壓裝工藝原理綜述及工藝監(jiān)控探究

摘要：壓裝工藝連接形式簡單，在汽車行業(yè)應用已久。但查閱相關文獻資料都是以單一的案例解決或者設備開發(fā)為主，鮮有系統(tǒng)性講解壓裝原理、歸納壓裝工藝知識的資料出現(xiàn)，致使該工藝缺少理論的知識沉淀。近年來由于壓裝導致的產(chǎn)品質(zhì)量案例頻發(fā)。基于此，歸納總結(jié)了現(xiàn)有的壓裝工藝類型，提出七點壓裝曲線模型，并結(jié)合多年壓裝行業(yè)案例給出系統(tǒng)的壓裝工藝設計要點。

關鍵詞：壓裝原理；曲線監(jiān)控；壓裝類型；壓裝機構(gòu)設計；壓裝問題分析

壓裝工藝作為傳統(tǒng)的連接工藝之一，由于其工藝原理簡單，壓裝設備成本低廉且生產(chǎn)效率高的特點使得其在汽車零部件行業(yè)應用廣泛。隨著工業(yè)傳感器的高速發(fā)展普及，近年來越來越多的壓裝設備集成了力——位移監(jiān)控的手段，大大提升了壓裝工藝過程的質(zhì)量。同時，數(shù)字化壓裝、自動化壓裝也成為了研究的熱門話題。

文獻1研究了如何利用數(shù)理統(tǒng)計及曲線擬合來科學合理地設置監(jiān)控限，在監(jiān)控質(zhì)量和誤報警率上找到了一個平衡點。文獻2研究了壓裝的零件設計過盈量對于壓裝質(zhì)量的影響。文獻3研究了電子伺服壓機的集成設計及監(jiān)控策略應用的案例講解。也有相關文獻研究了具體某一產(chǎn)品的壓裝工藝缺陷降低及問題解決。目前的文獻資料都集中在壓裝零件設計，設備集成，應用案例上，在壓裝原理、監(jiān)控策略鮮有機構(gòu)或廠家能夠給出系統(tǒng)性的理論依據(jù)及具體可行的操作方案。

壓裝形成過程及監(jiān)控特性

1.壓裝形成過程

壓裝過程如圖1所示，為相互配合的兩個零部件從分離開始逐漸以壓裝面為連接界面開始配合，最終達到壓裝止點的過程。其理論的力位移曲線如圖2所示。

結(jié)合實際的壓裝過程有七個特征點，解釋如下：

1）A點：零件分離，未有壓裝力產(chǎn)生，此時的理論壓力為0。

2）B點：零件開始接觸，力開始起升，實際過程需要考慮配合零件倒角。

3）C點：零件隨著配合面積增大，壓力出現(xiàn)與壓裝面積成正比的增大。

4）D點：當壓裝部件配合面積全部結(jié)合以后，壓裝面積不再增大，進而壓裝配合力也穩(wěn)定。隨著相互配合的位移，此時一些零件會發(fā)生擠壓變形將部分材料從配合面帶出或屈服發(fā)生形變產(chǎn)生壓力降。

5）E點：產(chǎn)品在保持配合面積不變，進一步滑動，其配合力也保持穩(wěn)定。

6）F點：產(chǎn)品在到達機械止點時，由于帶出的材料積聚到行進面，此時壓裝力會出現(xiàn)一定增大。

7）G點：最終達到壓裝止點，壓裝力急劇增加。

其中，由于壓裝部件的設計，其在到達壓裝止點前不會出現(xiàn)全配合階段，因而一些壓裝過程沒有特征點D、E；有些壓裝要求壓倒指定深度距離止點有一定距離，因而不會出現(xiàn)特征點F、G。但對于壓裝工藝的力位移曲線模型一定具有上述七點特征。

對于同一壓裝過程具有多處的壓裝配合位置時，上述理論曲線依然適用，只是多個上述過程的曲線疊加。

2.壓裝過程監(jiān)控

不同的壓裝過程有不同的特性及其失效，實際生產(chǎn)過程對于曲線的監(jiān)控應該考慮的失效見表1。

壓裝類型及特點

常見的壓裝按照連接件的材料硬度可以分為剛性壓裝、柔性壓裝和過渡壓裝，具體如下。

1.剛性壓裝

剛性壓裝一般是為了獲得較高的連接強度，會選用強度較高且具有一定延展性不易碎裂的金屬（見圖3）。對過盈量及壓裝面表面粗糙度一般具有極高要求。

其壓裝配合力可以通過仿真計算得出，具有很高的理論一致性。但由于其高硬度，其壓裝配合力與過盈量強相關。考慮到批量生產(chǎn)的能力，實際過盈量一般≥0.05mm。而這個范圍內(nèi)的配合力波動會從幾百牛到幾萬牛不等（見圖4），其配合力很難評價。一般采用壓力控制，位移監(jiān)控的壓裝控制邏輯，主要監(jiān)控拐點特征。

2.柔性壓裝

柔性壓裝一般是為了獲得密封性或者低強度的緊固功能，一般密封會選用柔性密封圈作為壓裝配合的中間連接體（見圖5），或者是選用易變形的薄壁零件，顯著特點是會產(chǎn)生彈性變形壓力曲線形成壓力降。

其壓裝過程一般是最柔軟的零件受擠壓后發(fā)生變形，相對硬度較高的零件保持形狀，壓裝配合力對過盈量的波動不是很大，但終止位移卻波動較大。因此一般采用位移控制，壓力監(jiān)控的壓裝控制邏輯，主要監(jiān)控曲線形狀（見圖6）。

3.過渡壓裝

過渡壓裝是介于剛性壓裝與柔性壓裝之間，是為了緊固不受力的小零件。例如pressfit工藝，金屬與開放邊緣塑料零件的壓裝，顯著的特點是壓裝會產(chǎn)生一定程度的塑性變形（見圖7），壓裝曲線形成壓力降（見圖8）。一般根據(jù)裝配需求可選擇位移控制也可選用壓力控制，主要監(jiān)控壓力降。

4.監(jiān)控策略推薦

對于不同壓裝類型其壓裝過程存在一些細節(jié)差異，故而需要在監(jiān)控窗口的設定上進行一些特殊的考慮。結(jié)合實際的壓裝缺陷探測，推薦如圖9所示的監(jiān)控窗口策略供參考。窗口設定方法見表2。

壓裝機構(gòu)設計

完整的壓裝系統(tǒng)包括壓裝零件、硬件、軟件三部分組成。軟件一般由外部PLC編程實現(xiàn)或由近年來的集成控制策略的電子伺服壓機內(nèi)部實現(xiàn)，本文不做具體的陳述。

1.壓裝零件

壓裝基體：指壓裝過程中的靜止部件，產(chǎn)品設計需考慮定位，壓裝受力等因素。

壓裝零件：指壓裝過程中移動的零件，設計需要考慮內(nèi)壁面在壓頭上的定位及固定方式，壓裝過程中壓頭對內(nèi)壁面的支撐，受力面的支撐面積等因素。

2.硬件

1）壓裝定位座：指定位壓裝基體的機構(gòu)，需要提供基體零件的定位，需要考慮壓裝的位置度、垂直度，對于剛性接觸壓裝至關重要。

2）夾持機構(gòu)：指將裝配基體固定在定位座的機構(gòu)，主要作用為壓裝前的零件位置歸正，及壓裝后壓頭舉升時防止將零件帶起。此部分可以獨立設計，也可以與壓裝運動部件設計在一起，但注意如果設計在一起需要考慮加持機構(gòu)產(chǎn)生的力不能夠作用于力矩傳感器，從而避免對于壓裝過程的干擾。現(xiàn)實應用中有不少案例由于這點考慮不周導致壓裝質(zhì)量問題沒法得到有效的探測。

3）支撐機構(gòu)：壓裝時壓力會施加到零件的配合受力周邊，為減小零件的變形會增加對零件局部受力面的支撐。在壓裝力不大時，這部分有時候會與定位座設計合并設計成一個機構(gòu)。

4）鎖止機構(gòu)：為了避免壓裝的沖擊對于支撐部件的沖擊，或者壓裝力很高時對于支撐機構(gòu)的損壞，增加鎖止機構(gòu)來為壓裝提供穩(wěn)定可靠支撐。現(xiàn)實應用中，長時間的使用下鎖止機構(gòu)出現(xiàn)卡滯、磨損、表面異物等會導致支撐不穩(wěn)，導致壓裝監(jiān)控出現(xiàn)突變報警。

5）壓頭機構(gòu)：壓頭是固定壓裝零件的機構(gòu)，作用之一是為壓裝零件提供姿態(tài)定位，其垂直度、與定位座的相對位置度決定了壓裝過程的對中性。與零件壓裝的受力面原則為那里受力支撐那里。例如軸承的壓裝，軸承內(nèi)圈受力支撐內(nèi)圈，外圈受力支撐外圈，否則會損壞軸承自身的裝配結(jié)構(gòu)。此外，如果是環(huán)形零件壓裝，壓頭還為零件提供輔助支撐，保證保證過程零件不產(chǎn)生潰縮變形的作用。故而其配合間隙需要驗證合適。過大則壓裝后無法順利脫出，過小則會使壓裝后零件變形。

6）監(jiān)控單元：指采集力及位移信號的裝置。現(xiàn)在的伺服壓裝機構(gòu)都有集成。采用氣缸壓裝的也可集成外置的模塊。但需注意力采集機構(gòu)的安裝間隙，需要保證空壓狀態(tài)傳感器不受力，但在壓裝時一旦受力可以等效地顯示壓裝力。安裝間隙過小易使壓力傳感器受沖擊損壞，安裝間隙過大，在剛韌入時傳感器無法壓縮受力對韌入過程監(jiān)控失效。實際使用過程中還得考慮壓頭機構(gòu)的自重如果平衡，一般而言壓頭機構(gòu)重達200N左右，如果不平衡掉對于初韌要求較高的壓裝過程監(jiān)控便是失效的，極易產(chǎn)生無法探測的質(zhì)量問題。

結(jié)語

本文從壓裝原理開始論述，總結(jié)描述了壓裝的七點曲線模型。總結(jié)分類了壓裝的三種類型：剛性壓裝、柔性壓裝、過渡壓裝，并對每種壓裝的壓裝特性及其壓裝控制策略進行綜述。系統(tǒng)化地綜述了壓裝工藝從零件設計到軟件、硬件集成設計的要點，并結(jié)合實際工藝經(jīng)驗給出防范措施。

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