龐世松 馬保仁 張?zhí)炝?/p>

摘? 要：壓裝工藝通常通過(guò)控制壓裝行程及壓裝力大小達(dá)到產(chǎn)品要求，早期壓裝工藝只控制壓裝行程，易造成零件虛壓，或零件受壓力過(guò)大損傷未能發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致使用失效。該文根據(jù)某型CVT鋁合金殼體油道鋼球市場(chǎng)失效漏油問(wèn)題研究解決方案，根據(jù)現(xiàn)有理論公式推導(dǎo)鋼球和鋁合金殼體孔壓裝力設(shè)定計(jì)算，確認(rèn)壓裝力工藝設(shè)定準(zhǔn)確性，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件和問(wèn)題現(xiàn)狀找到正確的工藝解決方案，為同類機(jī)械結(jié)構(gòu)工藝壓裝力理論計(jì)算提供解決方法。

關(guān)鍵詞：壓裝力；鋼球；壓裝工藝；壓裝影響；過(guò)盈配合

中圖分類號(hào)：TG161? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）08-0153-05

Abstract： The pressing process usually meets the product requirements by controlling the pressing stroke and force， and the early pressing process only controls the pressing stroke， which is easy to cause virtual pressure on the parts， or the parts can not be found due to excessive pressure and failure. This paper studies and solves the problem of oil leakage in the market of a certain type of CVT aluminum alloy shell oil channel steel ball， deduces the setting calculation of the hole pressing force of the steel ball and aluminum alloy shell according to the existing theoretical formula， confirms the accuracy of the process setting of the pressing force， and finds the correct process solution according to the actual production conditions and the present situation of the problem， so as to provide a solution for the theoretical calculation of the pressing force of the same kind of mechanical structure.

Keywords： pressing force; steel ball; pressing process; pressing influence; interference fit

鋼球與機(jī)加工孔徑配合密封是一種常見(jiàn)機(jī)械摩擦副密封方式，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械部件液體通道密封。鋼球密封設(shè)計(jì)選用過(guò)盈配合方式，制造使用壓裝方式實(shí)現(xiàn)。密封原理依靠包絡(luò)鋼球外徑少部分球體的金屬產(chǎn)生塑性形變形成密封帶，有效長(zhǎng)度短，對(duì)壓裝工藝壓力響應(yīng)不靈敏，無(wú)法有限監(jiān)控過(guò)程壓裝力。本文對(duì)鋁合金孔與鋼球密封配合失效問(wèn)題解決方法做工藝研究，推導(dǎo)壓裝力計(jì)算、控制、優(yōu)化的過(guò)程，說(shuō)明鋼球壓裝工藝壓力設(shè)定方法。

1? 鋼球壓裝失效問(wèn)題

1.1? 鋼球密封失效信息

某型CVT殼體年產(chǎn)約20萬(wàn)臺(tái)，Φ4.5 mm潤(rùn)滑油道孔選用鋼球密封。量產(chǎn)初期工廠及售后故障信息反饋油道密封失效漏油（表1），在不同里程、不同供貨商中存在鋼球密封不嚴(yán)、鋼球脫落等問(wèn)題產(chǎn)生漏油失效。

1.2? 鋼球密封工藝過(guò)程

鋼球裝配關(guān)聯(lián)工藝過(guò)程為鋼球孔粗精鉸孔—孔清洗—鋼球壓裝—油道孔密封測(cè)試（供貨商處）—CVT總成密封測(cè)試—整車(chē)路跑試驗(yàn)。

1.3? 產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息

鋼球過(guò)盈量設(shè)計(jì)為0.016～0.058 mm，裝配關(guān)系如圖1所示，鋼球?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)鋼球，材料為GCr15軸承鋼，殼體材料為鋁合金ADC12，鋼球密封要求油道在0.3 MPa工作油壓下可靠地密封。

（a）? 鋼球?qū)嵨锇惭b示意

（b）? 鋼球安裝配合尺寸

2? 鋼球壓裝力影響因素及計(jì)算

鋼球壓裝是金屬與金屬間的裝配，影響壓裝力因素有配合過(guò)盈量、金屬間摩擦力、金屬材料彈性和壓裝結(jié)構(gòu)包絡(luò)面長(zhǎng)度等，這些因素變動(dòng)壓裝力隨之變動(dòng)。如圖2所示，鋼球壓裝包絡(luò)結(jié)合長(zhǎng)度Lf很短，可忽略上端孔徑壓入口形變尺寸影響，按鋼球水平中心線對(duì)稱方式測(cè)算Lf。

2.1? 壓裝力計(jì)算模型

壓裝力計(jì)算模型如圖3所示，包容件為壓裝內(nèi)孔，被包容件為壓裝件，壓裝件受到壓力F作用壓入包容件，包容件發(fā)生形變產(chǎn)生F阻力，包括金屬形變、過(guò)盈量、壓裝摩擦等因素引起的阻力。圖3中Lf、di、df、da等為結(jié)構(gòu)中影響壓裝力的幾何參數(shù)。

壓裝力隨壓裝行程變化，被包容件克服阻力F向前推進(jìn)，壓裝行程終了時(shí)壓裝力最大。

2.2? 壓裝力計(jì)算公式

根據(jù)圖3壓裝模型，壓力F與被包容件結(jié)合面承受的單位最大壓力，結(jié)合面長(zhǎng)度，結(jié)合面直徑及結(jié)合面摩擦系數(shù)有關(guān)，壓裝力計(jì)算公式如下

F=Pfmax×π×df×Lf×u，（1）

式中：F為壓裝力（kN）；df為結(jié)合直徑（mm）；Lf為結(jié)合長(zhǎng)度（mm）；μ為結(jié)合面摩擦系數(shù)；Pfmax為結(jié)合面承受的最大單位壓力（kN/mm2），影響因素有壓裝過(guò)盈量，配合件材料彈性模量，配合件作用直徑，配合件材料的泊松系數(shù)。其計(jì)算公式如下

Pfmax=δmax/df（Ca/Ea+Ci/Ei），（2）

式中：δmax為最大過(guò)盈量（mm）；Ea為包容材料彈性模量（kN/mm2）；Ei為被包容材料彈性模量（kN/mm2）。

Ca為系數(shù)，計(jì)算公式為

Ca=[（da2+df2）/（da2-df2）]+v，（3）

Ci為系數(shù)，計(jì)算公式為

Ci=[（df2+di2）/（df2-di2）-v，（4）

式中：da為包容件外徑（mm），如為殼體類零件則為壁厚+孔徑，本例最大包裝直徑為24.84 mm；di為被包容件內(nèi)徑，實(shí)心軸為0（mm）；v為材料泊松系數(shù)。

2.3? 壓裝力計(jì)算相關(guān)參數(shù)值選擇方法

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇壓裝力計(jì)算的配合件相關(guān)參數(shù)值。根據(jù)包容件和被包容件的零件材料，壓裝工藝是否有潤(rùn)滑進(jìn)行區(qū)分，總結(jié)選擇推薦值見(jiàn)表2、表3。鋼球壓裝通常不推薦使用潤(rùn)滑油，自帶少量防銹油忽略。Φ4.5 mm鋼球壓裝問(wèn)題未使用潤(rùn)滑油，μ選擇0.17，鋁合金彈性模量E選擇69 kN/mm2，泊松系數(shù)v范圍0.32～0.36。

2.4? 鋼球壓裝力計(jì)算

2.4.1? 鋼球壓裝軸向配合長(zhǎng)度Lf理論計(jì)算

鋼球壓裝結(jié)構(gòu)與圖3模型差異為鋼球壓裝外徑最大為線而不是面，需根據(jù)過(guò)盈量計(jì)算軸向配合長(zhǎng)度，參照?qǐng)D2，忽略孔徑入口端變形影響，利用幾何關(guān)系直接使用CAD軟件作圖，可以輕松求出Lf長(zhǎng)度范圍0.38～0.72 mm，見(jiàn)表4。

2.4.2? 壓裝力理論計(jì)

通過(guò)在2.2步驟對(duì)鋼球壓裝參數(shù)選擇，3.1步驟配合長(zhǎng)度Lf測(cè)算，應(yīng)用公式（1）—公式（4）進(jìn)行壓裝力校核，結(jié)果見(jiàn)表5?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)參數(shù)為最小壓裝力0.138 kN，最大壓裝力0.953 kN。

3? 壓裝力監(jiān)控分析

鋼球壓裝設(shè)備為非標(biāo)設(shè)備，使用壓縮空氣為壓裝動(dòng)力，本例問(wèn)題壓裝設(shè)備為氣源壓力0.5～0.6 MPa，壓力監(jiān)控范圍設(shè)置為0.4～5 kN，當(dāng)壓力超過(guò)范圍設(shè)備可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能?，F(xiàn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)盈量0.016～0.058 mm，理論壓裝力范圍為0.138～0.953 kN，壓裝設(shè)備壓力監(jiān)控不能覆蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)確定的工藝壓裝力范圍，需找到影響根源并改進(jìn)。

3.1? 鋼球外徑尺寸尺寸分析

抽查鋼球尺寸30件，球徑變動(dòng)量范圍在SΦ4.499～SΦ5.001 mm，相對(duì)于設(shè)計(jì)公差±0.015 mm，鋼球生產(chǎn)工藝成熟且穩(wěn)定，評(píng)估可忽略鋼球外徑對(duì)壓裝力影響。

3.2? Φ4.5 mm鋼球孔尺寸分析

抽查125件安裝孔直徑，統(tǒng)計(jì)過(guò)程能力，直方圖如圖4所示，Cpk值1.21，存在孔徑超上下差風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)據(jù)分析顯示孔徑超下限及上限風(fēng)險(xiǎn)均存在，超下限過(guò)盈量增加，鋼球滲油及脫出無(wú)風(fēng)險(xiǎn)；超上限過(guò)盈量降低或無(wú)過(guò)盈，存在鋼球脫出風(fēng)險(xiǎn)，出現(xiàn)表1中失效。

注：圖中灰色虛線為用來(lái)參考的公差規(guī)格線。

如忽略標(biāo)準(zhǔn)鋼球球徑波動(dòng)，在安裝孔波動(dòng)情況下，按3.2方法測(cè)算壓裝范圍為0.373～0.608 kN，生產(chǎn)中實(shí)際壓裝力接近設(shè)備監(jiān)控范圍，但下限仍輕微超出監(jiān)控下限。

造成孔徑變化的因素有刀具刀刃磨損，刀刃夾屑，刀具主軸擺動(dòng)等綜合影響，孔徑變化導(dǎo)致壓裝力變動(dòng)在設(shè)備臨界位置無(wú)法有效監(jiān)控。

4? 壓裝力問(wèn)題的工藝解決方案

4.1? 壓裝力優(yōu)化方案評(píng)估及選擇

為消除鋼球密封不良問(wèn)題，需提升鋼球裝配中壓裝力監(jiān)控有效性。團(tuán)隊(duì)討論分析，可減小鋁合金加工孔徑，增大過(guò)盈量，利用現(xiàn)有壓裝設(shè)備壓裝力監(jiān)控系統(tǒng)，不增加成本，增加制造魯棒性等條件下制定措施。

原孔徑Φ4.5（-0.031/-0.043） mm公差帶22 μm，約為IT8.5精度，在不過(guò)渡提高孔徑公差精度等級(jí)情況下制定產(chǎn)品優(yōu)化方案。通過(guò)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇以下2種公差方案Φ4.5（-0.05/-0.068） mm和Φ4.5（-0.043/-0.061）mm，按3.2步驟計(jì)算理論壓裝力，見(jiàn)表6。

兩方案壓裝力比原方案均有所提高，加工精度一樣，公差帶不一樣，方案二最小壓裝力不在設(shè)備監(jiān)控范圍，選用方案一進(jìn)行優(yōu)化。

如忽略鋼球球徑波動(dòng)，僅安裝孔波動(dòng)情況下，按步驟3.2測(cè)算方案一鋼球壓裝力范圍為0.761～1.21 kN。壓裝力下限已抬升至設(shè)備監(jiān)控范圍內(nèi)，距離下限有0.361 kN的距離，提高了監(jiān)控可靠性。措施實(shí)施后設(shè)備壓裝力報(bào)警監(jiān)控范圍設(shè)置0.5～2.6 kN，提升設(shè)備有效性并篩選可疑件評(píng)估后再確定是否放行。

4.2? 措施效果跟蹤

方案一于2022年2月實(shí)施，優(yōu)化鋼球壓裝力工藝及監(jiān)控，市場(chǎng)售后未再發(fā)現(xiàn)同類問(wèn)題。通過(guò)大數(shù)據(jù)跟蹤，措施效果，見(jiàn)表7。低于新設(shè)定壓裝力的缺陷能有效識(shí)別，售后市場(chǎng)無(wú)鋼球滲漏油故障，鋼球壓裝能有效攔截鋼球壓裝異常件，措施有效。

5? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Φ4.5 mm鋼球失效問(wèn)題壓裝工藝研究，不增加生產(chǎn)成本，對(duì)產(chǎn)品公差帶位置微調(diào)達(dá)成現(xiàn)有工藝的監(jiān)控優(yōu)化，解決了問(wèn)題，為后續(xù)同類結(jié)構(gòu)工藝開(kāi)發(fā)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

以下幾點(diǎn)在本次問(wèn)題中未開(kāi)展，特地說(shuō)明。

1）本文未對(duì)鋼球設(shè)計(jì)合理過(guò)盈量選擇過(guò)多進(jìn)行研究，以未對(duì)及過(guò)盈量變化對(duì)壓裝配合中零件材料變形影響進(jìn)行分析。

2）本文未對(duì)壓裝表面粗糙度對(duì)壓裝影響做研究，僅以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)摩擦系數(shù)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

3）本文未對(duì)壓裝設(shè)備變化對(duì)壓裝影響進(jìn)行研究。

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