回歸分析方法在缸體合箱加工夾緊工藝設(shè)計上的應(yīng)用

王　玨　魏浩波　柳林沖

(1. 上海汽車集團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)計上的應(yīng)用

王玨1魏浩波1柳林沖1

(1. 上海汽車集團股份有限公司乘用車公司，上海 201804)

在發(fā)動機氣缸體合箱加工夾緊工藝開發(fā)過程中，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)過試驗和批產(chǎn)認(rèn)證，采用該工藝加工后發(fā)動機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)計方法。若兩個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。在研究兩個變量之間關(guān)系時，可以用線性回歸模型來模擬數(shù)據(jù)，然后通過殘差來判斷模型擬合的效果。上海汽車臨港發(fā)動機廠在曲軸箱合箱加工工藝改進時，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)動機產(chǎn)品設(shè)計中，氣缸體和裙架通過很長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，如圖1所示。

圖1　發(fā)動機氣缸蓋螺栓連接示意圖

為保證曲軸孔在發(fā)動機裝配后仍具有良好的圓度，工藝設(shè)計中必須安排在氣缸體機加工時進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)動機后，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，控制要點是需要將加工時的氣缸體裙架受力狀態(tài)與裝配成發(fā)動機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的氣缸體裙架夾緊力，以保證發(fā)動機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

需要研究的主要問題是： (1) 機加工時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范圍最小？

按照英國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)定夾具來保證夾緊力。夾緊力參數(shù)設(shè)定為26～34kN。但其主要缺點在于復(fù)雜的生產(chǎn)線布局、繁瑣的隨行夾具、難以監(jiān)控的實際夾緊力、桁架機械手上下料，以及曲軸孔測量的不穩(wěn)定性[2]。隨行夾具通過定期標(biāo)定來核定夾緊力，由于使用蝶形彈簧后，精度會降低，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行100%實時監(jiān)測和反饋，投資成本過高。

圖3　隨行夾具

針對上述問題，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)品螺栓進行擰緊的方式進行模擬裝配狀態(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。重點研究如何采用回歸分析方法來確定擰緊工藝。

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

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

測量考核內(nèi)容包括測量機加工時夾緊力、測量機加工后圓度和測量裝配后圓度。

4　用回歸分析方法進行數(shù)據(jù)分析

通過上述試驗，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圖5。

圖5　螺栓拉伸特性曲線

在回歸分析中包括兩個或兩個以上的自變量，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。在這個案例中，因變量決定裝配后圓度，所以也分析機加工最終拉力作為因變量。自變量有多個，分別為機加工時螺栓擰緊初始扭矩和轉(zhuǎn)角，以及裝配時的初始扭矩和轉(zhuǎn)角。

通過各種試驗數(shù)據(jù)，采用軟件進行線性擬合。得出系列方程式。

機加工時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算的最終拉力與實測最終拉力的標(biāo)準(zhǔn)差為1.237kN。而目前發(fā)動機裝配時螺栓擰緊產(chǎn)生夾緊力標(biāo)準(zhǔn)差為2.177kN。

這說明，如果用扭矩+轉(zhuǎn)角的方法來控制螺栓拉力的話，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。

裝配后圓度與機加工扭矩+轉(zhuǎn)角控制的方程為：

裝配后圓度=15.0-1.75×機加扭矩-0.186×機加轉(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。

裝配后圓度與機加工夾緊力的方程為：

裝配后圓度=16.2μ-2.54×機加工夾緊力+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，機加工用螺栓扭矩控制的裝配后圓度離散程度優(yōu)于機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)角盡量大但不超過裝配轉(zhuǎn)角；(4) 機加工夾緊力需小于裝配夾緊力；(5) 方法一夾緊力在26～34kN。

機加工采用產(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)品驗證

夾緊力驗證： 共驗證25個工件，250個數(shù)據(jù)。試驗平均值為31.3kN，理論平均值為31.3kN；試驗標(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，實際偏差好于理論偏差。

圓度驗證中，機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)差實際結(jié)果比計算結(jié)果還要好。

產(chǎn)品驗證中，新工藝缸體發(fā)動機進行臺架加載試驗(約400h)已完成。試驗正常，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，且易于測量(圖6)。

圖6　加工裝配工藝對比和擰緊設(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，對比原工藝圓度控制好，操作簡單，運行成本低。

8　結(jié)語

通過策劃正交試驗，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. 實現(xiàn)螺栓可靠裝配的10個步驟(德)，機械工業(yè)出版社，2009.

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