蘇國康,黎毅鋒,李俊飛,馮尚信,張永俊*

(1.廣東工業(yè)大學 機電工程學院,廣東 廣州 510006;2.廣州市非傳統(tǒng)制造技術及裝備重點實驗室, 廣東 廣州 510006;3.廣東大鐵數(shù)控機械有限公司,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,工序復雜、精度要求高,而連桿裂解(或稱脹斷、裂斷)加工技術是對原有分體加工技術的一次重大技術突破,通過在連桿大頭孔內表面對稱位置割出兩條應力槽,然后再通過通過脹斷設備自內向外施加一個脹斷力,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]。連桿大頭孔內圓表面的應力槽加工是脹斷工序的前一道工序,也是其關鍵工序之一,要求在連桿大頭孔內圓表面軸向切出深度不大于0.5 mm,寬度小于0.2 mm的兩條對稱應力槽,應力槽質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],但設備造價高,切割后在應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]。有關研究人員提出的單桿切槽機床雖然實現(xiàn)了免穿絲功能,但由于其是單臂加工,在加工應力槽時只能順序加工,加工效率較低,容易造成兩側切槽深度不一致。

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

1 雙向同步切割免穿絲機構構型

由于是在連桿大頭孔內表面開槽,傳統(tǒng)的線切割機床每加工一根連桿均需要重復拆絲、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氂械目熳呓z電火花線切割機床,本研究提出了一種全新的線切割機械拓撲結構,實現(xiàn)免穿絲對連桿大頭孔內表面進行應力槽切割。

最初的單桿免穿絲切槽機床如圖1所示。

圖1 單桿免穿絲切槽機床

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

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

雙向同步切割免穿絲機構如圖2所示。

圖2 雙向同步切割免穿絲機構

圖2中，左、右切槽桿與鉬絲構成“U”結構,無需頻繁穿絲、空行程短。

加工應力槽時,連桿大頭孔從上方穿放進“U結構”,由導輪控制加工絲線的兩平行工作段雙向同時徑向進給,一次加工出裂解連桿內孔表面兩條對稱應力槽,具有效率高、功能全等特點。

2 機床設計

2.1 機械系統(tǒng)

機床由床身、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。

機床結構如圖3所示。

圖3 機床結構

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,同時架出空間方便布置導輪桿、進電線、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“L”形聯(lián)結塊到滑塊上。之所以將導軌布置在臺面背面,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,通過切槽電機驅動,可以實現(xiàn)兩根切槽桿相背或相向運動,相背運動時,切槽桿側面的鉬絲對連桿內表面進行切槽,相向運動時,兩根切槽桿復位。

兩根切槽桿頂端各有一個小導輪,下端也各有一個導輪,鉬絲以內公切線方式經(jīng)過這兩個導輪。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,從而保證脹斷質量。對中平臺通過絲杠、導軌可以在切槽平臺上左右移動,從而可以調整其上的連桿與切槽桿的相對位置。

具體結構中,連桿大頭孔是以兩個短銷通過內孔表面定位,如此方式定位保證了大頭孔中心位于兩個短銷連線的垂直中心線上,這兩個短銷實際上是兩個間距可調的滑塊上的凸起部分,滑塊間距可調的目的是要適應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X,Y方向位置均可調的連桿小頭孔定位銷,通過調整這個定位銷位置可以適應不同規(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輪機構,將鉬絲從卷絲筒順序引導至切槽桿兩側,最后回到卷絲筒,最下面的一個導輪起張緊作用。

2.2 電源

脈沖電源作為電火花線切割機床的重要組成部分,其性能極大地影響加工效率和質量。針對不同材質、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

該機床設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撲。市電輸入經(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,實現(xiàn)直流恒壓輸出。

主電路的技術路線如圖6所示。

圖6 主電路技術路線

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光耦放大后驅動MOSFET管進行斬波。

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MOSFET管的開關損耗,筆者在MOSFET管兩端設計有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轉換,大大提高了檢測實時性。

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。本機床采用的輔助電源為自制的反激式開關電源。

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,實現(xiàn)脈沖電源的輸出電壓40 V～100 V連續(xù)可調;APB1時鐘產(chǎn)生脈沖信號,采用中心計數(shù)、輸出比較翻轉模式,脈沖頻率0～100 kHz、占空比0～100%連續(xù)可調。

2.3 控制系統(tǒng)

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

控制系統(tǒng)組成結構如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)組成結構

該控制系統(tǒng)除了運動伺服控制外,還具有對中、恒切深、手動調試與自動加工功能。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,保證連桿兩側切槽的一致性;

(2)恒切深功能,可以在開始放電瞬間自動計數(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現(xiàn)一鍵自動加工,加工前設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、慢進、工進三段速精準迅速找到放電點,實現(xiàn)高效高質量加工。

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

人機交互界面如圖8所示。

圖8 人機交互界面

3 應用與結果分析

為了驗證本文設計的連桿應力槽雙向同步線切割機床實際加工效果,本文進行了工藝實驗,考察了電流、脈寬、脈間倍數(shù)、走絲速度和進給速度對應力槽加工的影響,鉬絲直徑為0.12 mm。

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

此外,筆者通過上述的實驗,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)選的實驗參數(shù)下,雙向同步電火花線切割機床最大的雙向穩(wěn)定進給速度為4 mm/min,而單桿切槽機床最大穩(wěn)定進給速度為2.4 mm/min。

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

4 結束語

在連桿脹斷應力槽加工中,針對應力槽加工效率、切槽質量等問題,筆者研制了連桿應力槽雙向同步電火花線切割機床。該設備采用了雙向同步切割加工,使效率與加工質量得到了進一步的提升,增加自動對中及恒切深功能,保證了良好的切槽質量,且電源參數(shù)調節(jié)靈活、方便,控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠;該設備結構上能適應各種不同規(guī)格、型號連桿的應力槽切割,效率上能在15 s～20 s內同步切割一根連桿的兩條應力槽,質量上能滿足應力槽切槽深度不大于0.5 mm,寬度小于0.2 mm的要求。通過實驗研究,電流因素對切槽寬度影響最大,雙向同步加工機床的加工效率比單桿切槽機床提高約為70%。

該機床雙向同步切割加工應力槽,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構設計,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輸出脈沖電源,以有效提高機床切槽效率。