DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在重型汽車中的應(yīng)用研究

趙娜，劉林波

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來，智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。要實(shí)現(xiàn)智能化制造，則離不開大數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)的支撐，智能技術(shù)不僅對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)能力提出了更高要求，也迫使數(shù)據(jù)分析應(yīng)用能力要更上一個(gè)臺(tái)階。因此，如何應(yīng)用數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)，如何使數(shù)據(jù)分析方法更科學(xué)更嚴(yán)謹(jǐn)，這已經(jīng)是現(xiàn)階段智能設(shè)計(jì)需要探索研究的主要課題。本文以壓油管接頭的釬焊設(shè)計(jì)為例，借助minitab數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，介紹了如何對(duì)釬焊過程的參數(shù)及方法進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證壓油管焊接質(zhì)量的可靠性，從設(shè)計(jì)源頭杜絕因焊接缺陷產(chǎn)生的壓油管滲油或漏油現(xiàn)象。希望對(duì)工業(yè)制造中相關(guān)焊接的設(shè)計(jì)開發(fā)參數(shù)確認(rèn)活動(dòng)、生產(chǎn)制造活動(dòng)或質(zhì)量提升活動(dòng)提供參考和幫助。

1 壓油管功能描述

壓油管在實(shí)際裝配過程中，兩頭需要與接頭體焊接成一體，如圖 1，為保證油管密封性能良好，本例選擇釬焊工藝方式。對(duì)釬焊焊接的質(zhì)量要求如下：a、焊縫接頭表面光滑，添角均勻，光滑圓弧過渡；b、接頭無過燒、表面嚴(yán)重氧化、焊縫粗糙等缺陷；c、焊縫無氣孔、夾渣、裂紋、焊瘤等現(xiàn)象。

但在實(shí)際焊接成型后，壓油管出現(xiàn)滲油漏油、密封不良等現(xiàn)象，且比例較高，詳細(xì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，是因?yàn)楹缚p出現(xiàn)表面氣孔所致，如圖 2。因此，本文重點(diǎn)針對(duì)表面氣孔現(xiàn)象進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。表面氣孔測(cè)量儀器是10倍放大鏡，由檢驗(yàn)員目視觀測(cè)和判斷。

圖1 壓油管結(jié)構(gòu)

圖2 焊縫表面氣孔

圖3 焊接過程因果矩陣

2 釬焊工藝要求及準(zhǔn)備

焊接前要清除焊接表面及接合處的油污、氧化物、毛刺及其雜物，之后進(jìn)行清潔度檢測(cè)，保證焊合面及釬料的干燥度、清潔度。

焊接設(shè)備：射吸式焊槍 H01-6；焊接材料：S221 錫黃銅焊絲（直徑φ3.0）；釬劑：硼砂 100；焊接氣體：工業(yè)氧氣、乙炔；氧氣壓力：0.4～0.6MPa；乙炔壓力：0.02～0.03MPa；

3 關(guān)鍵影響參數(shù)

通過對(duì)釬焊過程的所有相關(guān)輸入進(jìn)行因果矩陣分析，可以看出，得分排最前的，如圖 3，是影響表面氣孔的主要因素，分別是焊接間隙、零件清潔度、人員操作方法、加熱保持時(shí)間。零件清潔度可以通過加強(qiáng)檢驗(yàn)等手段解決，人員操作方法不當(dāng)也可通過培訓(xùn)、指導(dǎo)教育等提升，剩下兩個(gè)關(guān)鍵影響參數(shù)，焊接間隙和加熱保持時(shí)間，如何設(shè)計(jì)它們的最優(yōu)配置，則需要我們通過進(jìn)行DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步分析。

4 DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)固定因子：釬料、釬劑、焊炬、噴嘴、氧氣/乙炔壓力、焊接人員

實(shí)驗(yàn)因子：X1焊接間隙、X2加熱保持時(shí)間

響應(yīng)變量：Y 焊接表面氣孔

實(shí)驗(yàn)方法選擇：2因子2水平全因子實(shí)驗(yàn)，中心點(diǎn)測(cè)量5組數(shù)據(jù)作為仿形實(shí)驗(yàn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)因子設(shè)定

因子水平及中心點(diǎn)水平設(shè)定如下：

X1焊接間隙（單位mm）：低水平15.1+0.05（記作15）、高水平15.2+0.05（記作15.2）

X2加熱保持時(shí)間（單位s）：低水平2±1（記作2）、高水平8±1（記作8）

中心點(diǎn)：X1焊接間隙15.1_(+0.10)^(+0.05)mm mm（記作15.1）

X2加熱保持時(shí)間 5±2s（記作5）

總的實(shí)驗(yàn)次數(shù) 22× 2 + 5 = 13次；樣本量：150 /次

記錄結(jié)果：每次實(shí)驗(yàn)分別記錄出現(xiàn)的不合格數(shù)量，如表1

[分析工具]：minitab軟件---DOE（全因子設(shè)計(jì)）

4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 DOE實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

圖4 模型分析結(jié)果

4.4 DOE實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头治?/h3>

4.4.1 模型有效性評(píng)估（方差分析法）

假設(shè)——H0：模型無效；Ha：模型有效；分析結(jié)果如圖4所示，結(jié)果說明：

（1）主效應(yīng)和 2因子交互作用中主效應(yīng)的 P值=0.000＜0.05，原假設(shè)H0不成立，模型有效。

（2）彎曲項(xiàng)的P值=0.749＞0.05，所以數(shù)據(jù)無彎曲趨勢(shì)。

4.4.2 各項(xiàng)效應(yīng)評(píng)估

圖5 效應(yīng)評(píng)估

圖6 效應(yīng)結(jié)果分析

從圖5和圖6計(jì)算數(shù)據(jù)中可以觀察到：

（1）焊接間隙和加熱保持時(shí)間的 P值分別為 0.028和0.000，均小于0.05，因此主效應(yīng)顯著。

（2）焊接間隙*加熱保持時(shí)間交互作用的P值=0.147＞0.05，因此2因子的交互作用不顯著。

圖7 殘差診斷結(jié)果

從圖7殘差診斷圖中可看到?jīng)]有異常情況出現(xiàn)，說明模型與觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合較好 。

4.4.3 參數(shù)最優(yōu)化配置

結(jié)合圖8主效應(yīng)圖和圖9優(yōu)化圖結(jié)果，可以得到的最優(yōu)化組合參數(shù)為：焊接間隙15.2+0.05mm，加熱保持時(shí)間8±1s。

圖8 主效應(yīng)圖

圖9 優(yōu)化圖

回到之前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際是否契合，如表2，可以驗(yàn)證確定，在預(yù)測(cè)的的最優(yōu)化組合參數(shù)（焊接間隙15.2mm，加熱保持時(shí)間8s）時(shí)，試驗(yàn)中的不合格數(shù)分別是 1、0，數(shù)量最少，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)踐未見相悖，理論與實(shí)踐高度契合，理論結(jié)果可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中。

表2 比對(duì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果

5 總結(jié)

本文分析了在設(shè)計(jì)壓油管焊接工藝參數(shù)及方法時(shí)，如何利用minitab軟件進(jìn)行DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，以找到最優(yōu)匹配參數(shù)或方法，保證壓油管質(zhì)量及可靠性。DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法能夠?yàn)槲覀冊(cè)谠O(shè)計(jì)開發(fā)、工藝設(shè)計(jì)過程中提供科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)分析方法，通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立分析模型，尋找各因素因子之間互相影響互相制約的潛在關(guān)系，并根據(jù)我們希望得到的結(jié)果，匹配最優(yōu)的因子設(shè)計(jì)水平，為后續(xù)批量應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)，對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)活動(dòng)具有指導(dǎo)作用和實(shí)踐價(jià)值，此法也可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域。