基于交互正交試驗的塑料熱風鉚接工藝參數優化

中圖分類號：TQ320.66 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20240329

Optimizationof Plastic Hot Air Riveting ProcessParameters Based onInteractive Orthogonal Test

Guo Chundong， Han Tao （School ofEconomicsand Management，Hebei UniversityofScienceandTechnology，Shijiazhuang050018）

Abstract：Aimat the undersirable situations occurring during the forming process of plastic hot-air riveting，with the purposeof improving thequalityof therivet head，thispaper explores theoptimal parametersetingsof hotair riveting process toimprove thequalityof rivet head.Bychanging the heating time，heating temperatureandcylinder pressureofthehotairrivetingequipment，theorthogonaltestofhotairrivetheadqualityconsidering theinteractionis performed.Themulti-indexevaluation process of plastichot air rivet headis established.TOPSIS method isused to sort outtheresultsof multiple evaluation indexesas theresponsevariables of orthogonal test，and theresultsof orthogonal testare analyzed byrange analysis and variance analysis.Theresultsshow thatthecomprehensive scoreof thequalityoftheplastichotairrivetheadisthehighest，whichisO.8357whenthe heatingtimeof thehotairriveting equipment is 3s，heating temperature is 190°C and cylinder pressure is 0.7MPa

Key words：Plastic hotairriveting，Orthogonal test，Combination weighting method，TOPSIS method， Qualityoptimization

1前言

作為一種成本低廉、加工高效的永久性固定裝配技術，塑料熱風鉚接技術常用于塑料件與其他元件之間的緊固連接，并廣泛應用于宇航軍工、電子電氣、汽車等行業的生產中3。在實際生產過程中，熱風鉚接墩頭常常出現墩頭表面龜裂、拉絲，墩頭明顯歪斜，墩頭強度不足等不良情況。

材料替代作為結構輕量化的重要途徑，已成為汽車和航天飛行器發展的重要研究主題]。由于塑料具有輕量性和高延展性等特點，采用塑料材料代替金屬材料是輕量化的一個主流趨勢[2]。

王曉東等提出了一種基于計算流體動力學（ComputationalFluidDynamics，CFD）的熱空氣加熱下ABS塑料的熔化模型，根據預試驗得到的各因素參數范圍進行了正交試驗，建立了多元非線性回歸模型，對不同參數下的熔化速率進行了預測，并驗證了預測模型的有效性。曾曉天采用分子動力學模擬方法從微觀尺度分析了高分子材料的焊接過程，并且以拉伸強度作為焊接質量的衡量指標，利用Design-Expert軟件設計了多焊接參數交互作用試驗方案，通過響應面法建立焊接強度與焊接參數的數學模型，可預測不同焊接參數下的焊接強度。崔軍勇對塑料鉚釘熱鉚接壓鉚過程進行了分析，研究了壓鉚過程中塑料鉚釘被鐓粗時遵循的材料流動規律，在此基礎上，分析了熱鉚接過程中產生的塑料鉚釘的變形狀態以及鉚釘變形的影響因素。

在熱風鉚接的工藝研究中還存在以下不足：一是目前在探究熱風鉚接效果的影響因素研究中，對影響因素之間的交互作用考慮較少，如果忽略交互作用，則會影響最終因素水平選定的準確性；二是目前對于熱風鉚接產品質量的判定指標較為單一，未考慮鉚接墩頭質量的多指標評價問題。

因此，以某產品塑料鉚接墩頭為試驗材料，設計考慮因素間交互作用的正交試驗方案，建立熱風鉚接產品質量多指標評價過程；通過直觀分析法和方差分析法得出各因素及其交互作用對熱風鉚接質量的影響程度，最終確定工廠熱風鉚接工藝過程關鍵參數水平設置。

2試驗材料與方法

2.1 試驗材料

研究選定試驗產品為汽車轉向功能模塊中某金屬彈片開關，其主要由塑料底座與金屬彈片通過熱風鉚接緊固連接而成。塑料底座中預留了定位柱和鉚柱，金屬彈片中包含4個彈性臂，金屬彈片通過不同的觸點實現電路導通和對應功能。鉚接成形墩頭不良會影響金屬彈片緊固效果，從而影響其電路導通效果，嚴重時可造成汽車部分功能失效。底座主要材料為共聚甲醛（POM/CM90）材料，金屬彈片材料為磷錫青銅（CuSn6），通過熱風鉚接緊固后的產品結構關系如圖1所示。

2.2 試驗設備

試驗采用工廠現有的熱風鉚接設備，其主要由熱熔模塊和冷鉚頭壓鉚模塊2個功能模塊組成。熱熔模塊是由熱熔機構產生的加熱氣體通過熱風型腔導入出風管再由出風管導出，熱風對材料進行熱傳導，使其自身的分子在熱運動的作用下發生遷移和擴散，達到熔融的狀態。冷鉚頭壓鉚模塊是由熔融狀態的鉚柱與壓鉚模塊的金屬冷鉚頭發生接觸，熔融狀態的鉚柱在壓力的作用下被擠壓成形；金屬成形冷鉚頭保壓一段時間，使鉚柱在保壓的過程中，自身的分子隨著溫度的下降和外在壓力的作用再次發生纏繞、冷卻、結晶和定型[7]

試驗設備除工廠現使用的熱風鉚接設備外，還包括工業溫度計（氣體熱電偶探頭）、高精度數顯式游標卡尺、高精度數顯式高度計、萬能拉力試驗機等。

2.3 試驗內容

由于實際生產條件和需求不同，熱風鉚接設備的開發與設計往往具有一定的獨特性。根據工廠熱風鉚接設備實際情況、實際生產經驗以及加工材料的特性，結合相關研究，確定在試驗條件下所要研究的影響因素，驗證所選定的因素對熱鉚質量的影響是否顯著，探究所選因素及其交互作用對熱風鉚接質量影響程度和規律。

2.4質量目標

目前，工廠對于熱風鉚接的墩頭質量要求主要包括2個方面：一是產品的外觀，要求墩頭外觀良好、圓潤、無拉絲、位置無偏斜；二是強度方面，要求熱風鉚接后的墩頭強度越高越好。

根據工廠對熱風鉚接產品質量的實際要求建立質量評價流程，并對交互正交試驗的產品質量目標進行定義。產品質量評價包括3個階段：第一階段為外觀檢測，在外觀合格的基礎上進行后續檢測；第二階段為墩頭的外觀測量；第三階段為拉拔力測試，測量墩頭能承受的最大破壞力。最終對所得到的檢測結果進行逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by SimilaritytoIdealSoltuion，TOPSIS）綜合評價，輸出綜合得分，并定義墩頭質量評價綜合得分最大化作為此次試驗的質量目標。鉚接質量評價流程圖如圖2所示。

2.5 塑料熱風鉚接常見不良

常見的塑料熱風鉚接不良有墩頭歪斜、墩頭表面拉絲、墩頭表面龜裂、墩頭表面有破壞性壓痕、鉚釘溢料等。在工廠實際生產過程中，常見的鉚接外觀不良主要是鉚釘溢料和鉚接不充分。工廠鉚接墩頭常見不良情況如圖3所示，良好鉚接墩頭如圖4所示。

3塑料熱風鉚接工藝正交試驗設計

3.1 正交試驗因素水平

為準確制定正交試驗因素水平，設計單因素熱風鉚接試驗方案以獲取工藝參數水平區間，單因素試驗以外觀檢測結果作為判定指標，依據單因素試驗結果進行后續正交試驗因子水平范圍和取值的確定，并進一步分析各工藝參數對熱風鉚接產品質量的影響程度。

經過單因素試驗，本次正交試驗最終選定了3個因素進行研究，分別為加熱時間（A）加熱溫度（B）與氣缸壓力（C），研究所選定因素對塑料熱風鉚接墩頭質量的影響程度，每個因素根據單因素試驗結論結合工廠實際情況選取3個水平，作考慮交互作用的正交試驗表，最終確定的正交試驗因素和水平情況如表1所示。用 A₁～A₃?B₁～B₃?C₁～C₂ 表示對應水平因素。

3.2 正交試驗響應變量

根據工廠實際需求，外觀方面評價指標包括墩頭覆蓋面的最長距離、最短距離以及墩頭的高度，強度方面測量成形墩頭所能承受的最大拉拔力。為更加合理地進行熱風鉚接工位產品質量評價，采用層次分析（AnalytieHierarchyProcess，AHP）-熵值法確定所選定的4個評價指標的綜合權重，既保證了數據經過客觀、系統的處理，又添加了主觀意識，使評價指標的權重值更為科學合理。TOPSIS能夠通過有限個評價指標與理想目標的接近程度進行排序，對評估對象的相對優劣程度進行評價[8]，故使用TOPSIS對所得試驗數據進行各組間試驗的綜合評分，將結果作為正交試驗的響應變量。

3.3交互正交試驗設計方案

針對3因素3水平且考慮因素間交互作用的正交試驗，選用交互正交表 進行試驗設計，對加熱時間、加熱溫度、氣缸壓力3個因素進行正交試驗，以探究各因素及各因素間的交互作用對熱風鉚接產品質量的影響，采用TOPSIS將多指標評價結果整合為綜合得分作為正交試驗的響應變量，并結合極差分析與方差分析法得到所選定影響因素的最佳參數水平組合。

每組試驗進行3次平行試驗，試驗結果以3次試驗的平均值表示，最終的交互正交試驗指標測量結果如表2所示。

根據產品開發階段設計的鉚柱實際尺寸，結合試驗過程中對不同工藝條件下的產品評價，對4個熱風鉚接質量評價指標分別進行了評價和最優狀態的確定，墩頭覆蓋面最佳狀態為直徑為2.75mm 的圓形覆蓋面，墩頭高度最佳狀態為0.90mm ，拉拔力為望大型指標。

3.3.1 AHP方法確定指標主觀權重

將熱風鉚接質量判定作為一級指標，4個評價指標要素設定為二級指標，建立層次分析法模型如圖5所示，通過德爾菲專家賦分法得到各因素的相對重要比。

層次分析法對指標賦權時，信息來源于專家對每層次各元素之間的相對重要性所作的判斷。各元素之間的相對重要性用1＼～9及其倒數進行標度，得到判斷矩陣后需要計算判斷矩陣的最大特征值并進行矩陣一致性檢驗。

本次專家賦分對象為該產品開發設計師、工藝工程師、質量工程師等相關從業人員，共回收有效問卷15份。各子要素相對重要性按照將15份打分表加和后取平均的方法進行整理，最終得到熱風鉚接質量評價指標的AHP判斷矩陣如表3所示。

根據整理后的專家打分結果進行數據處理后，計算判斷矩陣的最大特征值、一致性指標（ConsistencyIndicator，CI）和矩陣一致性比率（ConsistencyRatio，CR），通常，當CR小于O.1時認為一致性檢驗通過[]，此次判斷矩陣的CR小于0.1，一致性檢驗通過，最終得到AHP分析結果如表4所示。

3.3.2 熵值法確定指標客觀權重

熵值法可以用來度量數據所提供的有效信息。某個評價指標的熵值越小，所能提供的信息越多，相應的權重也就越大，反之，指標權重就越小。因為信息熵是通過原始數據所得到的，所以信息熵具有很強的客觀性。

熵值法的具體算法步驟如下：

a.已知 i 個對象和 j 個屬性， z_ij 為第 i 個對象的第j個屬性值。

b.將屬性進行歸一化處理，此處采用極差法，確定指標類型及其參數值進行歸一化。

c.計算第 j 個屬性下第 i 個對象占該指標的比重Pij：

d.計算第 j 項指標熵值 E_j

當 P_ij=0 時 。

e.計算第 j 項指標的差異系數 G_j

G_j=1-E_j

f.計算第 j 項指標的權重 W_j

通過熵值法的計算過程，對交互正交試驗的4個評價指標進行客觀權重的計算與整理，結果如表5所示。

3.3.3 評價指標組合權重

使用AHP-熵值法確定評價指標的權重，既可保證數據自身的客觀性，又考慮了相關專家的主觀判斷，使評價指標的權重的賦值更加科學合理。

層次分析法得到的各因素主觀權重為WAHP，記為 ，n=1，2，3，4 ，記

熵值法得到的各因素客觀權重為 ，記為W_en，n=1，2，3，4 ，記

將各因素的綜合權重 記為 W_n，n=1，2，3，4 記

則

W=θW_AHP+（1-θ）W_EM

式中，綜合權重隨著 θ 的變化發生改變，研究認為主觀權重與客觀權重同等重要，因此采取 θ=0.5 ，代入式（8）中計算，最終得到各評價指標綜合權重如表6所示。

3.3.4TOPSIS綜合評價結果

TOPSIS是一種理想目標相似性的順序選優技術，在多目標決策分析中是一種非常有效的方法[12]，其通過歸一化后的數據規范化矩陣找出多個目標中最優目標和最劣目標（分別用理想解和反理想解表示），分別計算各評價目標與理想解和反理想解的距離，獲得各目標與理想解的貼近度，按理想解貼近度的大小排序，以此作為評價目標優劣的依據[13]。經過TOPSIS計算與數據處理，最終得到交互正交試驗結果如表7所示。

4試驗結果與討論

4.1 直觀分析法

直觀分析法利用數據計算極差進行比較分析，根據表7中的數據，計算出每個因子的平均值k_ij 以及各因素的極差。極差（R）越大，表明該因素對試驗指標值的影響越大[14]。其中， k_ij 為因素j在水平i下各試驗結果的平均值，i為因素的水平 ，j 為因素的序號。具有交互作用的 R 值為相應列的極差之和，各因素及其交互作用的直觀分析結果見表8。

直觀分析表明，不同工藝條件下熱風鉚接產品質量綜合得分表現出明顯差異，其得分變動范圍為 0.2193～0.8357 ，差值為0.6164，最大值約為最小值的3.81倍。熱風鉚接質量與其工藝參數設置密切相關，因此，欲獲得具有高質量的熱風鉚接產品，優化工藝參數設置十分重要。極差能夠反映各因素及因素間交互作用對熱風鉚接質量綜合得分的主次順序。直觀分析結果表明，

A，B 和 c 所產生的 R 值分別為： 0.1540.0.2997 和 0.069 4 。定義 A×B 為 A，B 因素的交互作用，其他依此類推。交互作用 A×B?A×C?B×C 所產生的R 值分別為 0.142、0.0577、0.1103 。其中，加熱溫度的 R 值最大，為0.2997，表明加熱溫度對熱風鉚接質量影響程度最高，各因素及其交互作用對熱風鉚接產品質量綜合得分影響程度由強到弱依次為加熱溫度 （B） 、加熱時間（A）加熱時間與加熱溫度的交互（ A×B ）加熱溫度與氣缸壓力的交互（ B×C ）、氣缸壓力 （C） 、加熱時間與氣缸壓力的交互 （A×C） 。

4.2方差分析法

方差分析通過將總離差平方和分解為各因素的離差平方和與誤差離方平方和，生成方差分析表，對因素效應和交互效應的顯著性作檢驗[15]，顯著性水平 α 常用 0.01，0.05，0.1 ，本文選用 α=0.05 。在直觀分析中，通過各因素極差的大小來評估實驗指標影響的強弱，屬于定性分析，其中的極差大小沒有客觀標準，方差分析彌補了極差分析的不足[。將各因素分析結果列于如表9所示的方差分析表中， S_s 為離差平方和， d_f 為自由度， M_s 為均方， F 為 F 統計量， e 為誤差項，P 為顯著性概率，當某因子 P 小于0.05時，則認為該因子是顯著的。

由顯著性分析結果可知，各因素及其交互作用對熱風鉚接質量的影響程度由大到小依次為加熱溫度（B）、加熱時間 （A） 加熱時間與加熱溫度的交互 （A×B ）、氣缸壓力 （c） 、加熱溫度與氣缸壓力的交互（ （B×C） 、加熱時間與氣缸壓力的交互（ （A× c ）。其中加熱溫度 （B） 加熱時間（A）加熱時間與加熱溫度的交互 （A×B ）、氣缸壓力 （C） 、加熱溫度與氣缸壓力的交互 （B×C） 為顯著影響因子。

由直觀分析法可知，加熱時間（A）的最優水平為 A₂ ，加熱溫度 （B） 的最優水平為 B₂ ，氣缸壓力的最優水平為 C₃ ，但方差分析表明，加熱時間和加熱溫度間交互作用對熱風鉚接質量得分有顯著影響，為進一步確定 A，B 因素間不同水平如何組合對于獲得高質量熱風鉚接產品十分重要。因而，對此二者不同水平組合下的綜合得分進行分析，如圖6所示。

由圖6可知， A₂+B₂ 組合下的熱風鉚接產品質量綜合得分最優，該組合下所有試驗組平均得分為0.7631，優于其他水平組合的平均綜合得分，為最佳水平組合，與直觀分析結果一致。

由于氣缸壓力 （C） 為顯著項，結合直觀分析，其最優水平為 C₃ 水平，但方差分析表明，加熱溫度與氣缸壓力的交互（ （B×C） 為顯著因子，故同理，對此二者不同水平組合下的綜合得分進行分析，結果如圖7所示。

由圖7可知， B₂+C₃ 組合下的熱風鉚接產品質量綜合得分最優，該組合下所有試驗組平均得分為0.6958，優于其他水平組合的平均綜合得分，為最佳水平組合，與直觀分析結果一致。

故最終得到最佳工藝參數組合為 A₂+B₂+C₃ ，即加熱時間為3s、加熱溫度為 、氣缸壓力為0.7MPa 時，該工廠塑料熱風鉚接質量綜合得分最高。

5 結論

a.試驗過程中所采取的AHP-熵值組合賦權法對于多指標評價的指標權重確定更加合理；試驗所采用TOPSIS進行的多指標評價結果的整合有利于后續正交試驗數據的分析，為產品質量多指標評價提供了新的思路。

b.影響熱風鉚接質量程度由大到小依次為加熱溫度、加熱時間、加熱時間與加熱溫度的交互作用、加熱溫度與氣缸壓力的交互交互作用、氣缸壓力、加熱時間與氣缸壓力的交互作用。

c.加熱溫度、加熱時間、加熱時間與加熱溫度的交互、氣缸壓力、加熱溫度與氣缸壓力的交互作用是顯著的，所以在設計試驗和后續分析時不能忽略因子之間的交互作用對于熱風鉚接質量的影響。

d.所研究熱風鉚接工藝的最佳參數設置組合為加熱時間3s、加熱溫度 190° 、氣缸壓力為0.7MPa 時，所得到的熱風鉚接產品質量最符合工廠實際需求。

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