朱正德

（上海大眾動(dòng)力總成有限公司，上海 201807）

0 引言

過盈配合廣泛用于機(jī)械、動(dòng)力制造領(lǐng)域，在極大多數(shù)情況下，壓裝是實(shí)現(xiàn)過盈連接的主要工藝手段。一般說(shuō)來(lái)，壓裝質(zhì)量強(qiáng)調(diào)的是所形成的過盈連接的實(shí)物質(zhì)量，如在工況下的可靠性、即抵御兩配合零件脫離的能力。由于配合狀態(tài)將會(huì)對(duì)產(chǎn)品的裝配質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，故必須對(duì)零件之間的結(jié)合力進(jìn)行監(jiān)控。本文將以發(fā)動(dòng)機(jī)連桿小頭孔與襯套配合為例，對(duì)于批量生產(chǎn)情況下，企業(yè)如何有效監(jiān)控其壓裝質(zhì)量進(jìn)行了較深人的探討。

1 過盈連接的壓裝質(zhì)量與關(guān)鍵控制變量

本文所研究的對(duì)象是某系列小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿（見圖1）小頭孔與襯套組合，其孔徑尺寸為φ21.015±0.015，合金材質(zhì)且覆蓋涂層的襯套的外徑為φ21.055～φ21.095，初始過盈量為0.025～0.095mm。在連桿的產(chǎn)品圖紙上清楚地列出了技術(shù)條件，即：襯套的最大壓出力S0必須達(dá)到：S0≥2500N。顯然，襯套的最大壓出力S0就是評(píng)價(jià)該組件過盈連接壓裝質(zhì)量的關(guān)鍵控制變量。至于為了更有效地保證實(shí)物的連接質(zhì)量，在某些高性能的壓裝設(shè)備中所設(shè)置的壓人力監(jiān)控環(huán)節(jié)，雖然也是通過檢測(cè)某項(xiàng)相關(guān)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裝工藝過程的監(jiān)控，但這個(gè)參數(shù)不能稱作關(guān)鍵控制變量，只是藉此以更有效地提升連桿小頭襯套的壓裝質(zhì)量。

2 連桿小頭孔襯套壓裝的機(jī)理分析

圖1 已在右端小頭孔中壓人襯套的連桿

為了驗(yàn)證連桿襯套的壓裝質(zhì)量，首先需考察襯套的壓人、壓出過程。材料力學(xué)和實(shí)踐的結(jié)果告知，由連桿小頭孔和襯套的過盈配合所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力（也稱裝配應(yīng)力）P0取決于過盈量e和兩配合件的彈性模量E等物理量，且與e成線性關(guān)系。鑒于除過盈量外，其他參量都可視作常數(shù)，故有

式中，k為比例常數(shù)，與壓裝相關(guān)的壓人、壓出力及配合面間的摩擦系數(shù)f和接觸面積S 直接有關(guān)。其實(shí)，作為零件間結(jié)合力表征的壓人、壓出力在本質(zhì)上就是襯套與小頭孔之間的摩擦力Ff，可以寫作

式中，S＝π Dh；D為小頭孔的孔徑；h 為壓人（出）量。設(shè)H為連桿小頭區(qū)的高度，則當(dāng)襯套完全壓人工件小頭孔時(shí)所受到的最大摩擦力F0應(yīng)為

式中，Sm為配合面的總面積，把式（1）代人式（3）：

對(duì)同一系列發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿而言，無(wú)論材料還是幾何尺寸都可以認(rèn)為是常量，因此軸向摩擦力與過盈量之間的關(guān)系式（4）可簡(jiǎn)化成：F0＝K·e，K為包含了一些與配合相關(guān)要素的比例常數(shù)。

現(xiàn)今一些先進(jìn)的專用壓裝設(shè)備都已具有壓力、位移的實(shí)時(shí)檢測(cè)功能并能顯示、存儲(chǔ)壓裝過程中的位移壓力曲線。從每條曲線所反映的每一次襯套壓人連桿小頭孔的過程來(lái)看，由于此時(shí)過盈量e是定值，因此軸向摩擦力，即此時(shí)的壓人力Ff應(yīng)如式（2）所示：

式中，K′為常數(shù)，h 為壓人量，式（5）表明：壓人力Ff與h 成線性關(guān)系。

圖2 是擷取自某種專用壓裝設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的一條位移壓力曲線，實(shí)時(shí)表述了襯套壓人連桿小頭孔時(shí)的壓人力變化形態(tài)，也驗(yàn)證了前面對(duì)壓裝過程中兩者近似地呈現(xiàn)線性關(guān)系的分析。圖2中，連桿的高度，即小頭孔的H＝17mm。從圖2 中還可見，當(dāng)襯套完全壓人小頭孔時(shí)所達(dá)到的壓人力為最大，由前面分析可知，即這′ 軸向摩擦力為最大值F0。

圖2 壓裝過程中的位移壓力曲線

2 壓裝質(zhì)量的驗(yàn)證與關(guān)鍵控制變量的F0確認(rèn)

為了驗(yàn)證組件的壓裝質(zhì)量，需通過襯套壓出實(shí)驗(yàn)以確認(rèn)最大壓出力，即由過盈配合所決定的軸向摩擦力最大值F0這一關(guān)鍵控制變量是否符合要求。不同于前述的壓人操作所呈現(xiàn)的單向變化趨勢(shì)，即壓人力如圖2 顯示的由0 近似地線性升至F0。實(shí)驗(yàn)表明，襯套的壓出過程將經(jīng)歷一個(gè)加載時(shí)段，即“頂出相持階段”，只有等到當(dāng)壓出力達(dá)到最大摩擦力F0后，才真正進(jìn)人壓出階段，圖3 是試驗(yàn)的位移壓力曲線圖，從顯示的二個(gè)實(shí)例中，可以清楚地看出兩曲線c1、c2 是由a 和b兩部分組成的，當(dāng)加載時(shí)段a 達(dá)到最高點(diǎn)，即圖中的lp1和lp2時(shí)，就將轉(zhuǎn)人壓出階段，之后隨著襯套壓出量的增加，襯套與小頭孔的接觸面積不斷減小，壓出力也不斷減小，直至襯套完全被壓出時(shí)其值降為零。這一過程其實(shí)是圖1 壓裝工序的逆操作，而在處于頂點(diǎn)lp1和lp2時(shí)，襯套所受到頂（壓）出力則相當(dāng)于過盈配合組件的最大軸向摩擦力F0。顯然，對(duì)壓裝質(zhì)量和關(guān)鍵控制變量F0符合性的驗(yàn)證將只取決于壓出試驗(yàn)中的加載時(shí)段。至于用作襯套壓出實(shí)驗(yàn)的專用設(shè)備，乃是一臺(tái)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)配上了專用夾具和控制軟件后再提供給用戶的（見圖4）。

圖3 壓出試驗(yàn)中的位移壓力曲線

圖4 實(shí)施連桿小頭孔襯套壓出力測(cè)試的專用設(shè)備

由反映襯套壓出試驗(yàn)的加載時(shí)段、即“頂出相持”狀態(tài)的曲線a1表明（見圖3），隨著頂出位移量l的增加，作用在襯套上端面的力F′迅速加大，但襯套在小頭孔中卻紋絲不動(dòng)，這是由于其過盈配合產(chǎn)生的軸向摩擦力F0大于在實(shí)驗(yàn)中施加在襯套上的頂出力F′的緣故。加載的原理是隨著固定在試驗(yàn)機(jī)中部的壓頭接觸襯套端面后頂出位移量l的增加，由機(jī)器橫梁繞曲變形而產(chǎn)生的作用力F′也在增大。在F′﹤F0時(shí)，上述位移、壓力仍呈理想的彈性變形，若此時(shí)卸載，連桿小頭區(qū)的狀態(tài)與試驗(yàn)前完全一樣，且形成的關(guān)系曲線也是一理想直線。據(jù)此，就有：

式中，Km為常數(shù)，取決于試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)壓出力F′增大到等于F0，即F′＝F0時(shí)，設(shè)此刻的位移量為lp，于是式（6）可寫成：F0＝Km·lp。在本文第二節(jié)過盈連接機(jī)理分析中曾指出，在軸向摩擦力F0與過盈量e之間存在如下關(guān)系：F0＝K·e。K是比例常數(shù)，由接觸面積、摩擦系數(shù)等因素決定。因此可獲得如下關(guān)系：

把式（7）代人式（6），可得到：

式中K、lp和e都是定值，但該線性段a 的斜率還反映了另一個(gè)重要的信息，那就是襯套壓出過程中，加載時(shí)段的壓出力F′和位移量l間的線性段a 的狀態(tài)與過盈量e有關(guān)，e越大，斜率Km也越大，出現(xiàn)在圖3 中的直線段a，也就是實(shí)際所呈現(xiàn)的a1和a2將會(huì)更陡。雖然從技術(shù)上可以通過把襯套完全壓出的方式，再根據(jù)此時(shí)壓出力所達(dá)到最大值時(shí)所求得的F0來(lái)判斷是否F0﹥2500N，但這種做法有諸多缺點(diǎn)：（1）從圖3 所示的曲線可見，為完成一次試驗(yàn)，壓頭將往返較長(zhǎng)距離，耗時(shí)也多；（2）襯套從連桿小頭孔中壓出后，由于兩者接觸表面的狀態(tài)已發(fā)生變化，無(wú)法再重新利用；（3）此時(shí)，執(zhí)行測(cè)試的試驗(yàn)機(jī)的加載負(fù)荷必須達(dá)到15kN甚至20kN，但在企業(yè)實(shí)驗(yàn)室日益專業(yè)化的趨勢(shì)下，必然會(huì)導(dǎo)致資源利用率偏低。

合理的測(cè)試方法是：鑒別襯套壓出試驗(yàn)的加載時(shí)段表明（見圖3），壓出力F′隨著加載位移l的增大而增大，在達(dá)到配合間的最大摩擦力F0，即圖中二條試驗(yàn)曲線的最高點(diǎn)lp1和lp2之前均如此。因而只要在驗(yàn)證試驗(yàn)中先設(shè)置一個(gè)位移量l，若獲得的對(duì)應(yīng)小于2.5kN，則再取l2（l2﹥l1），假如試驗(yàn)后得到的大于2.5kN，試驗(yàn)完成，否則就再繼續(xù)，直至′﹥2.5kN。反之，若加載時(shí)段結(jié)束，試驗(yàn)將進(jìn)人壓出階段時(shí)，F(xiàn)′仍小于2.5kN，則表明該組件的過盈配合不合格。事實(shí)證明，上述方法效率很高，往往經(jīng)過2～3 次的設(shè)置就能得到結(jié)果，而且，選用設(shè)備的負(fù)荷僅為5kN，因此在資源配置上也更加合理。實(shí)踐中，摸索出的經(jīng)驗(yàn)表明，在配合狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，首次加載位移只需設(shè)置在0.8～1.0mm即可，圖5 是一張典型的測(cè)試報(bào)告，由于此時(shí)兩小頭孔與襯套間的過盈量較大，在設(shè)置的位移量l＝0.65mm時(shí)，F(xiàn)′已超過3kN。

圖5 一張典型的壓出力、位移測(cè)試報(bào)告

3 強(qiáng)化生產(chǎn)過程監(jiān)控,提升壓裝質(zhì)量水平

以上對(duì)關(guān)鍵控制變量F0的檢測(cè)評(píng)價(jià)，從本質(zhì)上來(lái)講是一種事后檢驗(yàn)，為了提升連桿小頭孔襯套壓裝的質(zhì)量水平，還需要強(qiáng)化對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以有效提高產(chǎn)品的合格率，它包含以下3 項(xiàng)可行方法：（1）襯套是外購(gòu)件，需確保其供貨′ 材質(zhì)和制造質(zhì)量，尤其是其外徑尺寸，必須符合要求；（2）在連桿小頭孔精加工工序中應(yīng)用了統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）的方法；（3）在小頭孔、襯套壓裝工序中，設(shè)置合理的壓人力監(jiān)控窗口。

3.1 襯套外徑尺寸的受控

襯套為一厚度僅1.2mm的開口薄壁結(jié)構(gòu)件，縫隙寬度要求≤0.8mm，確定其外徑尺寸的前提是開口需在外力作用下處于閉合狀態(tài)。如前面第1 節(jié)所述，外徑尺寸的控制范圍為21.055～21.095mm?，F(xiàn)今，在總成廠與外購(gòu)件供貨企業(yè)加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)管的情況下，襯套的制造質(zhì)量不僅有了保證，而且相當(dāng)穩(wěn)定，就以其外徑尺寸來(lái)講，一般都可以控制在21.06～21.09mm之間。這就為之后的壓裝打下了較好的基礎(chǔ)。

3.2 SPC在小頭孔精鏜工序中的應(yīng)用

壓裝′ 連桿小頭孔經(jīng)最后一道精鏜加工，其內(nèi)孔尺寸決定了與襯套配合時(shí)的過盈量，故控制這項(xiàng)參數(shù)對(duì)保證兩者的壓裝質(zhì)量關(guān)系重大。為此，所配備的線外檢測(cè)裝置具有進(jìn)行SPC的統(tǒng)計(jì)分析功能，以確保了精鏜加工工序的運(yùn)行始終處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)，并保證了過程能力指數(shù)Cp、Cpk的值都控制在1.33 或更高，事實(shí)上經(jīng)精鏜后的連桿小頭孔的尺寸分散性是相當(dāng)小的。在進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)時(shí)，曾從生產(chǎn)線精鏜工位任思調(diào)看了數(shù)十個(gè)按定時(shí)方式抽取工件的實(shí)測(cè)值，其孔徑范圍在 21.010～21.026mm之間。

3.3 監(jiān)控窗口在小頭孔、襯套壓裝工序的預(yù)警作用

前一節(jié)提到的用于壓裝設(shè)備的所具有壓力、位移測(cè)量功能是利用隨機(jī)儀表完成的，屬100%的實(shí)時(shí)檢測(cè)。因此，采用了與SPC不同的監(jiān)控方式，即在壓裝設(shè)備控制系統(tǒng)中設(shè)置合理的壓人力監(jiān)控窗口，通過發(fā)出預(yù)警信號(hào)來(lái)實(shí)施對(duì)該過程的有效控制。窗口的上、下限是根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定的，并可及時(shí)調(diào)整。本案例中的企業(yè)有二條生產(chǎn)線，所設(shè)置窗口的下限值為4～6kN，上限值為1.4～1.6kN，這在圖2 中能清晰地見到。壓人力，即最大軸向摩擦力乃是形成過盈配合諸多環(huán)節(jié)的綜合反映。事實(shí)表明，在采取了種種措施后，襯套壓人力的分散性可控制在一個(gè)相當(dāng)小的范圍內(nèi)，可靠性很高。圖6是根據(jù)連續(xù)讀取了200 件樣本后利用軟件做的統(tǒng)計(jì)分析，其中壓人力介于10.4～12.4kN之間的占了80%以上。

圖6 對(duì)襯套壓人力抽樣后的統(tǒng)計(jì)分析一例

4 對(duì)備監(jiān)測(cè)、控制變量相關(guān)性的驗(yàn)證

理論上，以上對(duì)于壓裝過程和壓出試驗(yàn)的分析中所涉及到的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)、控制變量之間均應(yīng)為線性關(guān)系，但客觀情況是存在著一些特殊情況，如嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，過盈配合后內(nèi)、外兩工件的接觸面已不再是光滑的，而是由交替凹槽和凸起條組成，故過盈量、摩擦系數(shù)和壓出（人）力之間雖成正比，但存在一定的偏差。加之在批量生產(chǎn)條件下的試驗(yàn)，決定了孔、套配合尺寸的取值只可能是個(gè)受控的范圍，不可能是精確值，故此處采用了“呈現(xiàn)正相關(guān)”一詞來(lái)表述，不過這也更符合、貼近真實(shí)情況。

最后，將通過一次專門設(shè)計(jì)的試驗(yàn)，對(duì)上述各變量間存在的正相關(guān)做進(jìn)一步驗(yàn)證，方案是利用在一條穩(wěn)定、正常生產(chǎn)的連桿線的精鏜工位，有思識(shí)地進(jìn)行三次“鏜刀”的向外調(diào)整。以使加工出的連桿小頭孔尺寸，較穩(wěn)定的常態(tài)分別大了0.02、0.03和0.05mm（指外徑方向）。試驗(yàn)結(jié)果見表1，表中“過盈量e”一項(xiàng)是取可能涉及范圍的60%左右。如，在“正?！睜顟B(tài)下，孔：21.010～21.026，套：21.06～21.09，e的范圍在0.017～0.04，此處在評(píng)估時(shí)取e為0.025～0.035。

表1 的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證說(shuō)明了以下2 點(diǎn)：

1）盡管不是（也難以通過實(shí)驗(yàn)證明）它們之間精確的線性關(guān)系，但這些變量之間存在著強(qiáng)正相關(guān)則是清楚的。由此也證明本文前面闡述的，利用在襯套壓出試驗(yàn)中加載階段的形態(tài)，通過檢測(cè)即時(shí)壓出力F′的方式，以確認(rèn)壓裝質(zhì)量中的關(guān)鍵控制變量F0，乃是完全可行的。

表1 監(jiān)測(cè)、控制變量相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2）設(shè)置壓裝設(shè)備中壓人力窗口的界限，也在一定程度上監(jiān)控了前道工序的可靠性水平。從表1 可見，當(dāng)出現(xiàn)精鏜后的小頭孔尺寸超差時(shí)，壓裝結(jié)果不一定顯示F0超差，但由于監(jiān)控窗口的下限一般設(shè)定在4～6kN，故還是會(huì)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提醒有關(guān)人員及時(shí)查找原因，起到了防患于未然的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過發(fā)動(dòng)機(jī)連桿小頭孔、襯套之間過盈配合這一具體案例，分析了壓裝過程的機(jī)理，就批量生產(chǎn)情況下，企業(yè)如何有效監(jiān)控其壓裝質(zhì)量進(jìn)行了較深人的探討，提出了以壓出力作為關(guān)鍵控制變量的思想。文章指出，為了確保“壓出力”這一關(guān)鍵控制變量符合要求，必須建立合適的測(cè)試方法，并對(duì)涉及壓裝質(zhì)量的各個(gè)環(huán)節(jié)和過程，擬定具有針對(duì)性的監(jiān)控方式。