基于DOE渦輪增壓執(zhí)行器鉚接工藝優(yōu)化

夏 偉 陸志強(qiáng)

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 201804)

近些年來(lái)，渦輪增壓器作為一種節(jié)能、環(huán)保產(chǎn)品，由于可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣污染氣體排放量，降低燃油消耗等優(yōu)點(diǎn)，已成為乘用車和商用車主流配置。

作為渦輪增壓器主要的功能部件執(zhí)行器，其主要作用是當(dāng)增壓器過轉(zhuǎn)速工作時(shí)，推動(dòng)放氣閥門，對(duì)渦殼中的廢氣進(jìn)行分流排氣，從而保護(hù)渦輪增壓器不超常工作的一個(gè)產(chǎn)品，其產(chǎn)品質(zhì)量直接影響渦輪增壓器工作的可靠性。

渦輪增壓執(zhí)行器，其裝配制造工序?yàn)檠b配、鉚接、卷邊、測(cè)試等，而其中鉚接工序的質(zhì)量最為關(guān)鍵，其失效會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行器無(wú)法正常工作，進(jìn)而導(dǎo)致渦輪增壓器超過額定轉(zhuǎn)速，影響發(fā)動(dòng)機(jī)增壓工作。因此針對(duì)渦輪增壓執(zhí)行器鉚接工藝分析及優(yōu)化變得具有重要的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)踐意義。

執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)是金屬板件和橡膠墊的鉚接連接形成密封腔體，實(shí)現(xiàn)氣缸結(jié)構(gòu)推動(dòng)閥門開關(guān)，聯(lián)接方式以碾壓鉚接為主。碾壓鉚接技術(shù)比傳統(tǒng)鉚接技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)：鉚接質(zhì)量較高、鉚接所需鉚接力小、工作效率高、噪音少等；它既可用于有鉚釘?shù)你T接，也可以用于無(wú)鉚釘?shù)你T接，甚至可以聯(lián)接許多難鉚接材料[1]。目前國(guó)內(nèi)外的鉚接制造技術(shù)和設(shè)備比較成熟，例如國(guó)外Baltec、Henrob等，國(guó)內(nèi)帕爾菲特、埃瑞特等公司，但是我國(guó)對(duì)擺動(dòng)輾壓成形技術(shù)的研究起步較晚,針對(duì)碾壓鉚接制造過程的工藝研究并不多[2]。DOE是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)，合理安排實(shí)驗(yàn)的一種方法論，它的主要作用是降低試驗(yàn)次數(shù)、提高試驗(yàn)精度、使研究者從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中獲取無(wú)偏的處理效應(yīng)和實(shí)驗(yàn)誤差的估計(jì)[3]。本文正是運(yùn)用 DOE正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法以執(zhí)行器異種板件徑向鉚接制造工藝為研究對(duì)象，研究金屬板和橡膠墊鉚接在一起的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，分析關(guān)鍵工藝因素對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)工藝參數(shù)設(shè)置，并通過設(shè)備監(jiān)控過程工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠的批量生產(chǎn)制造，為相關(guān)鉚接工藝優(yōu)化提供借鑒。

1 連接結(jié)構(gòu)、鉚接設(shè)備和關(guān)鍵因素

1.1 鉚接結(jié)構(gòu)

執(zhí)行器鉚接結(jié)構(gòu)是由厚度t1為1.0 mm、t2為0.8 mm、 t3為1.0 mm碳鋼板材和厚度t4為0.8 mm橡膠墊組成，通過鉚接碾壓直徑a1為 5 mm鉚接高度h1為2.3mm的螺桿端頭，使中間橡膠墊成擠壓狀態(tài)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 異種板材聯(lián)接結(jié)構(gòu)

1.2 鉚接設(shè)備

根據(jù)執(zhí)行器聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用徑向鉚接聯(lián)接緊固板件，選用 Baltec 公司的徑向鉚接設(shè)備。鉚接方法是鉚沖頭在鉚接時(shí)，以相切于圓周的梅花狀的R軌道“徑向運(yùn)動(dòng)”，每個(gè)梅花狀的R軌道都在圓周中心相交，鉚釘端部材料受到較小的軸向力，鉚頭和鉚釘之間很小的接觸區(qū)域內(nèi)的鉚接達(dá)到屈服點(diǎn)，使被鉚材料沿徑向流動(dòng)，使其徑向變形大于切向變形[4]。鉚接設(shè)備（如圖2所示）基本部件包括C型框架、控制系統(tǒng)、鉚接模具、伺服驅(qū)動(dòng)等。設(shè)備參數(shù)：最大鉚接直徑Φ12 mm，最大鉚接力12 kN，行程5～40 mm，鉚接時(shí)間0.2～5.9 s。

圖2 鉚接設(shè)備

1.3 關(guān)鍵因素

影響徑向鉚接質(zhì)量的因素很多，如鉚接凹模幾何尺寸、夾緊工裝固定、設(shè)備鉚接力、鉚接時(shí)間、鉚接速度、材料間厚度、非金屬材料壓縮變形、鉚接厚度等。為了減少試驗(yàn)成本和篩選微小影響因素，通過兩水平試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)理論分析，結(jié)合研究對(duì)象執(zhí)行器零部件成熟的設(shè)計(jì)，并且零件制造中精確的公差控制，其尺寸偏差很小，可以忽略對(duì)鉚接工藝影響。為了滿足高效率快節(jié)拍的生產(chǎn)，在固定節(jié)拍下研究鉚接模具尺寸和鉚接力對(duì)鉚接后強(qiáng)度的影響十分必要。

鉚接凹模直徑D和深度h是主要特征尺寸（如圖3所示），直徑D影響鉚接后接頭直徑，深度h影響鉚接變形后的接頭厚。選取直徑D6.5 mm、7 mm、7.5mm，深度h1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)設(shè)備手冊(cè)推薦，選取鉚接力F為4.7 kN、5 kN、5.3 kN。

圖3 鉚接凹模

2 DOE正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

依據(jù)以上說明，研究選取鉚接力F、凹模直徑D、凹模深度h作為試驗(yàn)因素，使用標(biāo)準(zhǔn)的 L9(34)正交表[5]，表1為不同實(shí)驗(yàn)組的比對(duì)分析，所有試驗(yàn)都在相同的鉚接時(shí)間完成，并且鉚接后接頭無(wú)開裂、偏心，表面光滑半圓面，鉚接結(jié)構(gòu)無(wú)開裂間隙。

表1 徑向鉚接正交實(shí)驗(yàn)表

3 鉚接結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)方法

正交實(shí)驗(yàn)從3個(gè)方面對(duì)鉚接接頭性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，鉚接后接頭幾何尺寸、扭矩、拉力。鉚接后接頭幾何尺寸如圖1所示，通過測(cè)量直徑a2和高度h2綜合評(píng)價(jià)。鉚接結(jié)構(gòu)的扭矩越高表明橡皮膜受壓越好，氣密性能越好。鉚接結(jié)構(gòu)的拉力大小決定結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性。

拉伸試驗(yàn)在WDW-100萬(wàn)能電子測(cè)試臺(tái)上完成，設(shè)置拉伸速度為 1 mm/min，如圖4所示。扭矩實(shí)驗(yàn)應(yīng)用DB6N4扭力扳手測(cè)量其最大扭力，精度0.1 Nm ，如圖5所示。

圖4 電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)

圖5 扭力測(cè)試扳手

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

鉚接后接頭形狀如圖6所示，測(cè)量結(jié)果見表2。

圖6 鉚接后接頭形狀

表2 接頭尺寸和扭矩、拉力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.1 實(shí)驗(yàn)組結(jié)果和扭矩、拉力、接頭幾何尺寸關(guān)系曲線

實(shí)驗(yàn)為鉚接高度不變的情況進(jìn)行，鉚接變形的總體積變化很小，根據(jù)圖7顯示出鉚接結(jié)構(gòu)的拉力和扭力成反比關(guān)系，圖8顯示鉚接接頭高度h2和直徑a2也成是反比關(guān)系。

圖7 實(shí)驗(yàn)組和扭矩、拉力關(guān)系

圖8 實(shí)驗(yàn)組和接頭幾何尺寸關(guān)系

4.2 關(guān)鍵要素對(duì)鉚接接頭幾何尺寸影響規(guī)律

依據(jù)圖9、圖10顯示鉚接力對(duì)接頭直徑和高度影響規(guī)律不明顯，過大容易鉚接開裂，過小容易出現(xiàn)鉚接不牢固有間隙，鉚接力應(yīng)依據(jù)克服材料鉚接變形選取，適當(dāng)調(diào)整以滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求。

圖9 鉚接力和接頭直徑a2關(guān)系

圖10 鉚接力和接頭高度h2關(guān)系

依據(jù)圖11、圖12顯示凹模直徑和接頭直徑成正比，和接頭高度成反比，圖13、圖14顯示凹模深度和接頭直徑成反比，和接頭高度成正比。

圖11 凹模直徑D和接頭直徑a2關(guān)系

圖12 凹模直徑D和接頭高度h2關(guān)系

圖13 凹模深度h和接頭直徑a2關(guān)系

圖14 凹模深度h和接頭高度h2關(guān)系

4.3 接頭鉚接接頭幾何尺寸與鉚接結(jié)構(gòu)扭矩和拉力的關(guān)系

如圖15、圖16表明接頭直徑和扭矩成正比，和拉力成反比，接頭高度和扭矩成反比，和拉力成正比。

圖15 接頭直徑a2和扭矩、拉力的關(guān)系

圖16 接頭高度h2和扭矩、拉力的關(guān)系

依據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，影響鉚接后接頭幾何尺寸、扭矩、拉力的因素規(guī)律中，凹模的直徑和深度最為關(guān)鍵，成比例關(guān)系；鉚接力次之。實(shí)驗(yàn)組4是最優(yōu)工藝組，也驗(yàn)證了在保證鉚接接頭無(wú)開裂和間隙前提下，可以應(yīng)用拉力和扭矩為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化執(zhí)行器徑向鉚接工藝。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，執(zhí)行器以厚度t1(1.0mm)、t2(0.8mm) 、t3(1.0mm)碳鋼板材和厚度t4(0.8mm)橡膠墊，鉚接直徑a1(5mm)鉚接高度h1(2.3mm)的鉚接結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)組4是最優(yōu)的工藝組合，即鉚接力4.7kN，凹模直徑7.0 mm，深度1.2 mm。

(2)正交實(shí)驗(yàn)說明了在鉚接無(wú)開裂和間隙的前提下模具的幾何尺寸和接頭的幾何尺寸成正比。接頭的直徑和扭矩成正比，和拉力成反比。接頭的高度和扭矩成反比，和拉力成正比。接頭幾何尺寸和鉚接力無(wú)明顯規(guī)律。

(3)徑向執(zhí)行器鉚接工藝優(yōu)化應(yīng)綜合考慮模具對(duì)接頭幾何特征的影響規(guī)律。接頭的質(zhì)量應(yīng)考慮接頭扭矩和拉力兩項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)際生產(chǎn)中可以通過接頭高度和直徑的測(cè)量，對(duì)鉚接力實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保鉚接接頭性能的一致性，實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)批量制造的可靠性。