夏 偉 陸志強

(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院 上海 201804)

近些年來，渦輪增壓器作為一種節(jié)能、環(huán)保產(chǎn)品，由于可以減少發(fā)動機尾氣污染氣體排放量，降低燃油消耗等優(yōu)點，已成為乘用車和商用車主流配置。

作為渦輪增壓器主要的功能部件執(zhí)行器，其主要作用是當(dāng)增壓器過轉(zhuǎn)速工作時，推動放氣閥門，對渦殼中的廢氣進行分流排氣，從而保護渦輪增壓器不超常工作的一個產(chǎn)品，其產(chǎn)品質(zhì)量直接影響渦輪增壓器工作的可靠性。

渦輪增壓執(zhí)行器，其裝配制造工序為裝配、鉚接、卷邊、測試等，而其中鉚接工序的質(zhì)量最為關(guān)鍵，其失效會導(dǎo)致執(zhí)行器無法正常工作，進而導(dǎo)致渦輪增壓器超過額定轉(zhuǎn)速，影響發(fā)動機增壓工作。因此針對渦輪增壓執(zhí)行器鉚接工藝分析及優(yōu)化變得具有重要的應(yīng)用價值和實踐意義。

執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)是金屬板件和橡膠墊的鉚接連接形成密封腔體，實現(xiàn)氣缸結(jié)構(gòu)推動閥門開關(guān)，聯(lián)接方式以碾壓鉚接為主。碾壓鉚接技術(shù)比傳統(tǒng)鉚接技術(shù)有很多優(yōu)點：鉚接質(zhì)量較高、鉚接所需鉚接力小、工作效率高、噪音少等；它既可用于有鉚釘?shù)你T接，也可以用于無鉚釘?shù)你T接，甚至可以聯(lián)接許多難鉚接材料[1]。目前國內(nèi)外的鉚接制造技術(shù)和設(shè)備比較成熟，例如國外Baltec、Henrob等，國內(nèi)帕爾菲特、埃瑞特等公司，但是我國對擺動輾壓成形技術(shù)的研究起步較晚,針對碾壓鉚接制造過程的工藝研究并不多[2]。DOE是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為理論基礎(chǔ)，合理安排實驗的一種方法論，它的主要作用是降低試驗次數(shù)、提高試驗精度、使研究者從實驗結(jié)果中獲取無偏的處理效應(yīng)和實驗誤差的估計[3]。本文正是運用 DOE正交實驗設(shè)計方法以執(zhí)行器異種板件徑向鉚接制造工藝為研究對象，研究金屬板和橡膠墊鉚接在一起的結(jié)構(gòu)強度，分析關(guān)鍵工藝因素對鉚接結(jié)構(gòu)強度的影響規(guī)律，進而實現(xiàn)最優(yōu)工藝參數(shù)設(shè)置，并通過設(shè)備監(jiān)控過程工藝參數(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品可靠的批量生產(chǎn)制造，為相關(guān)鉚接工藝優(yōu)化提供借鑒。

1 連接結(jié)構(gòu)、鉚接設(shè)備和關(guān)鍵因素

1.1 鉚接結(jié)構(gòu)

執(zhí)行器鉚接結(jié)構(gòu)是由厚度t1為1.0 mm、t2為0.8 mm、 t3為1.0 mm碳鋼板材和厚度t4為0.8 mm橡膠墊組成，通過鉚接碾壓直徑a1為 5 mm鉚接高度h1為2.3mm的螺桿端頭，使中間橡膠墊成擠壓狀態(tài)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 異種板材聯(lián)接結(jié)構(gòu)

1.2 鉚接設(shè)備

根據(jù)執(zhí)行器聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，采用徑向鉚接聯(lián)接緊固板件，選用 Baltec 公司的徑向鉚接設(shè)備。鉚接方法是鉚沖頭在鉚接時，以相切于圓周的梅花狀的R軌道“徑向運動”，每個梅花狀的R軌道都在圓周中心相交，鉚釘端部材料受到較小的軸向力，鉚頭和鉚釘之間很小的接觸區(qū)域內(nèi)的鉚接達(dá)到屈服點，使被鉚材料沿徑向流動，使其徑向變形大于切向變形[4]。鉚接設(shè)備（如圖2所示）基本部件包括C型框架、控制系統(tǒng)、鉚接模具、伺服驅(qū)動等。設(shè)備參數(shù)：最大鉚接直徑Φ12 mm，最大鉚接力12 kN，行程5～40 mm，鉚接時間0.2～5.9 s。

圖2 鉚接設(shè)備

1.3 關(guān)鍵因素

影響徑向鉚接質(zhì)量的因素很多，如鉚接凹模幾何尺寸、夾緊工裝固定、設(shè)備鉚接力、鉚接時間、鉚接速度、材料間厚度、非金屬材料壓縮變形、鉚接厚度等。為了減少試驗成本和篩選微小影響因素，通過兩水平試驗和經(jīng)驗理論分析，結(jié)合研究對象執(zhí)行器零部件成熟的設(shè)計，并且零件制造中精確的公差控制，其尺寸偏差很小，可以忽略對鉚接工藝影響。為了滿足高效率快節(jié)拍的生產(chǎn)，在固定節(jié)拍下研究鉚接模具尺寸和鉚接力對鉚接后強度的影響十分必要。

鉚接凹模直徑D和深度h是主要特征尺寸（如圖3所示），直徑D影響鉚接后接頭直徑，深度h影響鉚接變形后的接頭厚。選取直徑D6.5 mm、7 mm、7.5mm，深度h1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm進行實驗。根據(jù)設(shè)備手冊推薦，選取鉚接力F為4.7 kN、5 kN、5.3 kN。

圖3 鉚接凹模

2 DOE正交實驗方案設(shè)計

依據(jù)以上說明，研究選取鉚接力F、凹模直徑D、凹模深度h作為試驗因素，使用標(biāo)準(zhǔn)的 L9(34)正交表[5]，表1為不同實驗組的比對分析，所有試驗都在相同的鉚接時間完成，并且鉚接后接頭無開裂、偏心，表面光滑半圓面，鉚接結(jié)構(gòu)無開裂間隙。

表1 徑向鉚接正交實驗表

3 鉚接結(jié)構(gòu)性能評價方法

正交實驗從3個方面對鉚接接頭性能進行評價，鉚接后接頭幾何尺寸、扭矩、拉力。鉚接后接頭幾何尺寸如圖1所示，通過測量直徑a2和高度h2綜合評價。鉚接結(jié)構(gòu)的扭矩越高表明橡皮膜受壓越好，氣密性能越好。鉚接結(jié)構(gòu)的拉力大小決定結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性。

拉伸試驗在WDW-100萬能電子測試臺上完成，設(shè)置拉伸速度為 1 mm/min，如圖4所示。扭矩實驗應(yīng)用DB6N4扭力扳手測量其最大扭力，精度0.1 Nm ，如圖5所示。

圖4 電子萬能實驗機

圖5 扭力測試扳手

4 試驗結(jié)果分析

鉚接后接頭形狀如圖6所示，測量結(jié)果見表2。

圖6 鉚接后接頭形狀

表2 接頭尺寸和扭矩、拉力實驗數(shù)據(jù)

4.1 實驗組結(jié)果和扭矩、拉力、接頭幾何尺寸關(guān)系曲線

實驗為鉚接高度不變的情況進行，鉚接變形的總體積變化很小，根據(jù)圖7顯示出鉚接結(jié)構(gòu)的拉力和扭力成反比關(guān)系，圖8顯示鉚接接頭高度h2和直徑a2也成是反比關(guān)系。

圖7 實驗組和扭矩、拉力關(guān)系

圖8 實驗組和接頭幾何尺寸關(guān)系

4.2 關(guān)鍵要素對鉚接接頭幾何尺寸影響規(guī)律

依據(jù)圖9、圖10顯示鉚接力對接頭直徑和高度影響規(guī)律不明顯，過大容易鉚接開裂，過小容易出現(xiàn)鉚接不牢固有間隙，鉚接力應(yīng)依據(jù)克服材料鉚接變形選取，適當(dāng)調(diào)整以滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求。

圖9 鉚接力和接頭直徑a2關(guān)系

圖10 鉚接力和接頭高度h2關(guān)系

依據(jù)圖11、圖12顯示凹模直徑和接頭直徑成正比，和接頭高度成反比，圖13、圖14顯示凹模深度和接頭直徑成反比，和接頭高度成正比。

圖11 凹模直徑D和接頭直徑a2關(guān)系

圖12 凹模直徑D和接頭高度h2關(guān)系

圖13 凹模深度h和接頭直徑a2關(guān)系

圖14 凹模深度h和接頭高度h2關(guān)系

4.3 接頭鉚接接頭幾何尺寸與鉚接結(jié)構(gòu)扭矩和拉力的關(guān)系

如圖15、圖16表明接頭直徑和扭矩成正比，和拉力成反比，接頭高度和扭矩成反比，和拉力成正比。

圖15 接頭直徑a2和扭矩、拉力的關(guān)系

圖16 接頭高度h2和扭矩、拉力的關(guān)系

依據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)分析得出，影響鉚接后接頭幾何尺寸、扭矩、拉力的因素規(guī)律中，凹模的直徑和深度最為關(guān)鍵，成比例關(guān)系；鉚接力次之。實驗組4是最優(yōu)工藝組，也驗證了在保證鉚接接頭無開裂和間隙前提下，可以應(yīng)用拉力和扭矩為性能評價指標(biāo)通過實驗設(shè)計優(yōu)化執(zhí)行器徑向鉚接工藝。

5 結(jié)語

(1)實驗數(shù)據(jù)表明，執(zhí)行器以厚度t1(1.0mm)、t2(0.8mm) 、t3(1.0mm)碳鋼板材和厚度t4(0.8mm)橡膠墊，鉚接直徑a1(5mm)鉚接高度h1(2.3mm)的鉚接結(jié)構(gòu)進行實驗驗證，結(jié)果表明實驗組4是最優(yōu)的工藝組合，即鉚接力4.7kN，凹模直徑7.0 mm，深度1.2 mm。

(2)正交實驗說明了在鉚接無開裂和間隙的前提下模具的幾何尺寸和接頭的幾何尺寸成正比。接頭的直徑和扭矩成正比，和拉力成反比。接頭的高度和扭矩成反比，和拉力成正比。接頭幾何尺寸和鉚接力無明顯規(guī)律。

(3)徑向執(zhí)行器鉚接工藝優(yōu)化應(yīng)綜合考慮模具對接頭幾何特征的影響規(guī)律。接頭的質(zhì)量應(yīng)考慮接頭扭矩和拉力兩項指標(biāo)，實際生產(chǎn)中可以通過接頭高度和直徑的測量，對鉚接力實時監(jiān)控，確保鉚接接頭性能的一致性，實現(xiàn)汽車行業(yè)批量制造的可靠性。