裝配分解工裝基于仿真的優化設計及同步擰緊裝置

夏 敏，杜 松

（中國航發南方工業有限公司，湖南 株洲 412002）

1 概述

航空發動機由數萬個零部件組裝而成，裝配時先把零部件組裝成若干單元體，比如風扇主單元體、核心機主單元體、低壓渦輪主單元體，最終由各單元體組合裝配，每個單元體上有多個組件體組成，為驗證各單元體的裝配工藝性，需進行對單元體上的組件模擬件進行裝配驗證。以環形管路盤組件的分解為對象，針對其結構特點設計分解工裝并設計一種同步擰緊裝置，解決傳統方法利用一個或多個頂絲螺釘進行分解的裝配速度慢、效率低的裝配問題。

2 產品結構及工裝使用狀態

在發動機轉子組件試驗件裝配過程中需要將環形管路盤從主級盤上進行分解，全使用狀態如圖1所示。

圖1 產品及工裝使用狀態示意圖

原工藝方案分析。如圖1所示，原裝配工裝工藝方案將B處設為著力部位，此位置在中心軸內側，而分解位置在中心軸外側有悖分解工裝的設計原則;由于著力位置區域厚度僅有2.2mm實施分解操作時會導致環形管路盤組件變形。現分解工裝將A處設為著力位置，環形管路盤組件著力部位直線段僅0.4，且著力位置沿周有多處環形管路盤障礙物，但著力位置靠近分解位置，工裝實現分解可行性高。經上述分析后選擇B處作為著力點來實現分解裝配。

分解工裝采用多個頂絲分離的方法，實現分解環形管路盤組件的功能。但多個頂絲螺釘不能同步施力，裝配工需按順序（1，2…）逐一旋合頂絲螺釘，每個頂絲螺釘向下旋合的圈數無法精確控制，操作時需反復調節頂絲旋合圈數至近似均勻狀態，增大操作難度，降低了工作效率。

3 頂絲螺釘的強度校核計算

3.1 分解部位壓出力計算

環形管路盤組件與主級盤產品材料為GH4169，組裝方式過盈配合，過盈量0.05,壓出力Pxe計算如下：

壓出力Pxe約為壓入力Pxi的1.3-1.5倍，故壓出力Pxe=1.50.30.5噸

式中：[δmax]——最大過盈量，mm；df——結合直徑，mm；CaCi——包容件和被包容件比值系數；EaEi——包容件和被包容件材料的彈性模量，查表EaEi為199.9GPa；lf——結合高度，mm。

3.2 頂絲螺釘承載力的計算

頂絲螺釘采用梯形螺紋，材料40Cr，單個螺釘承載力如下：

式中：?s——材料的屈服極限，MPa;

A——梯形螺紋底徑截面積，mm2

綜上所述，此裝配工裝設計4個頂絲螺釘所產生的承載力足以克服分解部位的壓出力。

4 頂絲螺釘及隨形拉鉤彈彈塑性仿真

4.1 仿真材料模型的建立

建立有限元模型是有限元分析中的基礎環節，具有重要作用，其直接影響著仿真結果的可靠性。有限元模型包括：幾何模型、材料、邊界條件等。在三維軟件中建立頂絲螺釘及仿形拉鉤模型，提取有效模具表面建立幾何模型，導入有限元軟件中，并建立板料幾何模型。

4.2 頂絲螺釘仿真分析

有限元模型中，頂絲螺釘網格采取的單元類型為幾何階次為二次的四面體網絡，對于應力集中問題，使用二次單元可以提高應力結果的精度，如圖3所示，模型全局網格大小為1.4mm，網格單元劃分越細化，得到的應力結果更精確。本文中的頂絲螺釘螺旋部分的有限元計算是未作出螺紋的三維模型而進行的計算，螺旋如作出螺紋，前處理計算工作量大，因此螺紋部位作簡化處理，在有限元分析軟件中只需要在接觸定義中設置跟實際螺紋形狀有關聯的參數，如螺距、螺栓小徑等就可得到足夠的精確的分析結果；劃分網格后，設置邊界條件及1250N/〖mm〗^2的載荷，提交分析后的作業可視化結果如圖2所示。

圖2 Mises應力變形云圖

圖3 結構優化前的Mises應力變形云圖

由應力變形動圖分析結果可見，一個頂絲螺釘的最大Mises應力為555MPa，小于變形材料的屈服強度，因此能夠實現工裝的分解功能。

4.3 隨形拉鉤的仿真分析及結構優化

隨形拉鉤采取的單元類型為幾何階次為二次的四面體網絡，將材料、邊界條件、載荷等都直接定義在幾何模型上并在應力集中部位進行網絡細化，以保證計算精度，節省計算時間。

隨形拉鉤在有限元分析過程中不斷出現錯誤信息，分析無法完成，經排查分析發現幾何部件是由UG模型導入的，導入的模型本身有問題，例如模型中有自由邊或很小的邊、面、尖角、縫隙等，種子布置得太稀疏，都會導致劃分網格失敗及分析報錯。

在分析過程中，要根據分析結果不斷地對幾何部件結構進行優化，在進行有限元分析后，發現此結構的最大變形數值已超過材料的屈服應力，無法實現工裝的使用功能，因此需對結構不斷地進行改進，如圖為改進后最終的隨形拉鉤結構，分析結果證明其最大變形值小于材料的屈服強度，因此4個隨形拉鉤可以克服0.5t的壓出力，可以實現分解裝配功能。

圖4 結構優化后的Mises應力變形云圖

5 同步擰緊裝置

如圖5所示，旋轉手柄通過傳動軸Ⅰ帶動主動輪旋轉，從而帶動4個從動齒輪同步與主動輪嚙合運動，經傳動軸Ⅱ帶動六方套筒實現同步運動。

圖5 同步擰緊裝置結構示意圖

與分解工裝配合使用時，將六方套筒套入頂絲螺釘通過上述描述操作實現4處頂絲螺釘同步向下旋合擰緊。

6 結論

利用隨形拉鉤與環形管路盤組件著力位置型面進行隨形貼合緊固，在沿周環形管路盤干涉位置作讓開處理，并用鎖環鎖緊，成功解決了著力位置短小而無法施力的難題。建立分解工裝關重件有限元仿真模型，分析了不同結構形式隨形拉鉤通過對比Mises應力變形云圖，最終確定合理結構形式。此裝配工裝操作方便，使用過程安全可靠，縮短裝配時間提高工作效率

同步擰緊裝置攻克了利用多個頂絲螺釘分解零部件時不能同步旋合的難題，為此類裝配提供成功經驗。