連桿應(yīng)力槽雙向同步電火花線切割機(jī)床設(shè)計(jì)*

蘇國康,黎毅鋒,李俊飛,馮尚信,張永俊*

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣東 廣州 510006;2.廣州市非傳統(tǒng)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510006;3.廣東大鐵數(shù)控機(jī)械有限公司,廣東 佛山 528225)

0 引 言

為使連桿大頭孔能裝配在曲軸軸徑上,連桿大頭孔需要剖分為桿蓋和桿身兩部分,兩邊對合包住軸徑,用螺栓將桿蓋桿身擰緊。

傳統(tǒng)工藝采用桿蓋、桿身分體加工,工序復(fù)雜、精度要求高,而連桿裂解(或稱脹斷、裂斷)加工技術(shù)是對原有分體加工技術(shù)的一次重大技術(shù)突破,通過在連桿大頭孔內(nèi)表面對稱位置割出兩條應(yīng)力槽,然后再通過通過脹斷設(shè)備自內(nèi)向外施加一個(gè)脹斷力,將連桿桿蓋和桿身分離,二者分離面形成了天然的吻合面,無需再加工,新工藝減少了工序40%,能實(shí)現(xiàn)精確三向定位,已逐漸成為主流工藝[1-3]。連桿大頭孔內(nèi)圓表面的應(yīng)力槽加工是脹斷工序的前一道工序,也是其關(guān)鍵工序之一,要求在連桿大頭孔內(nèi)圓表面軸向切出深度不大于0.5 mm,寬度小于0.2 mm的兩條對稱應(yīng)力槽,應(yīng)力槽質(zhì)量的好壞很大程度上影響了連桿脹斷的成品率。拉削加工由于刀具損耗快,已經(jīng)基本被淘汰;現(xiàn)在主流工藝為激光加工[4-5],但設(shè)備造價(jià)高,切割后在應(yīng)力槽附近留下高硬度再融金屬,易對后續(xù)精鏜刀具造成損壞[6-8]。有關(guān)研究人員提出的單桿切槽機(jī)床雖然實(shí)現(xiàn)了免穿絲功能,但由于其是單臂加工,在加工應(yīng)力槽時(shí)只能順序加工,加工效率較低,容易造成兩側(cè)切槽深度不一致。

針對上述提到的應(yīng)力槽加工效率、設(shè)備成本與切槽質(zhì)量等問題,筆者創(chuàng)新研制出連桿應(yīng)力槽雙向同步電火花線切割機(jī)床,用于連桿脹斷應(yīng)力槽加工。

1 雙向同步切割免穿絲機(jī)構(gòu)構(gòu)型

由于是在連桿大頭孔內(nèi)表面開槽,傳統(tǒng)的線切割機(jī)床每加工一根連桿均需要重復(fù)拆絲、上絲的過程,這對大批量生產(chǎn)的連桿加工來說顯然是不可能接受的?；谖覈?dú)有的快走絲電火花線切割機(jī)床,本研究提出了一種全新的線切割機(jī)械拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)免穿絲對連桿大頭孔內(nèi)表面進(jìn)行應(yīng)力槽切割。

最初的單桿免穿絲切槽機(jī)床如圖1所示。

圖1 單桿免穿絲切槽機(jī)床

鉬絲繞桿件端部的導(dǎo)輪折返180°,分布在桿件兩側(cè),桿件穿入連桿大頭孔中,以其兩側(cè)的鉬絲對連桿內(nèi)孔表面進(jìn)行切槽加工[9]。但該方案對兩條應(yīng)力槽只能順序加工,效率較低。

本研究發(fā)展了第二代脹斷連桿應(yīng)力槽雙向同步線切割加工機(jī)床,采用兩根可以相向或相背運(yùn)動的桿件驅(qū)動鉬絲加工出連桿內(nèi)表面對稱位置的兩條應(yīng)力槽。

雙向同步切割免穿絲機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙向同步切割免穿絲機(jī)構(gòu)

圖2中，左、右切槽桿與鉬絲構(gòu)成“U”結(jié)構(gòu),無需頻繁穿絲、空行程短。

加工應(yīng)力槽時(shí),連桿大頭孔從上方穿放進(jìn)“U結(jié)構(gòu)”,由導(dǎo)輪控制加工絲線的兩平行工作段雙向同時(shí)徑向進(jìn)給,一次加工出裂解連桿內(nèi)孔表面兩條對稱應(yīng)力槽,具有效率高、功能全等特點(diǎn)。

2 機(jī)床設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)床由床身、卷絲筒總成、控制系統(tǒng)和切槽裝置組成。切槽裝置是其中的核心部分,其組成自下而上是支撐平臺、切槽平臺、對中平臺、適配平臺。

機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)床結(jié)構(gòu)

工作臺爆炸圖如圖4所示。

圖4 工作臺爆炸圖

支撐平臺布置在機(jī)床臺面上,切槽平臺布置在支撐平臺上,對中平臺布置在切槽平臺上,適配平臺布置在對中平臺上。

2.1.1 支撐平臺

支撐平臺的作用是給上述其他平臺提供支撐,同時(shí)架出空間方便布置導(dǎo)輪桿、進(jìn)電線、工作液管。

2.1.2 切槽平臺

切槽平臺主要是布置兩根能相向或相背運(yùn)動的切槽桿,可以看出,切槽平臺架空布置在支撐平臺上,切槽平臺架空部分,也就是臺面背面安裝有絲杠、滑塊,兩根切槽桿通過兩個(gè)“L”形聯(lián)結(jié)塊到滑塊上。之所以將導(dǎo)軌布置在臺面背面,主要是避免工作液飛濺到絲杠滑塊上,影響使用壽命。

這里絲杠選用的是帶左、右螺旋的滑動絲杠,通過切槽電機(jī)驅(qū)動,可以實(shí)現(xiàn)兩根切槽桿相背或相向運(yùn)動,相背運(yùn)動時(shí),切槽桿側(cè)面的鉬絲對連桿內(nèi)表面進(jìn)行切槽,相向運(yùn)動時(shí),兩根切槽桿復(fù)位。

兩根切槽桿頂端各有一個(gè)小導(dǎo)輪,下端也各有一個(gè)導(dǎo)輪,鉬絲以內(nèi)公切線方式經(jīng)過這兩個(gè)導(dǎo)輪。完整走絲路徑如圖3所示。

2.1.3 對中平臺

對中平臺作用是使得連桿大頭孔中心位于兩根切槽桿中間,這樣切出的兩條對稱槽才能深度一致,從而保證脹斷質(zhì)量。對中平臺通過絲杠、導(dǎo)軌可以在切槽平臺上左右移動,從而可以調(diào)整其上的連桿與切槽桿的相對位置。

具體結(jié)構(gòu)中,連桿大頭孔是以兩個(gè)短銷通過內(nèi)孔表面定位,如此方式定位保證了大頭孔中心位于兩個(gè)短銷連線的垂直中心線上,這兩個(gè)短銷實(shí)際上是兩個(gè)間距可調(diào)的滑塊上的凸起部分,滑塊間距可調(diào)的目的是要適應(yīng)不同尺寸連桿定位要求。

2.1.4 適配平臺

適配平臺上有一個(gè)X,Y方向位置均可調(diào)的連桿小頭孔定位銷,通過調(diào)整這個(gè)定位銷位置可以適應(yīng)不同規(guī)格(尺寸不同)、不同型號(直連桿、斜連桿)連桿的安裝。

2.1.5 其他部分

其他部分則是一些輔助導(dǎo)輪機(jī)構(gòu),將鉬絲從卷絲筒順序引導(dǎo)至切槽桿兩側(cè),最后回到卷絲筒,最下面的一個(gè)導(dǎo)輪起張緊作用。

2.2 電源

脈沖電源作為電火花線切割機(jī)床的重要組成部分,其性能極大地影響加工效率和質(zhì)量。針對不同材質(zhì)、厚度的連桿,脈沖電源需要不同的加工參數(shù),包括加工電壓、脈沖頻率、占空比等。脈沖電源主要由主電路、斬波電路、檢測電路、輔助電源和電源控制系統(tǒng)這5部分組成。

脈沖電源模塊組成圖如圖5所示。

圖5 脈沖電源模塊組成圖

2.2.1 主電路

該機(jī)床設(shè)定脈沖電源的最大功率為600 W,因此主電路采用半橋式變換拓?fù)?。市電輸入?jīng)過輸入濾波整流電路、半橋變換電路、輸出整理濾波電路、PWM控制電路,實(shí)現(xiàn)直流恒壓輸出。

主電路的技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 主電路技術(shù)路線

2.2.2 斬波電路

斬波電路的作用是把主電路變換得到直流恒壓變成脈沖電壓輸出,STM32的控制信號通過INPUTA端輸入,經(jīng)TLP350光耦放大后驅(qū)動MOSFET管進(jìn)行斬波。

電路中寄生電感不可忽略，且斬波頻率較高。為了抑制過電壓，減少M(fèi)OSFET管的開關(guān)損耗,筆者在MOSFET管兩端設(shè)計(jì)有RCD吸收電路。

2.2.3 檢測電路

在電火花線切割加工過程中,加工間隙電壓直接反映了加工狀態(tài),因此用其作為檢測對象來進(jìn)行伺服控制。間隙電壓信號經(jīng)過分壓電路分壓后,輸入到LM339電壓比較器,LM339輸出信號,通過光耦隔離輸入到控制系統(tǒng)的INPUT口。LM339為4路電壓比較器,檢測電路通過LM339把檢測電壓分成5個(gè)區(qū)間,分別是開路、趨開路、正常加工、趨短路、短路。該檢測電路無需經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換,大大提高了檢測實(shí)時(shí)性。

2.2.4 輔助電源

主電路、斬波電路和檢測電路等電路中的芯片需要特定電壓供電,如+15 V、+12 V、+5 V等。本機(jī)床采用的輔助電源為自制的反激式開關(guān)電源。

2.2.5 電源控制系統(tǒng)

電源控制系統(tǒng)STM32F103開發(fā)板為控制核心,STM32F103開發(fā)板自帶的DA功能控制線性電位器,實(shí)現(xiàn)脈沖電源的輸出電壓40 V～100 V連續(xù)可調(diào);APB1時(shí)鐘產(chǎn)生脈沖信號,采用中心計(jì)數(shù)、輸出比較翻轉(zhuǎn)模式,脈沖頻率0～100 kHz、占空比0～100%連續(xù)可調(diào)。

2.3 控制系統(tǒng)

連桿應(yīng)力槽雙向同步線切割機(jī)床采用三菱PLC為控制中心,臺達(dá)DOP-B10S411觸摸屏為人機(jī)交互界面,線切割變頻器XINHY-BZ控制卷絲筒總成、水箱總成、換向時(shí)脈沖電源的通斷。

控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)除了運(yùn)動伺服控制外,還具有對中、恒切深、手動調(diào)試與自動加工功能。其中:

(1)對中功能可以如同普通線切割一樣,能自動調(diào)整連桿大頭孔中心位于兩根切槽桿中間位置,保證連桿兩側(cè)切槽的一致性;

(2)恒切深功能,可以在開始放電瞬間自動計(jì)數(shù),保證切槽深度不因連桿大頭孔尺寸變化而不同;

(3)自動加工功能模塊可以實(shí)現(xiàn)一鍵自動加工,加工前設(shè)定連桿大頭孔直徑參數(shù),把連桿正確裝夾在工位后,按下自動加工鍵,切槽平臺以快進(jìn)、慢進(jìn)、工進(jìn)三段速精準(zhǔn)迅速找到放電點(diǎn),實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量加工。

觸摸屏作為人機(jī)交互界面,承擔(dān)著操作人員與機(jī)床的交互,使機(jī)床操作變得簡單、方便。臺達(dá)觸摸屏通過兩個(gè)COM口分別與PLC和STM32通訊,其中COM1口連接到PLC,進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動控制參數(shù)的交互;COM2通過Modbus-RTU協(xié)議與STM32通訊,進(jìn)行脈沖電源加工參數(shù)的交互。

人機(jī)交互界面如圖8所示。

圖8 人機(jī)交互界面

3 應(yīng)用與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的連桿應(yīng)力槽雙向同步線切割機(jī)床實(shí)際加工效果,本文進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn),考察了電流、脈寬、脈間倍數(shù)、走絲速度和進(jìn)給速度對應(yīng)力槽加工的影響,鉬絲直徑為0.12 mm。

結(jié)果表明：電流大小對槽寬的影響最大,其次為進(jìn)給速度、脈寬,而走絲速度和脈間倍數(shù)對槽寬影響較小；最小槽寬0.147 mm,最大槽寬0.176 mm。

此外,筆者通過上述的實(shí)驗(yàn),優(yōu)選出的切槽參數(shù)為：電流2 A,脈寬40 μm,脈間倍數(shù)4,走絲速度9 m/s,加工樣件為JS26T25連桿；在優(yōu)選的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下,雙向同步電火花線切割機(jī)床最大的雙向穩(wěn)定進(jìn)給速度為4 mm/min,而單桿切槽機(jī)床最大穩(wěn)定進(jìn)給速度為2.4 mm/min。

該雙向同步電火花線切割機(jī)床加工的效率約為單桿切槽機(jī)床的1.7倍,由此可以證明該機(jī)床設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié)束語

在連桿脹斷應(yīng)力槽加工中,針對應(yīng)力槽加工效率、切槽質(zhì)量等問題,筆者研制了連桿應(yīng)力槽雙向同步電火花線切割機(jī)床。該設(shè)備采用了雙向同步切割加工,使效率與加工質(zhì)量得到了進(jìn)一步的提升,增加自動對中及恒切深功能,保證了良好的切槽質(zhì)量,且電源參數(shù)調(diào)節(jié)靈活、方便,控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠;該設(shè)備結(jié)構(gòu)上能適應(yīng)各種不同規(guī)格、型號連桿的應(yīng)力槽切割,效率上能在15 s～20 s內(nèi)同步切割一根連桿的兩條應(yīng)力槽,質(zhì)量上能滿足應(yīng)力槽切槽深度不大于0.5 mm,寬度小于0.2 mm的要求。通過實(shí)驗(yàn)研究,電流因素對切槽寬度影響最大,雙向同步加工機(jī)床的加工效率比單桿切槽機(jī)床提高約為70%。

該機(jī)床雙向同步切割加工應(yīng)力槽,雖然加工效率在一定程度上得到提高(15 s/根～20 s/根),但是還未能滿足企業(yè)的高效生產(chǎn)節(jié)拍(8 s/根～10 s/根)。因此,在后續(xù)的研究中,筆者將采用雙工位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在控制上開發(fā)專用伺服控制系統(tǒng),在電源上研制多路分時(shí)輸出脈沖電源,以有效提高機(jī)床切槽效率。