基于過盈配合裝配的零件結(jié)合力監(jiān)控

朱正德

（上海大眾動力總成有限公司，上海 201807）

0 引言

過盈配合廣泛用于機械、動力制造領(lǐng)域，在極大多數(shù)情況下，壓裝是實現(xiàn)過盈連接的主要工藝手段。一般說來，壓裝質(zhì)量強調(diào)的是所形成的過盈連接的實物質(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)將會對產(chǎn)品的裝配質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，故必須對零件之間的結(jié)合力進(jìn)行監(jiān)控。本文將以發(fā)動機連桿小頭孔與襯套配合為例，對于批量生產(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

本文所研究的對象是某系列小排量汽油發(fā)動機的連桿（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就是評價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)，雖然也是通過檢測某項相關(guān)參數(shù)來實現(xiàn)對壓裝工藝過程的監(jiān)控，但這個參數(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理分析

圖1 已在右端小頭孔中壓人襯套的連桿

為了驗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，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）：

對同一系列發(fā)動機的連桿而言，無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、位移的實時檢測功能并能顯示、存儲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看，由于此時過盈量e是定值，因此軸向摩擦力，即此時的壓人力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，實時表述了襯套壓人連桿小頭孔時的壓人力變化形態(tài)，也驗證了前面對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)量的驗證與關(guān)鍵控制變量的F0確認(rèn)

為了驗證組件的壓裝質(zhì)量，需通過襯套壓出實驗以確認(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，即壓人力如圖2 顯示的由0 近似地線性升至F0。實驗表明，襯套的壓出過程將經(jīng)歷一個加載時段，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 是試驗的位移壓力曲線圖，從顯示的二個實例中，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)加載時段a 達(dá)到最高點，即圖中的lp1和lp2時，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其值降為零。這一過程其實是圖1 壓裝工序的逆操作，而在處于頂點lp1和lp2時，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，對壓裝質(zhì)量和關(guān)鍵控制變量F0符合性的驗證將只取決于壓出試驗中的加載時段。至于用作襯套壓出實驗的專用設(shè)備，乃是一臺萬能材料試驗機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 壓出試驗中的位移壓力曲線

圖4 實施連桿小頭孔襯套壓出力測試的專用設(shè)備

由反映襯套壓出試驗的加載時段、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，這是由于其過盈配合產(chǎn)生的軸向摩擦力F0大于在實驗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機中部的壓頭接觸襯套端面后頂出位移量l的增加，由機器橫梁繞曲變形而產(chǎn)生的作用力F′也在增大。在F′﹤F0時，上述位移、壓力仍呈理想的彈性變形，若此時卸載，連桿小頭區(qū)的狀態(tài)與試驗前完全一樣，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)，取決于試驗機的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)壓出力F′增大到等于F0，即F′＝F0時，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重要的信息，那就是襯套壓出過程中，加載時段的壓出力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，也就是實際所呈現(xiàn)的a1和a2將會更陡。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)此時壓出力所達(dá)到最大值時所求得的F0來判斷是否F0﹥2500N，但這種做法有諸多缺點：（1）從圖3 所示的曲線可見，為完成一次試驗，壓頭將往返較長距離，耗時也多；（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，無法再重新利用；（3）此時，執(zhí)行測試的試驗機的加載負(fù)荷必須達(dá)到15kN甚至20kN，但在企業(yè)實驗室日益專業(yè)化的趨勢下，必然會導(dǎo)致資源利用率偏低。

合理的測試方法是：鑒別襯套壓出試驗的加載時段表明（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，即圖中二條試驗曲線的最高點lp1和lp2之前均如此。因而只要在驗證試驗中先設(shè)置一個位移量l，若獲得的對應(yīng)小于2.5kN，則再取l2（l2﹥l1），假如試驗后得到的大于2.5kN，試驗完成，否則就再繼續(xù)，直至′﹥2.5kN。反之，若加載時段結(jié)束，試驗將進(jìn)人壓出階段時，F(xiàn)′仍小于2.5kN，則表明該組件的過盈配合不合格。事實證明，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。實踐中，摸索出的經(jīng)驗表明，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 是一張典型的測試報告，由于此時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，F(xiàn)′已超過3kN。

圖5 一張典型的壓出力、位移測試報告

3 強化生產(chǎn)過程監(jiān)控,提升壓裝質(zhì)量水平

以上對關(guān)鍵控制變量F0的檢測評價，從本質(zhì)上來講是一種事后檢驗，為了提升連桿小頭孔襯套壓裝的質(zhì)量水平，還需要強化對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控，以有效提高產(chǎn)品的合格率，它包含以下3 項可行方法：（1）襯套是外購件，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，在總成廠與外購件供貨企業(yè)加強質(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的過盈量，故控制這項參數(shù)對保證兩者的壓裝質(zhì)量關(guān)系重大。為此，所配備的線外檢測裝置具有進(jìn)行SPC的統(tǒng)計分析功能，以確保了精鏜加工工序的運行始終處于統(tǒng)計控制狀態(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)試驗時，曾從生產(chǎn)線精鏜工位任思調(diào)看了數(shù)十個按定時方式抽取工件的實測值，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、位移測量功能是利用隨機儀表完成的，屬100%的實時檢測。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)警信號來實施對該過程的有效控制。窗口的上、下限是根據(jù)實際情況設(shè)定的，并可及時調(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)計分析，其中壓人力介于10.4～12.4kN之間的占了80%以上。

圖6 對襯套壓人力抽樣后的統(tǒng)計分析一例

4 對備監(jiān)測、控制變量相關(guān)性的驗證

理論上，以上對于壓裝過程和壓出試驗的分析中所涉及到的各項監(jiān)測、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)格的實驗結(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，決定了孔、套配合尺寸的取值只可能是個受控的范圍，不可能是精確值，故此處采用了“呈現(xiàn)正相關(guān)”一詞來表述，不過這也更符合、貼近真實情況。

最后，將通過一次專門設(shè)計的試驗，對上述各變量間存在的正相關(guān)做進(jìn)一步驗證，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）。試驗結(jié)果見表1，表中“過盈量e”一項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，此處在評估時取e為0.025～0.035。

表1 的實驗驗證說明了以下2 點：

1）盡管不是（也難以通過實驗證明）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中加載階段的形態(tài)，通過檢測即時壓出力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、控制變量相關(guān)性的實驗驗證

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，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，故還是會發(fā)出預(yù)警信號，提醒有關(guān)人員及時查找原因，起到了防患于未然的作用。

5 結(jié)束語

本文通過發(fā)動機連桿小頭孔、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?！皦撼隽Α边@一關(guān)鍵控制變量符合要求，必須建立合適的測試方法，并對涉及壓裝質(zhì)量的各個環(huán)節(jié)和過程，擬定具有針對性的監(jiān)控方式。