)的壓裝過(guò)程，有限元模型合理。

(振幅=0.0015mm，頻率=20kHz，壓裝速度=0.4mm/s，摩擦系數(shù)=0.116)圖11 過(guò)盈量和減摩率關(guān)系分析曲線

(振幅=0.0015mm，頻率=20kHz，過(guò)盈量=0.014mm，壓裝速=0.4mm/s)圖12 摩擦系數(shù)和減摩率關(guān)系分析曲線

2)超聲壓裝相對(duì)于普通壓裝摩擦力明顯降低，因此可以推斷組件磨損減小，連接性能提高。

3)過(guò)盈連接組件超聲壓裝時(shí)，壓頭振動(dòng)頻率和壓裝速度對(duì)減摩率無(wú)影響。一般引起摩擦力增大的因素(過(guò)盈量增加、摩擦系數(shù)增加)都會(huì)使減摩率降低。其它因素不變時(shí)，壓頭振幅增加，減摩率增加。