回歸分析方法在缸體合箱加工夾緊工藝設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

王　玨　魏浩波　柳林沖

(1. 上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司，上海 201804)

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原創(chuàng)

回歸分析方法在缸體合箱加工夾緊工藝設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

王玨1魏浩波1柳林沖1

(1. 上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司，上海 201804)

在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體合箱加工夾緊工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中，介紹采用模擬裝配狀態(tài)工藝的氣缸蓋、氣缸體、工藝油軌、產(chǎn)品螺栓擰緊合箱的新工藝方案。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型并采用回歸分析方法，確定合適的螺栓擰緊工藝。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和批產(chǎn)認(rèn)證，采用該工藝加工后發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸承孔具有更好的圓度和同軸度。

氣缸體合箱加工夾緊工藝回歸分析法圓度同軸度

0　前言

回歸分析法是處理變量之間相互關(guān)系的1種統(tǒng)計(jì)方法。若兩個(gè)變量之間具有線性相關(guān)關(guān)系，則將相應(yīng)的回歸分析稱之為線性回歸分析。在研究?jī)蓚€(gè)變量之間關(guān)系時(shí)，可以用線性回歸模型來(lái)模擬數(shù)據(jù)，然后通過(guò)殘差來(lái)判斷模型擬合的效果。上海汽車臨港發(fā)動(dòng)機(jī)廠在曲軸箱合箱加工工藝改進(jìn)時(shí)，成功利用回歸分析的方法選擇最優(yōu)工藝方案，取得了很好的效果。

1　合箱加工

在上海汽車的某款發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，氣缸體和裙架通過(guò)很長(zhǎng)的缸蓋螺栓將氣缸蓋與氣缸體、氣缸體和裙架夾緊固定，最后在底部的油軌上采用螺紋設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋螺栓連接示意圖

為保證曲軸孔在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配后仍具有良好的圓度，工藝設(shè)計(jì)中必須安排在氣缸體機(jī)加工時(shí)進(jìn)行缸體和裙架的合箱加工(圖2)。

圖2　氣缸體和裙架合箱

在合箱加工完成后，主軸承孔不僅具有良好的圓度和同軸度，更重要的是氣缸體成品裝配成發(fā)動(dòng)機(jī)后，曲軸軸承孔仍能保持較好的圓度[1]。這就要求從加工到裝配具有良好的一致性和傳承性。其中，控制要點(diǎn)是需要將加工時(shí)的氣缸體裙架受力狀態(tài)與裝配成發(fā)動(dòng)機(jī)后氣缸體裙架受力狀態(tài)保持一致。本文闡述的就是如何更好地控制合箱加工時(shí)的氣缸體裙架夾緊力，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)裝配后具有更好的曲軸軸承孔圓度。

2　模擬裝配狀態(tài)工藝

需要研究的主要問(wèn)題是： (1) 機(jī)加工時(shí)如何保證合適的夾緊力？(2) 什么樣的夾緊力能使裝配后圓度波動(dòng)范圍最小？

按照英國(guó)羅孚公司的工藝方法，采用隨行夾具控制夾緊力。采用隨行夾具將氣缸體裙架夾緊，利用標(biāo)準(zhǔn)件定期標(biāo)定夾具來(lái)保證夾緊力。夾緊力參數(shù)設(shè)定為26～34kN。但其主要缺點(diǎn)在于復(fù)雜的生產(chǎn)線布局、繁瑣的隨行夾具、難以監(jiān)控的實(shí)際夾緊力、桁架機(jī)械手上下料，以及曲軸孔測(cè)量的不穩(wěn)定性[2]。隨行夾具通過(guò)定期標(biāo)定來(lái)核定夾緊力，由于使用蝶形彈簧后，精度會(huì)降低，在2次標(biāo)定之間的夾具狀態(tài)不可靠。如果采用增加力傳感器進(jìn)行100%實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋，投資成本過(guò)高。

圖3　隨行夾具

針對(duì)上述問(wèn)題，嘗試采用新的工藝，即模擬裝配狀態(tài)，采用模擬氣缸蓋和油軌，然后由產(chǎn)品螺栓進(jìn)行擰緊的方式進(jìn)行模擬裝配狀態(tài)，從而產(chǎn)生夾緊力(圖4)。

圖4　模擬氣缸蓋和油軌螺栓擰緊

采用這種方法，螺栓可以沿用產(chǎn)品件。開(kāi)發(fā)模擬氣缸蓋和模擬油軌。關(guān)鍵需要確定螺栓擰緊的工藝，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地控制夾緊力，以此更好地控制裝配后曲軸軸承孔圓度。

3　數(shù)學(xué)模型建立和分析

模擬氣缸蓋和油軌本文不作詳細(xì)闡述。重點(diǎn)研究如何采用回歸分析方法來(lái)確定擰緊工藝。

需要研究的內(nèi)容主要集中在以下幾個(gè)方面： (1) 裝配后圓度與機(jī)加工的夾緊力、裝配線扭矩和轉(zhuǎn)角的關(guān)系以及波動(dòng)范圍；(2) 裝配后圓度與機(jī)加工時(shí)螺栓扭矩和轉(zhuǎn)角、裝配線扭矩和轉(zhuǎn)角的關(guān)系以及波動(dòng)范圍；(3) 機(jī)加工時(shí)螺栓擰緊產(chǎn)生的夾緊力與擰緊扭矩、轉(zhuǎn)角的關(guān)系以及波動(dòng)范圍；(4) 裝配時(shí)采用新螺栓與采用加工時(shí)的原螺栓導(dǎo)致的圓度波動(dòng)差異。

為此，策劃正交試驗(yàn)以建立數(shù)學(xué)模型，試驗(yàn)方案有： 采用不同機(jī)加工扭矩和轉(zhuǎn)角；采用不同裝配扭矩和轉(zhuǎn)角；裝配時(shí)螺栓原位置裝回或采用新螺栓。

測(cè)量考核內(nèi)容包括測(cè)量機(jī)加工時(shí)夾緊力、測(cè)量機(jī)加工后圓度和測(cè)量裝配后圓度。

4　用回歸分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析

通過(guò)上述試驗(yàn)，采用線性回歸分析方法建立數(shù)學(xué)模型(采用minitab軟件)，根據(jù)該螺栓的特性，在使用的階段(屈服前)，螺栓拉力與扭矩成線性關(guān)系，螺栓拉伸特性曲線見(jiàn)圖5。

圖5　螺栓拉伸特性曲線

在回歸分析中包括兩個(gè)或兩個(gè)以上的自變量，且因變量和自變量之間是線性關(guān)系，則稱為多元線性回歸分析。在這個(gè)案例中，因變量決定裝配后圓度，所以也分析機(jī)加工最終拉力作為因變量。自變量有多個(gè)，分別為機(jī)加工時(shí)螺栓擰緊初始扭矩和轉(zhuǎn)角，以及裝配時(shí)的初始扭矩和轉(zhuǎn)角。

通過(guò)各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用軟件進(jìn)行線性擬合。得出系列方程式。

機(jī)加工時(shí)螺栓最終拉力與初始扭矩和轉(zhuǎn)角的方程為：

最終拉力=1.29+0.467×初始扭矩+0.0767×轉(zhuǎn)角/kN

(1)

按照上述公式所模擬計(jì)算的最終拉力與實(shí)測(cè)最終拉力的標(biāo)準(zhǔn)差為1.237kN。而目前發(fā)動(dòng)機(jī)裝配時(shí)螺栓擰緊產(chǎn)生夾緊力標(biāo)準(zhǔn)差為2.177kN。

這說(shuō)明，如果用扭矩+轉(zhuǎn)角的方法來(lái)控制螺栓拉力的話，68.3%的螺栓控制在扭矩目標(biāo)值的±1.237kN以內(nèi);95.5%的螺栓控制在扭矩目標(biāo)值的±2.474kN以內(nèi)；99.7%的螺栓控制在扭矩目標(biāo)值的±3.711kN以內(nèi)。

所以，機(jī)加工用螺栓扭矩控制的夾緊力離散程度優(yōu)于目前正常生產(chǎn)裝配螺栓扭矩控制的夾緊力離散度。

裝配后圓度與機(jī)加工扭矩+轉(zhuǎn)角控制的方程為：

裝配后圓度=15.0-1.75×機(jī)加扭矩-0.186×機(jī)加轉(zhuǎn)角+1.44×裝配扭矩+0.153×裝配轉(zhuǎn)角

(2)

式(2)中擬合標(biāo)準(zhǔn)差為6.856μ。

裝配后圓度與機(jī)加工夾緊力的方程為：

裝配后圓度=16.2μ-2.54×機(jī)加工夾緊力+1.20×裝配扭矩+0.160×裝配轉(zhuǎn)角

(3)

式(3)中擬合標(biāo)準(zhǔn)差為7.509μ。

所以，機(jī)加工用螺栓扭矩控制的裝配后圓度離散程度優(yōu)于機(jī)加工用夾緊力控制離散程度的裝配后圓度離散程度。

5　工藝參數(shù)確定

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型的分析，參照以下要求： (1) 裝配后圓度在10μ左右；(2) 需要一定的初始扭矩；(3) 轉(zhuǎn)角盡量大但不超過(guò)裝配轉(zhuǎn)角；(4) 機(jī)加工夾緊力需小于裝配夾緊力；(5) 方法一夾緊力在26～34kN。

機(jī)加工采用產(chǎn)品螺栓擰緊的工藝參數(shù)倒推設(shè)定為15(N·m)+300°。

6　工藝和產(chǎn)品驗(yàn)證

夾緊力驗(yàn)證： 共驗(yàn)證25個(gè)工件，250個(gè)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)平均值為31.3kN，理論平均值為31.3kN；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.091kN，理論標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.237kN。可以看出，夾緊力平均值相同，實(shí)際偏差好于理論偏差。

圓度驗(yàn)證中，機(jī)加工采用前述確定的參數(shù)為15(N·m)+300°，裝配采用正常生產(chǎn)的工藝參數(shù)為20(N·m)+315°。加工裝配10件，測(cè)量裝配后主軸承孔圓度。數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　裝配后主軸承孔圓度(單位： μ)

上表圓度平均值為10.6μ，標(biāo)準(zhǔn)差為4.4μ。而根據(jù)方程式2，計(jì)算出的平均值為9.9μ，標(biāo)準(zhǔn)差為6.8μ。相比較，平均值相差不大，標(biāo)準(zhǔn)差實(shí)際結(jié)果比計(jì)算結(jié)果還要好。

產(chǎn)品驗(yàn)證中，新工藝缸體發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架加載試驗(yàn)(約400h)已完成。試驗(yàn)正常，解析結(jié)果合格。

7　結(jié)論及應(yīng)用效果

新工藝在質(zhì)量控制上的優(yōu)勢(shì)是新工藝的裝配后圓度離散度好、變形方向一致性好(短軸方向)、同軸度非常好，且易于測(cè)量(圖6)。

圖6　加工裝配工藝對(duì)比和擰緊設(shè)備

該工藝方案在2012年投產(chǎn)后，已正常生產(chǎn)4年。使用效果良好，對(duì)比原工藝圓度控制好，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低。

8　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)策劃正交試驗(yàn)，采用回歸分析方法能準(zhǔn)確地分析出不同工藝方法導(dǎo)致的加工質(zhì)量上的區(qū)別，定量區(qū)別而不是感官認(rèn)知。良好的質(zhì)量分析工具的應(yīng)用，是制造體系中非常重要的1種手段。

[1] Volker S. 實(shí)現(xiàn)螺栓可靠裝配的10個(gè)步驟(德)，機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 何曉群，等.應(yīng)用回歸分析(第三版)，中國(guó)人民大學(xué)出版社，2011.