電火花線切割加工連桿裂解槽技術研究

劉曉寧 唐勇軍 張永俊

廣東工業大學,廣州,510006

0 引言

裂解技術因在經濟性和質量方面的顯著優勢,已成為連桿加工發展的必然趨勢[1]。裂解技術完全克服了連桿傳統制造工藝上的缺點,通過在連桿大頭曲軸孔適當位置預制裂解槽,再施加徑向裂解力,實現連桿體和蓋的脆性斷裂剖分。以自然形成的粗糙斷裂面實現連桿體和蓋的三維精確定位,無須加工[2]。與傳統連桿加工技術相比,裂解加工的連桿總生產成本可降低15%～20%,且該工藝可大幅提高產品質量[3]。

在整個裂解工藝中,連桿大頭曲軸孔裂解槽加工質量對裂解質量的影響至關重要,是裂解加工成功的前提與關鍵[4]。大頭曲軸孔中心兩側的裂解槽槽深、槽寬應嚴格一致,盡量減小其幾何參數的偏差,保證同時裂開,以獲得高質量的斷裂面的嚙合特性[5-6]。

裂解槽加工最初采用拉削方法,但該工藝由于其固有缺陷現已基本被淘汰。激光加工裂解槽是利用數控激光束進行切割的,其特點是：加工效率高、無工具損耗,但激光加工易在靠近裂解槽處黏附熔渣形成硬質點,造成后續精鏜時刀具崩刃;激光對焦繁瑣,對焦不精確易導致裂解時出現爆口缺陷;其加工的裂解槽寬度在0.1～0.3mm范圍內變化,裂解槽寬度的波動易造成產品質量不穩定;其設備一次性投入價格昂貴且使用維護成本高。

針對裂解槽加工難題,本文提出了一套全新的解決方案,即電火花線切割加工汽車連桿裂解槽技術。

1 連桿裂解加工技術

傳統的連桿加工采用分體加工工藝,用銑、拉、磨等方法分別加工連桿體和連桿蓋的接合面;粗加工及半精加工連桿體、大頭孔、小頭孔;精加工連桿蓋的定位銷孔及連桿體的螺栓孔;裝配連桿體與連桿蓋,精加工大頭孔和小頭孔[7]。

連桿裂解加工技術具體工藝過程是：①在連桿毛坯大頭孔的斷裂線處預先加工出兩條對稱V形裂解槽,形成初始斷裂源;②在裂解專用設備上對連桿大頭內孔側面施加徑向力,使裂紋由內孔向外不斷擴展直至完全裂解,最終連桿蓋從連桿本體上漲斷而分離出來;③在裂解專用設備上,再將裂解分離后的連桿蓋與本體精確復位,最后在斷裂面完全嚙合的條件下,完成螺栓工序及其他后續加工工序[8-9]。連桿傳統加工與裂解加工對比示意圖如圖1所示。

圖1 連桿傳統加工與裂解加工對比示意圖

與傳統加工方法相比較,裂解加工使裂解的連桿蓋、桿接合面具有完全嚙合的交錯結構,改善了接合面的接合質量,不需再進行接合面的加工,省去分離面的拉削與磨削等工序,同時簡化了連桿螺栓孔的結構設計和整體加工工藝,降低了螺栓孔的加工精度要求。此外,減小了連桿總成的大頭孔變形,使連桿承載能力、抗剪能力與裝配質量大幅度提高。因此,采用連桿裂解工藝具有加工工序少、節省機床設備投資、減小設備占地面積、降低刀具費用、節省能源、提高產品質量、降低生產成本等優點[8,10]。

2 裂解槽線切割加工方法

2.1 裂解槽的參數要求

連桿裂解加工關鍵技術是加工預制裂解槽、裂解加工連桿大頭孔及定扭矩裝配螺栓三道核心工序的自動化生產工藝與裝配。而連桿大頭孔預制裂解槽尺寸、加工方法、加工質量對裂解技術的先進性、實用性以及連桿質量的影響至關重要,是連桿裂解加工成功的基礎與前提。

裂解加工技術要求初始裂解槽的應力集中系數很大,以利于裂紋開啟,迅速擴展并發生脆性斷裂。在一定程度上,裂紋深度與斷裂強度成反比,當裂紋大于臨界深度時裂紋失穩。但由于裂解后要進行連桿大頭孔的精加工,故槽深尺寸不能太大,要綜合考慮大頭孔精鏜、珩磨余量,故槽深 H一般為0.6～0.8mm。且裂解V形槽槽寬越窄、尖角越小越利于裂解,其加工槽寬W在0.1～0.3mm 之間(圖2)。此外,大頭孔中心兩側的裂解槽深應嚴格一致,盡量減小槽深的偏差,保證同時裂開,以獲得高質量的斷裂面。

2.2 裂解槽線切割加工方式

圖2 連桿裂解槽示意圖

本文提出的線切割加工裂解槽的全新工藝方法具有極高的性價比,其實現方案如圖3所示,連桿放置于水平工作臺上,靠連桿自重保證其與工作臺緊密貼合,此時連桿內孔中心線與水平面垂直;電極絲從連桿大頭曲軸孔內穿過,導輪和絲線固定,通過工作臺的水平雙向運動便可切割出預期的裂解槽。為保證連桿大頭曲軸孔中心兩側的裂解槽槽深、槽寬嚴格一致,采取如下措施：

(1)保證電極絲和機床工作臺的位置精度,兩者應該為嚴格的垂直位置關系。

(2)通過專門的夾具使連桿大頭曲軸孔下表面與工作臺面緊密貼合,以確保大頭曲軸孔中心線與電極絲平行。

(3)采用一種欠進給的工作臺驅動策略,因為在單側槽切割過程中,加工周期非常短,如果出現短路現象,一種情況就是工作臺進行了回退,但線切割短路回退響應時間較長,整個切槽加工效率會極大降低;另一種更致命的情況是在短路回退被識別之前,工作臺已經運動到目標位置點而進行整個切槽過程的原點復位,此時的切槽深度因達不到要求而出現次品。

(4)在保證上述三個條件的基礎上,通過專門的軟件模塊控制工作臺的運行軌跡,以實現雙側裂解槽的等深度加工。具體程序控制流程如圖4所示。機床首先對各加工參數進行初始化,工作臺回到初始原點位置,PLC驅動工作臺快速進給,當電極絲與連桿大頭曲軸孔內壁接觸感知時,CPU存儲該初始切割點位置,步進電機繼續向前進給并進行累計計數,此時控制系統采用一種欠進給的方式,即工作臺的進給速率稍微低于電極絲放電切割的蝕除速率,以犧牲一小部分的切割速度來換取整個切槽過程中的無短路切割效果,保證整個切槽過程順暢。控制系統可精確判斷切割槽的深度是否達到預期值,此時單邊切槽任務完成。完成單邊槽切割后,工作臺快速回退至另一側初始切割點位置,再重復上述的控制過程,當完成另一側裂解槽切割后,工作臺回復至初始原點位置。至此,雙側完全對稱的裂解槽加工全部完成,取出連桿,再循環進行下一件連桿的加工。

圖3 連桿裂解槽線切割加工方式

圖4 加工控制流程圖

3 試驗與討論

3.1 裂解槽線切割加工試驗

影響線切割加工裂解槽速度的因素很多,如機床精度、脈沖電源的性能、工作液性能、電極絲和工件材料等,其中脈沖電源參數的影響最大,主要包括間隙電壓、加工電流、脈沖寬度、脈沖間隔等。本試驗采用單因素試驗法,即在其他各工藝參數不變的情況下,依次改變空載電壓、加工電流和脈沖寬度等,分別測出機床單邊切割窄槽的加工速度,然后進行試驗結果及現象分析。

3.1.1 試驗條件

試驗原型機采用專門研制的高速走絲線切割機床,選用矩形脈沖波電源,使用φ0.18mm鉬絲,試驗所用的材料為C70S6BY非調質鋼,試件厚度為 6mm,采用乳化工作液(體積分數為12%)。切槽時,鉬絲的排絲寬度為200mm,絲速為9m/s。

3.1.2 電參數對工藝指標的影響

本試驗關心的工藝指標是切割速度,主要研究電參數對切割速度的影響。將開發的PLC控制系統與普通線切割機床的加工切割效率進行了對比。為方便起見,用E表示長風牌線切割機床,用F表示本文研制的專用連桿切槽機床PLC控制系統。

(1)脈沖寬度對切割速度的影響。加工條件：電流為1擋(1A),電壓為80V,脈沖間隔為4倍脈沖寬度?？傻玫綀D5所示的工藝規律。從圖5可以看出,增大脈沖寬度,兩種方式的加工速度均提高。當脈沖寬度提高到32μs后,方式E達到較高的切割率,但方式F切割速度變化不明顯;隨后,當脈沖寬度提高到40μs,兩種方式下的切割率均有所回落。這是由于脈寬的增大,使得單個脈沖能量過大,排屑條件變差,使加工不穩,影響切割速度。

圖5 脈沖寬度對切割速度的影響

(2)加工電流對切割速度的影響。加工條件：脈沖寬度為16μs,電壓為80V,脈沖間隔為4倍脈沖寬度。圖6所示為加工電流對切割速度的影響規律。由圖6可以看出,加工電流加大,切割速度提高,同時電極絲損耗也會變大。當加工電流加到1+2+3擋(約2A)時,兩種方式切割速度均達到較大值,符合一般金屬材料的加工規律。

圖6 加工電流對切割速度的影響

(3)加工電壓對切割速度的影響。加工條件：脈沖寬度為 16μs,加工電流為1擋,脈沖間隔為4倍脈沖寬度。圖7所示為加工電壓對切割速度的影響規律。由圖7可以看出,隨著加工電壓的增大,切割速度提高。當加工電壓由60V升高到100V時,兩種方式下的切割速度有明顯提高。這是因為加工電壓增大時,放電能量增大,有利于放電產物的排除和消電離,提高了加工穩定性和脈沖利用率。

圖7 加工電壓對切割速度的影響

(4)脈沖間隔對切割速度的影響。加工條件：脈沖寬度為16μs,加工電流為1擋,加工電壓為80V。圖8所示為脈沖間隔對切割速度的影響規律。由圖8可以看出,方式E下,隨著脈沖間隔的減小,切割速度提高。本文設計PLC控制系統脈沖間隔對加工速度的影響不太明顯。實際上,脈沖間隔不能太小,也不能太大,否則會使放電間隙來不及充分消電離,或使加工變得不穩定。

圖8 脈沖間隔對切割速度的影響

通過試驗分析,普通線切割機床的加工效率高于本文設計的PLC控制系統的加工效率,但本文設計的專用控制系統是在欠進給方式下運行的,且加工穩定進行,非常適合于本裂解槽的切割加工。當然,PLC控制系統還需進行深入研究,進一步提高切割效率。在上述總結的最佳工藝參數條件下,穩定地進行了裂解槽切割加工。

3.2 裂解槽底部微裂紋

操作人員發現采用不同工藝參數加工的裂解槽在進行裂解加工時裂解完成時間和裂解力的大小都具有差異性,同時伴隨裂解發出的漲斷聲音也有較大差別,研究發現這是由裂解槽底部的微裂紋特性不同造成的。如表1所示,電火花線切割加工的裂解槽底部微裂紋參數(如微裂紋寬度、深度、長度和微裂紋量的大小等)都與線切割加工工藝參數密切相關,脈沖電源占空比越大,峰值電流、開路電壓和實際平均電流越大,出現的微裂紋越多、寬度越大、深度越深。具體分析可知,電源開路電壓高低對微裂紋形成的影響非常小,占空比大小是微裂紋形成的一個次要因素,而實際平均電流大小對微裂紋的形成起到決定性作用,采用較大的平均電流加工裂解槽是在裂解槽底生成微裂紋的主要手段,但過大電流會頻繁發生斷絲現象,而斷絲的頻繁出現會大大降低切槽效率,極大增加加工成本,增大工人穿絲勞動強度。所以一般選擇適當的較大平均電流進行切槽,以獲得最優的加工效果。

表1 加工參數與微裂紋的關系

圖9為電火花線切割加工的裂解槽SEM照片,加工工藝參數的不同會在槽底出現不同狀況微裂紋,本文的研究思路是：通過改變各加工參數而主動控制微裂紋的參數,通過研究微裂紋參數對后續裂解加工的影響,不斷改善裂解加工工藝,最終加工出高質量的裂解連桿。

圖10為裂解槽底部微裂紋SEM照片,圖10a、圖10b分別為縱向和橫向粗微裂紋,其裂紋寬度達到2μm,圖10c為斜向細微裂紋,其裂紋寬度為0.2μm,圖10d是在一定加工條件下未出現微裂紋的情況。從圖10可看出,在不同的參數條件下,微裂紋的各參數也大不相同。微裂紋特性對后續的裂解加工有重要影響,合理的微裂紋將大大減小裂解力,有利于加工出高質量的裂解連桿。這是因為裂解槽寬度約為0.2mm,而微裂紋的寬度約為0.2～2μm,裂解槽將產生第一次應力集中,微裂紋的存在會出現第二次應力集中,而第二次應力集中系數為第一次應力集中系數的100倍以上甚至更高,將非常有利于開啟裂紋,極大減小裂解力,大大提高裂解質量。

圖9 加工的裂解槽SEM照片

圖10 裂解槽底部微裂紋SEM照片

3.3 裂解加工試驗

在總結最佳工藝參數規律的基礎上,在連桿大頭孔內側加工出雙側嚴格對稱的初始裂解槽,如圖11a所示,裂解槽的深度為0.7mm,寬度為0.2mm,完全滿足裂解加工條件。圖11b為裂解加工過程的照片,裂解加工順利完成,圖11c為裂解后的連桿照片,裂解加工連桿在掉渣率、嚙合度、大頭孔塑性變形量等參數方面都完全符合裂解工藝的要求,裂解試驗成功說明電火花線切割加工連桿裂解槽的新工藝方法是完全可行的。但偶爾也會發生單邊裂開而另一邊未裂開的現象。

圖11 裂解加工驗證試驗

3.4 單邊裂開現象的討論

在連桿的裂解加工過程中,如果出現單邊裂開的現象就會產生次品,如圖12所示,連桿大頭的左側已被完全裂開,而右側仍未裂開。這種現象帶來的主要問題是：連桿的裂解從脆性變形方式轉變為塑性變形從而發生撕裂現象,對連桿內孔的圓度產生破壞,同時掉渣現象嚴重,裂解后的合裝效果很差。要解決單邊裂開的問題需從以下方面進行考慮：

圖12 單邊裂開的次品連桿

(1)雙邊裂解槽的對稱性差,造成雙邊的裂解槽應力集中系數不一致,此問題應該從提高機床的精度著手,特別要提高電極絲和工作臺面的垂直度,同時設計專門的自動定位、找正夾具,保證雙邊裂解槽嚴格一致;

(2)雙側裂解槽底部的微裂紋特性不一致,一側有微裂紋而另一側無微裂紋,或者雙側的微裂紋深度與寬度不一致,此時可通過嚴格控制電火花線切割工藝參數來解決;

(3)連桿材質不均勻,也會造成單邊裂開,如連桿裂開通道處有硬質點或有氣孔等缺陷,此時要從提高連桿的鍛造工藝出發加以解決;

(4)最后一種補救方法是在雙側裂解槽本來就不完全一致的情況下,對機床結構進行改造,如通過增大裂解背壓力、增大裂解執行機構行程等方式來保證連桿被裂開,但此解決方案會帶來許多不良后果,如伴隨有塑性變形的勉強被裂解,裂解裝備成本提高且能耗增大,連桿大頭孔塑性變形量大等。

3.5 斷絲問題的解決

在試驗初期,操作人員由于參數選擇不合理,如過大的加工電流、間隙電壓,或控制策略不合理導致短路現象過于頻繁等,電極絲會經常斷裂,大約每加工50～60件連桿就會發生一次斷絲。通過采用連桿上下側同時雙點進電方式保證進電充分,進行系統工藝試驗,總結出最佳的工藝參數,同時采用欠進給控制策略等途徑,將每組電極絲切割的連桿數目提高至2000～3000件,大大提高了加工效率。本研究最終的研究目標為：每組電極絲切割的連桿數目提高至5000件,裂解槽切割加工非常穩定。

4 結束語

本文首次提出了電火花線切割加工連桿裂解槽的全新工藝方法,其具有非常高的性價比,可完全取代昂貴的激光切槽專用機床。在分析裂解槽工藝參數要求的基礎上,闡述了電火花線切割加工出高質量裂解槽的保證措施和具體實現方案。研究了脈沖電源參數如間隙電壓、加工電流、脈沖寬度、脈沖間隔等與線切割加工裂解槽速度的關系。觀察到裂解槽底部微裂紋現象,分析微裂紋與各加工參數的關系以及微裂紋對后續裂解加工的影響,并提出主動控制微裂紋各參數的新想法。本文還進行了裂解加工試驗研究,驗證了該新工藝方法加工連桿裂解槽是完全可行的。最后,還進行了單邊裂開和斷絲現象問題的探討。該技術無論在設備的首次投入資金方面或單件連桿切槽成本方面都具有顯著優勢,將為連桿裂解工藝的普及創造極大可能。

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