應(yīng)用田口方法優(yōu)化扭桿彈簧工藝提高疲勞壽命

杜　勤，張　渠，李　寧，焦晶晶，馬增敏

(北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072)

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應(yīng)用田口方法優(yōu)化扭桿彈簧工藝提高疲勞壽命

杜勤，張渠，李寧，焦晶晶，馬增敏

(北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072)

摘要：扭桿彈簧疲勞壽命是車輛制造過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一。采用田口的參數(shù)設(shè)計(jì)思想，以扭桿彈簧預(yù)處理和終處理過(guò)程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)為研究對(duì)象，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)加工工藝參數(shù)使得以扭桿彈簧的疲勞壽命達(dá)到4.5萬(wàn)次。重點(diǎn)介紹了采用田口方法優(yōu)化扭桿彈簧的加工制作過(guò)程，獲得了扭桿彈簧的最佳加工工藝，提高了其疲勞壽命。

關(guān)鍵詞：扭桿彈簧；工藝優(yōu)化；田口方法；疲勞壽命

扭桿彈簧是車輛的重要行動(dòng)部件，在實(shí)際使用過(guò)程中承受單次或交替的扭轉(zhuǎn)載荷作用，其主要的失效形式為疲勞斷裂，它的斷裂將導(dǎo)致整個(gè)車輛的癱瘓。田口方法是日本著名質(zhì)量管理專家田口玄一將質(zhì)量管理、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和經(jīng)濟(jì)學(xué)與工程技術(shù)結(jié)合創(chuàng)立的一種方法，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，找出性能最穩(wěn)定、最可靠和成本最低廉的設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合效果[1-5]。

基于田口的穩(wěn)健設(shè)計(jì)思想，將扭桿彈簧加工處理過(guò)程中影響其疲勞壽命的關(guān)鍵參數(shù)作為可控因素，扭桿彈簧疲勞壽命作為望大特性進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行優(yōu)化與驗(yàn)證，從而獲得最佳的優(yōu)化參數(shù)組合和加工工藝，以提高扭桿彈簧疲勞壽命。

1影響扭桿彈簧疲勞壽命的關(guān)鍵因素

多年來(lái)，通過(guò)對(duì)失效扭桿彈簧機(jī)理綜合分析，從其加工制作的眾多參數(shù)中找出了影響其疲勞壽命的關(guān)鍵因素，有退火加熱溫度、冷卻溫度、保溫時(shí)間、冷打花鍵處的表面粗糙度、冷打速度、淬火和回火溫度、保溫時(shí)間、預(yù)扭角、預(yù)扭速度、輥壓力和輥壓速度。

2應(yīng)用田口方法優(yōu)化工藝

針對(duì)上述影響因素所處的工藝路線的不同階段，將優(yōu)化設(shè)計(jì)分為預(yù)處理階段和終處理階段。預(yù)處理階段包括退火保溫時(shí)間、冷打花鍵處的表面粗糙度及冷打速度；終處理階段包括淬火和回火溫度、保溫時(shí)間、預(yù)扭角、預(yù)扭速度、輥壓力及輥壓速度。

2.1扭桿彈簧預(yù)處理階段工藝優(yōu)化

2.1.1方案設(shè)計(jì)

預(yù)處理階段選擇的主要因素有保溫時(shí)間(A)、表面粗糙度(B)和花鍵冷打速度(C)，每個(gè)因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平，水平2為原工藝參數(shù)，水平1為原工藝參數(shù)的90%，水平3為原工藝參數(shù)的110%，預(yù)處理階段試驗(yàn)執(zhí)行方案L934。

2.1.2分析計(jì)算

應(yīng)用Minitab軟件分析計(jì)算疲勞壽命與預(yù)處理階段保溫時(shí)間(A)、表面粗糙度(B)、冷打速度(C)和誤差(e)的信噪比及均值響應(yīng)分別如圖1和圖2所示。

由上述信噪比和均值主效應(yīng)圖可確定預(yù)處理階段的最佳工藝為A3-B1-C1。

2.2扭桿彈簧終處理階段工藝優(yōu)化

2.2.1方案設(shè)計(jì)

圖1　預(yù)處理階段信噪比主效應(yīng)圖

圖2　預(yù)處理階段均值主效應(yīng)圖

1)花鍵區(qū)域參數(shù)設(shè)計(jì)?；ㄦI區(qū)域選擇的因素有淬火溫度(A)、回火溫度(B)、淬火時(shí)間(C)、回火時(shí)間(D)和輥壓力(J)，花鍵區(qū)域參數(shù)設(shè)計(jì)為5個(gè)因素，除淬火溫度是2個(gè)水平外，其他各因素為3個(gè)水平。每個(gè)因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平,水平2為原工藝參數(shù)，水平1為原工藝參數(shù)的90%，水平3為原工藝參數(shù)的110%，采用L18(21×37)混合正交表進(jìn)行分析。

2)光軸區(qū)域參數(shù)設(shè)計(jì)。光軸區(qū)域選擇的因素有淬火溫度(A)、回火溫度(B)、淬火時(shí)間(C)、 回火時(shí)間(D)、輥壓速度(E)、預(yù)扭角(F)、預(yù)扭速率(G)和輥壓力(H)，光軸區(qū)域參數(shù)設(shè)計(jì)為8個(gè)因素，除淬火溫度是2個(gè)水平外，其他各因素為3個(gè)水平。每個(gè)因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平,水平2為原工藝參數(shù)，水平1為原工藝參數(shù)的90%，水平3為原工藝參數(shù)的110%，采用L18(21×37)混合正交表進(jìn)行分析。

2.2.2分析計(jì)算

1)花鍵區(qū)域參數(shù)優(yōu)化。應(yīng)用田口Minitab軟件計(jì)算花鍵區(qū)域疲勞壽命的信噪比與淬火溫度(A)、回火溫度(B)、淬火時(shí)間(C)、回火時(shí)間(D)和輥壓力(J)之間的均值，均值主效應(yīng)圖如圖3所示。

由花鍵區(qū)域疲勞壽命的均值主效應(yīng)圖得出花鍵區(qū)域參數(shù)為A1-B1-C1-D3-J2。

2)光軸區(qū)域參數(shù)優(yōu)化。應(yīng)用田口分析軟件Minitab計(jì)算光軸區(qū)域軸向樣品疲勞壽命的信噪比與淬火溫度(A)、回火溫度(B)、淬火時(shí)間(C)、回火時(shí)間(D)、輥壓速度(E)、預(yù)扭角(F)、預(yù)扭速率(G)和輥壓力(H)之間的均值，均值主效應(yīng)圖如圖4所示。

由光軸區(qū)域軸向樣品疲勞壽命的均值主效應(yīng)圖得出光軸區(qū)域優(yōu)化工藝參數(shù)為A1-B13-C123-D23-E2-F3-G123-h1。

應(yīng)用田口分析軟件Minitab計(jì)算光軸區(qū)域周向樣品疲勞壽命N1、N2和N3與淬火溫度(A)、回火溫度(B)、淬火時(shí)間(C)、回火時(shí)間(D)、輥壓速度(E)、預(yù)扭角(F)、預(yù)扭速率(G)、輥壓力(H)之間的信噪比和均值，均值主效應(yīng)圖如圖5所示。

由光軸區(qū)域周向樣品疲勞壽命的均值主效應(yīng)圖得出光軸區(qū)域參數(shù)設(shè)計(jì)為A12-B13-C1-D13-E1-F13-G1-h1。

圖3　花鍵區(qū)域信噪比均值主效應(yīng)圖

圖4　光軸區(qū)域軸向樣品疲勞壽命的信噪比均值主效應(yīng)圖

圖5　光軸區(qū)域周向樣品疲勞壽命的信噪比均值主效應(yīng)圖

3綜合平衡扭桿彈簧終處理的最佳工藝參數(shù)

綜合花鍵區(qū)域疲勞壽命、光軸區(qū)域軸向樣品和光軸區(qū)域周向樣品得出扭桿彈簧最佳工藝參數(shù)為：1)預(yù)處理階段為A3-B1-C1；2)終處理階段為A1-B1-C1-D3-E1-F3-G1-h1-J2。

4驗(yàn)證試驗(yàn)

應(yīng)用優(yōu)化出的工藝加工扭桿彈簧并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，疲勞壽命均超過(guò)了原設(shè)計(jì)的4.5萬(wàn)次。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)項(xiàng)目的研究，從田口方法中的各控制因素中可以看出，扭桿彈簧的熱處理工藝參數(shù)、預(yù)扭角度、扭轉(zhuǎn)速度以及輥壓力對(duì)扭桿彈簧的疲勞壽命起到了至關(guān)重要的作用；應(yīng)用田口方法確定的最佳工藝加工的扭桿彈簧疲勞壽命被大幅提高；同時(shí)可以看出，對(duì)于參數(shù)的選擇并不是越大越好，當(dāng)在一個(gè)適當(dāng)?shù)膮?shù)值時(shí)，加工獲得的扭桿彈簧可以達(dá)到最佳的疲勞壽命。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯鄭練

Application of Taguchi Method Optimization Process to Improve the Fatigue Life of Torsion Bar Spring

DU Qin, ZHANG Qu, LI Ning, JIAO Jingjing, MA Zengmin

(Beijing North Vehicle Group Corporation, Beijing 100072, China)

Abstract：Torsion bar spring fatigue life is one of the important elements of the vehicle manufacturing process. This research adopts the taguchi parameter design thought, with a torsional bar key process parameters in the process of pretreatment and final treatment as the research object. Through the optimization design process parameters, Achieve the fatigue life of torsion shaft in 45 000 times This study focuses on the application of the Taguchi method to optimize the process of manufacture torsion bar springs affecting the fatigue life of key parameters, and get the best processing technology torsion bar to improve its fatigue life.

Key words:torsion bar spring, optimization, taguchi method, fatigue life

收稿日期：2015-08-21

作者簡(jiǎn)介：杜勤(1965-)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事失效分析及理化檢測(cè)、無(wú)損探傷等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TG 142.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A