周春強,張永俊,唐勇軍

(廣東工業(yè)大學機電工程學院,廣東廣州510006)

汽車發(fā)動機連桿裂解(漲斷)加工技術是連桿生產(chǎn)領域的一場技術變革,其依據(jù)三維凹凸斷裂面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機加工面,保證了結合面的精確性和可靠性,并以其先進的制造工藝能減少加工工序60%,降低設備和工具投資25%～35%,節(jié)約能源40%[1]。在裂解工藝中,主要有3道關鍵工序:連桿大頭孔裂解應力槽切割工序、連桿體與蓋漲斷及復位工序、定扭矩上螺栓工序。每個工序分別擁有相應的一套加工裝備,即裂解應力槽切割機、漲斷機、定扭矩上螺栓機。其中裂解應力槽切割質(zhì)量的好壞,直接決定了后續(xù)裂解工序裂解力的大小和裂解質(zhì)量。因此,自20世紀90年代裂解工藝開始應用于連桿大頭孔裂解以來,其裂解應力槽的切割設備及工藝就一直不斷地發(fā)展與完善。初始裂解應力槽的加工方法主要有機械拉削加工法、激光切割加工法和電火花線切割加工法。

1 初始裂解應力槽工藝參數(shù)的研究

根據(jù)斷裂力學,對于含有裂紋的機件,當外力在垂直于裂紋方向上作用時,產(chǎn)生張開型(Ⅰ型)裂紋擴展,材料對這種裂紋擴展的抗力最低[2]。實踐表明,在沿大頭孔內(nèi)側(cè)面與軸孔中心線平行的位置切割裂解應力槽最佳。當大頭孔內(nèi)施加裂解載荷后,裂解應力槽在大頭孔內(nèi)沿厚度方向全面進入啟裂狀態(tài),裂紋向外側(cè)擴展,裂解過程中更易控制斷裂方向;并可保證安裝軸瓦時不破壞斷裂面內(nèi)側(cè)角,同時保證軸瓦不被破壞[3]。內(nèi)側(cè)面裂解應力槽加工位置如圖1所示。

圖1 內(nèi)側(cè)面裂解應力槽加工位置示意圖

合理設計裂解應力槽的工藝參數(shù),可有效地提高應力集中系數(shù),降低后續(xù)裂解載荷,提高裂解效率與質(zhì)量。初始裂解應力槽工藝尺寸參數(shù)主要由3個因素決定,即槽深 H、槽寬 W和槽底曲率半徑R(圖2)。

圖2 裂解應力槽工藝參數(shù)

經(jīng)試驗表明:槽深 H在0.4～0.6 mm為宜;槽寬 W增大時,漲斷機在漲斷時所需的漲斷力有所增大;曲率半徑R越小越好,一般在0.1～0.3 mm范圍內(nèi)選取[4]。

2 初始裂解應力槽的加工方法

目前,在批量生產(chǎn)中,連桿裂解應力槽的加工方法主要有兩種:機械拉削加工法和激光切割加工法。目前激光切割以其高效性、穩(wěn)定性而成為該工藝的主流切割技術,而線切割加工也具有極大的潛力。

2.1 機械拉削加工法

機械拉削加工法在早期裂解應力槽切割中被普遍采用,其特點是設備投資少、加工成本低。該方法首先在德國EX-CELL-O公司研制開發(fā)的連桿裂解加工技術裝備中得到應用,隨后在美國TRY-WAY公司研制的連桿裂解加工半自動生產(chǎn)線中也采用了機械拉削的方式完成初始裂解應力槽的切割[5]。加工原理如圖3所示。

圖3 機械拉削加工示意圖

由圖3可知,在切削過程中,通過刀柄上安裝的刀具對裂解應力槽進行分層切削,一般從拉刀端頭開始,刀柄上每層刀具依次遞增量為0.1 mm,刀片數(shù)量由裂解應力槽的深度來決定。然而裂解用連桿多為屈服強度較低、硬度偏高的材料。在加工過程中,拉刀極易因磨損而變鈍。隨著拉刀尖角半徑的增大,裂解應力槽底部的圓角半徑 R相應地增大,從而降低了應力集中系數(shù),增大了后續(xù)裂解工序的裂解力,嚴重時易造成單邊斷裂、掉渣,甚至無法裂解。故在生產(chǎn)中需根據(jù)拉刀的磨損情況及時換刀,或采用專用修刀儀對拉刀進行修整,進而增大了刀具的后期維護成本,目前日本本田公司在廣東獅山工廠仍采用該工藝。

日本本田公司的專利提出了一種采用旋轉(zhuǎn)切刀進行應力槽切割的裝置,其旋轉(zhuǎn)切刀在大頭孔內(nèi)垂直向下與向上移動時,分別切割出所需的裂解應力槽,原理示意圖見圖4[6]。

圖4 旋轉(zhuǎn)切刀加工狹槽裝置

圖4中的旋轉(zhuǎn)切刀3為采用表面較粗糙的磨石類材料制成的薄板形式,厚度范圍為 0.1～0.3 mm。由于鋒利的磨料均勻分布在圓周上,這種加工方法相當于用多刃刀具代替了單刃拉刀,降低了每一個刀刃的切削負荷,從而延長了工具的壽命。但仍屬于接觸式加工,其損耗問題依然嚴重,更重要的是切刀部分結構龐大,無法加工小直徑的連桿。

2.2 激光切割加工法

自20世紀90年代年以來,德國Mauser、Alfing公司、美國通用等公司研究開發(fā)了先進的激光加工裂解應力槽設備。德國Mauser公司的專利提出了一種激光加工裂解應力槽的方法(圖5a)[7]:采用一個激光器,通過分配裝置將一束激光束分配到兩個聚光器上;兩個聚光器頭平行布置或交叉90°布置,通過聚光器的上下運動對連桿大頭孔進行加工,在大頭孔柱面上加工出一系列沿直線排列的圓柱盲孔,其中加工的孔徑為0.15～0.22 mm,深度 0.6～0.8 mm(圖5b)[8]。瑞士LASAG公司專利提出了類似的采用超大能量脈沖YAG激光器進行裂解應力槽加工的方法(圖5c)[9]。在這兩種激光加工方法中,激光振蕩器和應用管嘴不能完全插到連桿大頭孔內(nèi),激光束和孔的內(nèi)壁面傾斜,這樣較難控制和保持整個槽深的恒定加工,會增加連桿漲斷時所需的裂解力,且易產(chǎn)生漲斷缺陷。

日本本田公司的專利提出一種較新穎的利用激光束加工應力槽的裝置和方法(圖6)[10]。從激光振蕩器射出的激光束由安裝在管狀頭部上的聚光透鏡所匯聚,一對傾斜成一定角度并相對軸線對稱的反射鏡將匯聚射出的激光束分成兩束,分別通過射出孔基本垂直地施加在連桿大頭孔內(nèi)圓柱面上,通過聚光器沿軸線移動同時在連桿內(nèi)圓柱面上加工出兩個裂解應力槽。在槽附近上方設有兩個供給輔助氣體的氣管,將激光束加熱所產(chǎn)生的熔渣吹走。裂解應力槽深度D設定在0.2～0.7 mm,槽寬 W設定在0.1～0.4 mm的范圍內(nèi)。

圖6 日本本田公司激光束加工的裝置示意圖

與圖5a和圖5c相比,這種加工方法激光匯聚好,能量損失小,且可較精確地控制槽深和形狀,但不太適合大頭孔直徑較小的連桿加工。

國內(nèi),吉林大學也開發(fā)研制了激光切割應力槽的設備,其中的關鍵部件——大功率YAG固體激光發(fā)生裝置需從國外進口。如圖7所示[8],該激光切割設備采用單個激光頭設計思想,通過液壓油缸推動激光頭左右擺動,分別加工出裂解應力槽。

圖7 激光切槽簡圖

激光切槽時,槽口截面形狀為矩形,如圖8所示[11]。

圖8 激光切割矩形槽

由于采用激光切割連桿裂解應力槽具有切縫窄、裂解槽均勻、加工速度快、無刀具磨損、易裂解、大頭孔漲斷后變形小,連桿漲斷質(zhì)量高等優(yōu)點,已成為目前主流的切槽工藝,絕大多數(shù)汽車公司都采用激光加工裂解應力槽[4]。但由于激光采用的強度等級為4級,是不可見光,易灼傷皮膚和眼睛,在調(diào)整激光裝置時應注意安全,必須佩帶防護眼鏡、穿白色工作服,以減少漫反射的影響[12];激光對焦煩瑣、費時[13];激光加工過程中,在大頭孔內(nèi)表面靠近裂槽處易粘附熔渣而形成表面硬質(zhì)點,造成后續(xù)精鏜加工時鏜刀崩刃;當激光對焦不精確,使裂解應力槽深度變淺,漲斷時會產(chǎn)生漲斷缺陷[14];最重要的是激光裂解應力槽加工設備價格昂貴,維護使用成本高。

2.3 電火花線切割加工法

由于連桿大頭孔屬于封閉式零件,普通電火花線切割機床每切割一個工件均需重新定位和上絲、拆絲,勞動強度大,生產(chǎn)效率極低。因此,國內(nèi)外未見有關線切割在裂解槽切割中的研究。根據(jù)電火花線切割加工的特點可知,該加工工藝非常適合于切割窄縫類導電材料,切割過程中電極絲與工件間無明顯的接觸力,完全靠放電通道中的高溫來蝕除加工。一般汽車發(fā)動機連桿的單邊厚度為15～45 mm,切割槽深為0.4～0.6 mm,采用高速走絲電火花線切割機切割時,隨著加工進行,電極絲受損變細,切割的應力槽寬度越來越小,更有利于后續(xù)的裂解加工。為提高線切割加工效率,采用圖9所示雙回路脈沖電源加工,可實現(xiàn)多個零件同步切割而電極絲上的電流無疊加的效果[15～16]。

圖9 雙回路脈沖電源應用示意圖

專利技術《線切割雙回路脈沖電源》中,通過設置各回路的回路接入點來提高切割能量而實現(xiàn)電極絲上的電流無疊加效果,電路原理圖見圖10[17]。

圖10 線切割雙回路脈沖電源

通過對現(xiàn)有線切割機床進行結構上的拓撲變換,可實現(xiàn)裂解連桿應力槽加工。

2.4 其他切割方法

另外,國外一些公司還嘗試使用高壓水刀進行裂解應力槽的加工。還有一些公司針對粉末冶金材料連桿進行粉末壓制預成形時,在連桿蓋與連桿體分割位置預壓出帶有高缺口敏感性的“初始應力槽”,即V型槽。鍛造時,該V型槽封閉形成尖銳裂縫。在鉆好螺栓孔和潤滑油孔后,即可加力沿裂縫實施漲斷分離[18～19]。未來,這將是一種非常具有發(fā)展前途的工藝。

3 連桿裂解應力槽切割技術中存在的問題

目前,國內(nèi)外普遍采用激光切割法進行裂解槽的切割,因此,激光切割技術工藝也較其他切割工藝成熟。

從斷面形貌可看出,用不同加工方法切割的裂解槽在漲斷機上進行漲斷,各種方法均存在3個主要問題:兩側(cè)槽深不一致、對稱性差和大頭孔變形失圓。從生產(chǎn)實踐來看,產(chǎn)生上述問題時往往伴隨著單邊斷裂或未斷裂現(xiàn)象,有時致使大頭孔嚴重變形失圓。主要原因是切槽設備大小頭孔定位不精確。因此,合理設計切槽設備的定位機構是保證切割質(zhì)量的關鍵。

除此之外,機械拉削中應及時換刀或利用專用修刀儀進行刀刃修整;激光切割中定期檢測激光頭焦距偏差并修整。而對于電火花線切割來說,由于電極絲是往復運動的,其鉬絲的損耗實際上更有利于應力集中,故而減少漲斷時所需的裂解力。經(jīng)反復試驗研究,影響線切割的因素以夾具的對中性和電極絲的振動最為顯著,此外工藝參數(shù)的選擇也非常關鍵。

無論是采用激光切割工藝還是電火花線切割工藝,在同樣規(guī)格、同種材料的連桿上開出相同尺寸的V形槽,其裂解效果有時卻截然不同有些斷裂時發(fā)出清脆的聲音,有些則悄聲斷裂,所需的裂解力也較理論計算值低。因為激光切割和電火花線切割都屬于高溫蝕除,加工時裂解槽根部金屬急劇加熱,并快速冷卻,會產(chǎn)生淬火效果,導致槽根部材料的屈服強度提高,產(chǎn)生微裂紋,提高了根部的應力集中系數(shù),從而實現(xiàn)了脆性斷裂。切槽后通過高倍顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),在切縫周圍有微裂紋存在。裂解槽表面微裂紋如圖11所示。經(jīng)分析得知,正是有了微裂紋的存在,才使裂解力比理論計算值低。

圖11 切槽后表面微裂紋

在機械加工中的微裂紋要盡量避免,它易引起模具的失效。而在此處,少量微裂紋的存在是有利的,它可降低后續(xù)裂解設備施加于大頭孔內(nèi)側(cè)面的裂解力,從而降低了內(nèi)圓孔變形失圓,因此掌握微裂紋成形規(guī)律,并通過工藝參數(shù)的優(yōu)選有意識地控制微裂紋的產(chǎn)生,是今后一個重要研究課題,目前廣東工業(yè)大學已在這方面進行了許多有益的探索。

4 結束語

裂解應力槽切割技術作為連桿裂解工藝的核心技術之一,直接影響到連桿的裂解質(zhì)量和后續(xù)裂解設備裂解力的大小?，F(xiàn)有的加工方法各有優(yōu)缺點。其中,激光切割法以其高效性、穩(wěn)定性更受資金充足的大型企業(yè)所青睞。對于中小企業(yè)來說,機械拉削法更易被接受。而線切割加工已顯示了極高的性價比,未來有望成為加工裂解連桿應力槽的主導工藝。

[1]谷諍巍,姚衛(wèi)國.發(fā)動機連桿裂解工藝與裝備[J].制造技術與機床,2006(11):103-105.

[2]孫茂才.金屬力學性能[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2003.

[3]張志強,鄭祺峰,趙勇,等.預制裂紋槽加工方法對連桿裂解加工質(zhì)量的影響規(guī)律[J].內(nèi)燃機工程,2008,29(5):80-84.

[4]楊慎華,張志強,寇淑清.發(fā)動機連桿裂解加工關鍵技術的研究[J].內(nèi)燃機工程,2006,27(5):80-84.

[5]鄭祺峰,楊慎華,寇淑清.發(fā)動機連桿裂解加工初始裂解槽預制技術及應用[J].汽車技術,2009(1):52-55.

[6]百瀨保雄,太田熏雄.用于形成連桿的斷裂狹槽的加工裝置:中國,200410069638.7[P].2005-02-09.

[7]Hofmann G,Gruhler S,Kutz H.Method and device for the fracture-separation of workpieces[P].WIPO,WO9624458,1999.

[8]寇淑清,楊慎華,趙勇,等.連桿斷裂部分前預制裂解槽激光加工方法及其設備:中國,200410010722.1[P].2005-01-05.

[9]李小軍,計維斌.發(fā)動機制造技術的新發(fā)展[C]//中國內(nèi)燃機學會第四屆青年學術年會論文集.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2006:119-121.

[10]百瀨保雄.利用激光束加工槽的裝置和方法:中國,200410087081.X[P].2005-04-27.

[11]谷諍巍.發(fā)動機連桿裂解加工工藝[J].新技術新工藝,2003(7):14-15.

[12]劉文忠.ALFING激光裂解設備的應用[J].汽車工藝與材料,2005(11):11-13.

[13]張志強,楊慎華,寇淑清.發(fā)動機連桿裂解材料[J].新技術新工藝,2005(6):63-65.

[17]Dale J R.Powder forged or C70 steel now the MPIF strikes back[J].MPR,2005(2):14-18.

[15]北京市《金屬切削理論與實踐》編委會.電火花加工[M].北京:北京出版社,1985.

[16]曹鳳國.電火花加工技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004.

[17]王樹鈞.線切割雙回路脈沖電源:中國,200620123784.8[P].2007-10-24.

[18]Henning H J.C70 crackable forged connecting rods[J].M PR,2004(12):14.

[19]王章忠.粉末冶金熱鍛連桿[J].制造材料,2001,39(437):33-34.