連桿小頭孔襯套壓裝質量控制的研究

朱正德

(大眾動力總成(上海)有限公司，上海 201807)

連桿小頭孔襯套壓裝質量控制的研究

朱正德

(大眾動力總成(上海)有限公司，上海 201807)

論文對如何控制連桿小頭孔襯套的壓裝質量進行了研究。通過分析襯套的壓出、壓入機理和過程，指出為了確保“壓出力”這一關鍵控制變量符合要求，必須建立適應批量生產企業實際情況的測試方法，并對涉及壓裝質量的各個環節和過程，擬定具有針對性的監控方式、手段。文章通過有說服力的具體案例和驗證結果，提出了在批量生產情況下如何保證連桿小頭孔襯套壓裝質量的有效做法。

連桿襯套;過盈配合;壓入/壓出力;測試方法;監控手段;正相關驗證

0 引言

過盈配合在機械、動力制造領域有著廣泛的應用，活塞式發動機的連桿小頭孔、襯套之間的連接就是一個典型例子。在極大多數情況下，壓裝是實現過盈連接的主要工藝手段，本文將對如何控制連桿小頭孔襯套的壓裝質量進行分析、研究。

1 過盈連接的壓裝質量與關鍵控制變量

雖然“壓裝”本質上是一種實現二工件過盈連接的工藝過程，但一般說來，這里所提到的壓裝質量強調的則是所形成的過盈連接的實物質量，如對于上述連桿小頭孔襯套組件，指的就是其在工況下的可靠性、即抵御襯套從連桿小頭孔中脫出的能力。

本文研究對象是某系列小排量汽油發動機的連桿小頭孔與襯套組合，其孔徑尺寸為Φ21.015±0.015，合金材質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。在連桿的產品圖紙上清楚地列出了這樣的技術條件(要求)，即:襯套的最大壓出力 F0必須達到:F0≥2500N。顯然，襯套的最大壓出力F0就是評價該組件過盈連接壓裝質量的關鍵控制變量。事實上，其他產業部門的活塞式發動機也有類似的規定，只是所采用的術語、稱謂有所不同，如在民航的生產、維修企業中，被命名為“固持力”，其含義相同。至于為了更有效地保證實物的連接質量，在某些高性能的壓裝設備中所設置的壓入力監控環節，雖然也是通過檢測某項相關參數來實現對壓裝工藝過程的監控，但這個參數不能稱作關鍵控制變量，只是藉此以更有效地提升連桿小頭襯套的壓裝質量，這些將會在本文后面再談。

2 連桿小頭孔襯套壓裝的機理分析

僅從表面上看，“壓裝”只是把襯套壓入連桿小頭孔的一道裝配工序，但如前所述，為了確保發動機中這一重要組件的連接質量，必須對其完成“壓裝”的工藝和事后驗證壓裝質量的全部過程和實物進行考察、分析。事實上，前者進行的是將襯套壓入(連桿)小頭孔的操作，而后者正好相反，執行的是壓出程序。材料力學、彈性力學理論和實踐的結果告知，由連桿小頭孔和襯套的過盈配合所產生的接觸應力(也稱裝配應力)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成線性關系。鑒于除過盈量外，其他參量都可視作常數，故有:

(1)式中的k為比例常數。而與壓裝相關的壓入、壓出力則還與配合面間的摩擦系數f和接觸面積S直接有關。其實，壓入、壓出力在本質上就是襯套與小頭孔之間的摩擦力Ff，可以寫作:

在上式中，S=π·D·h，D是小頭孔的孔徑，h是壓入(出)量。設H是連桿小頭區的高度，則當襯套完全壓入工件小頭孔時所受到的最大摩擦力F0應為:

把(1)式代入上式，即得到:

對同一系列發動機的連桿而言，無論材料還是幾何尺寸都可以認為是常量，因此軸向摩擦力與過盈量之間的關系式(4)可簡化成:F0=K·e，K為比例常數。

現今一些先進的專用壓裝設備都已具有壓力、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入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，也即此時的壓入力Ff應如式(2)所示:

上式中，K'是常數，而h是壓入量，而壓入力Ff與h成線性關系。

圖1是擷取自某種高效、專用壓裝設備監控系統的一條位移壓力曲線，實時表述了襯套被壓入連桿小頭孔時的壓入力變化形態，也驗證了前面對壓裝過程中兩者近似地于呈現線性關系的分析。圖1中，連桿的高度，即小頭孔的H=17mm。從圖1中還可見，當襯套完全壓入小頭孔時所達到的壓入力為最大，由前面分析可知，即這時的軸向摩擦力為最大值F0。

圖1 壓裝過程中的位移壓力曲線

3 壓裝質量的驗證與關鍵控制變量F0的確認

在前節中已明確闡明，為了驗證襯套、連桿小頭孔的壓裝質量，必須通過襯套的壓出實驗，以確認最大壓出力、即由過盈配合所決定的軸向摩擦力最大值F0這一關鍵控制變量是否符合產品的技術要求。不同于之前介紹的壓裝(入)操作所呈現的單向變化趨勢，即壓入力如圖1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歷一個加載時段，即“頂出相持階段”，只有等到當壓出力達到最大摩擦力F0后，才真正進入壓出階段，圖2是襯套壓出試驗的位移壓力曲線圖，從其中顯示的二個實例中，可以清楚地看出曲線c是由a和b兩部分組成的，當加載時段a達到最高點Ip時，即轉入壓出階段，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Ip點時，襯套所受到頂(壓)出力則相當于這一連桿過盈配合組件的最大軸向摩擦力F0。

圖2 壓出試驗中的位移壓力曲線

很顯然，對壓裝質量和關鍵控制變量F0符合性的驗證將只取決于壓出試驗中的加載時段。圖3是一臺用于連桿小頭孔襯套壓出實驗用的專用設備，是由德國大眾汽車公司推薦的，這是在為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。

圖3 連桿小頭孔襯套出力測試

由反映襯套壓出試驗的加載時段、即“頂出相持”狀態的曲線a1表明(見圖2)，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生的軸向摩擦力F0大于在實驗中由試驗機施加在襯套上的頂出力F'的緣故。至于加載的原理則是圖3中試驗機框型結構內那根橫梁，隨著固定在其中部的壓頭接觸襯套端面后的不斷下降，即頂出位移量l的增加，由其繞曲變形而產生的作用力F'。在F'＜F0時，上述位移、壓力呈理想的彈性變形，若此時卸載，連桿小頭區的狀態與試驗前完全一樣，且形成的關系曲線也是一理想直線。據此，就有:

上式中，Km為常數，取決于試驗機的結構。

當頂(壓)出力F'增大到等于F0、即F'=F0時，設此刻的位移量為lp，于是(6)式可寫成:F0=Km·lp。在本文第二節過盈連接機理分析中曾指出，在軸向摩擦力F0與過盈量e之間存在如下關系:F0=K·e。K是常數，由接觸面積、摩擦系數等因素決定。因此可獲得如下關系:

把(7)式代入(6)，可得到:

式中K、lp和e都是定值，但該線性段a的斜率還是表達、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的狀態與過盈量e有關，e越大，斜率Km也越大，出現在圖3中的直線段a更陡。

純粹從技術角度出發，當然可以藉助實驗室的測試設備通過完成襯套壓出的全過程，再根據壓出力達到最大值時所求得的 F0來判斷是否 F0＞2500N，這樣的做法雖然可行，但有諸多缺點:

(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，由于兩零件接觸表面的狀態已發生變化，無法再重新利用。

(3)在這種情況下，執行測試的萬能試驗機的加載負荷必須達到15kN甚至20kN，但在企業實驗室日益專業化的趨勢下，必然會導致資源利用率偏低。

為此，基于之前的分析，采取了更為合理的方法。從襯套壓出試驗的加載時段可知(見圖3)，頂(壓)出力F'，隨著加載位移l的增大而增大，在達到過盈配合間的最大摩擦力F0、即圖中曲線最高點Ip之前均如此。因而只要在驗證試驗中先設置一個位移量l，若獲得的對應F'1小于2.5kN，則再取l2(l2＞l1)，假如試驗后得到的F'2大于2.5kN，試驗完成，否則就再繼續，直至F'i＞2.5kN。反之，若加載時段結束，試驗將進入壓出階段時，F'仍小于2.5kN，則表明該組件的過盈配合不合格。事實證明，上述方法效率就很高，往往經過2～3次的設置就能得到結果，而且，選用的萬能材料試驗機(見圖3)只是一臺等級僅為5kN的小負荷設備，因此在資源配置和利用率上也更加合理。實踐中，摸索出的經驗表明，在配合狀態穩定的情況下，首次加載位移只需設置在0.8～1.0mm即可，圖4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，在設置的位移量l=0.65mm時，F'已超過3kN。

圖4 一張典型的壓出力、位移測試報告

4 強化生產過程監控，提升壓裝質量水平

以上對關鍵控制變量F0的檢測評價，從本質上來講是一種事后檢驗，雖然是必要的，但也有局限性。為了提升連桿小頭孔襯套壓裝的質量水平，還需要強化對生產過程的實時監控，以有效提高產品的合格率，它包含以下三項措施:

(1)襯套是外購件，需確保其供貨時的材質和制造質量，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用了統計過程控制(SPC)的方法;

(3)在小頭孔、襯套壓裝工序中，設置合理的壓入力監控窗口。

4.1 襯套外徑尺寸的受控

襯套為一厚度僅1.2mm的開口薄壁結構件，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。如前面第一節所述，外徑尺寸的控制范圍為21.055～21.095mm。現今，在總成廠與外購件供貨企業加強質量監管的情況下，襯套的制造質量不僅有了保證，而且相當穩定，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。

4.2 SPC在小頭孔精鏜工序中的應用

壓裝時的連桿小頭孔經過最后一道精鏜加工，其內孔尺寸決定了與襯套配合時的過盈量，故控制這項參數對保證兩者的壓裝質量關系重大。為此，所配備的線外檢測裝置具有進行SPC的統計分析功能，從而確保了精鏜加工工序的運行始終處于統計控制狀態，并保證了過程能力指數Cp、Cpk的值都控制在1.33或更高，事實上經精鏜后的連桿小頭孔的尺寸分散性是相當小的。在進行相關試驗時，曾從生產線精鏜工位任意調看了數十個按定時方式抽取工件的實測值，其孔徑范圍在Φ21.010～21.026之間。

4.3 監控窗口在小頭孔、襯套壓裝工序的預警作用

不同于連桿小頭孔精鏜工位在線外設置的專用測量系統，那些用于壓裝的高效設備所具有的壓力、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不同的監控方式，即在壓裝設備控制系統中設置合理的壓入力監控窗口，通過發出預警信號來實施對該過程的有效控制。監控窗口的上、下限是根據產品、工藝和設備的實際情況設定的，并可及時調整。本案例中的企業有二條生產線，所設置窗口的下限值為4～6kN，上限值為1.4～1.6kN，這在本文第二節的圖1中能清晰地見到。

壓入力，即最大軸向摩擦力乃是形成過盈配合諸多環節的綜合反映。事實表明，在采取了種種強化過程監控，提高組件品質的措施后，襯套壓入力的分散性可控制在一個相當小的范圍內，可靠性很高。圖5是根據連續讀取了200件樣本后利用q-STAT軟件所做的統計分析，其中壓入力介于10.4～12.4kN之間的占了80%以上。

圖5 對襯套壓入力抽樣后的統計分析一例

5 對各監測、控制變量相關性的驗證

理論上，以上對連桿小頭孔、襯套壓裝過程和壓出試驗的分析中所涉及到的各項監測、控制變量之間均應為線性關系，但客觀情況是因為一些特殊情況，如嚴格的實驗結果表明，過盈配合后內、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、摩擦系數和壓出(入)力之間雖成正比，但存在一定的偏差。加之在批量生產條件下的試驗，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“呈現正相關”一詞來表述，不過這也更符合、貼近真實情況。

最后，將通過一次專門設計的試驗，對上述各變量間存在的正相關做進一步驗證，方案是利用在一條穩定、正常生產的連桿線的精鏜工位，有意識地進行三次“鏜刀”的向外調整。以使加工出的連桿小頭孔尺寸，較穩定的常態分別大了 0.02、0.03和0.05mm(指外徑方向)。試驗結果見下表，表中“過盈量e”一項是取可能涉及范圍的60%左右。如，在“正常”狀態下，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 監測、控制變量相關性的實驗驗證

表1的實驗驗證說明了以下兩點:

(1)盡管不是(也難以通過實驗證明)它們之間精確的線性關系，但這些變量之間存在著強正相關則是清楚的。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，通過檢測即時壓出力F'的方式，以確認壓裝質量中的關鍵控制變量F0，乃是完全可行的。

(2)設置壓裝設備中壓入力窗口的界限，也在一定程度上監控了前道工序的可靠性水平。從表1可見，當出現精鏜后的小頭孔尺寸超差時，壓裝結果不一定顯示F0超差，但由于監控窗口的下限一般設定在4～6kN，故還是會發出預警信號，提醒有關人員及時查找原因，起到了防患于未然的作用。

［1］蔡凡，等.過盈配合生產的接觸壓力和拔出力計算［J］.機械設計與制造，2010(10):7-9.

［2］朱正德.談檢測技術在我國汽車制造業中的應用與發展［J］.汽車與配件(制造技術與材料)，2010(6):12-15.

Research on Quality Control of Press Mounting for Connecting Rod Small End Hole Bushing

ZHU Zheng-de
(VOLKSWAGEN POWERTRAIN(SHANGHAI)Co.Ltd，Shanghai 201807，China)

Research on quality control of press mounting for connecting rod small end hole bushing，analyses the principle and process of bushing press out、press in small end hole.The article point out that it is necessary to establish a testing method adapted to bench production in order to confirm“out pressure”—the key control variable，and to execute the effective control mode for press mounting process.Taking for practical example and the evaluating conclusion this article presents the reliable method to assure quality of press mounting.

con-rod bushing;interference fit;in pressureout pressure;testing method;control mode;confirming correlation

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)02-0037-04

2011-11-16;

2011-11-30

朱正德(1945—)，男，上海人，大眾動力總成(上海)有限公司教授級高級工程師，研究領域為計量與檢測，(E-mail)zhengde.zhu@vw-powertrain.com。

(編輯 趙蓉)