發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解應(yīng)力槽加工技術(shù)研究

周春強(qiáng),張永俊,唐勇軍

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,廣東廣州510006)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解(漲斷)加工技術(shù)是連桿生產(chǎn)領(lǐng)域的一場(chǎng)技術(shù)變革,其依據(jù)三維凹凸斷裂面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)加工面,保證了結(jié)合面的精確性和可靠性,并以其先進(jìn)的制造工藝能減少加工工序60%,降低設(shè)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(guān)鍵工序:連桿大頭孔裂解應(yīng)力槽切割工序、連桿體與蓋漲斷及復(fù)位工序、定扭矩上螺栓工序。每個(gè)工序分別擁有相應(yīng)的一套加工裝備,即裂解應(yīng)力槽切割機(jī)、漲斷機(jī)、定扭矩上螺栓機(jī)。其中裂解應(yīng)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(jì)90年代裂解工藝開始應(yīng)用于連桿大頭孔裂解以來(lái),其裂解應(yīng)力槽的切割設(shè)備及工藝就一直不斷地發(fā)展與完善。初始裂解應(yīng)力槽的加工方法主要有機(jī)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(yīng)力槽工藝參數(shù)的研究

根據(jù)斷裂力學(xué),對(duì)于含有裂紋的機(jī)件,當(dāng)外力在垂直于裂紋方向上作用時(shí),產(chǎn)生張開型(Ⅰ型)裂紋擴(kuò)展,材料對(duì)這種裂紋擴(kuò)展的抗力最低[2]。實(shí)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(yīng)力槽最佳。當(dāng)大頭孔內(nèi)施加裂解載荷后,裂解應(yīng)力槽在大頭孔內(nèi)沿厚度方向全面進(jìn)入啟裂狀態(tài),裂紋向外側(cè)擴(kuò)展,裂解過(guò)程中更易控制斷裂方向;并可保證安裝軸瓦時(shí)不破壞斷裂面內(nèi)側(cè)角,同時(shí)保證軸瓦不被破壞[3]。內(nèi)側(cè)面裂解應(yīng)力槽加工位置如圖1所示。

圖1 內(nèi)側(cè)面裂解應(yīng)力槽加工位置示意圖

合理設(shè)計(jì)裂解應(yīng)力槽的工藝參數(shù),可有效地提高應(yīng)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(yīng)力槽工藝尺寸參數(shù)主要由3個(gè)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(yīng)力槽工藝參數(shù)

經(jīng)試驗(yàn)表明:槽深 H在0.4～0.6 mm為宜;槽寬 W增大時(shí),漲斷機(jī)在漲斷時(shí)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(yīng)力槽的加工方法

目前,在批量生產(chǎn)中,連桿裂解應(yīng)力槽的加工方法主要有兩種:機(jī)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(shù),而線切割加工也具有極大的潛力。

2.1 機(jī)械拉削加工法

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

圖3 機(jī)械拉削加工示意圖

由圖3可知,在切削過(guò)程中,通過(guò)刀柄上安裝的刀具對(duì)裂解應(yīng)力槽進(jìn)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(yīng)力槽的深度來(lái)決定。然而裂解用連桿多為屈服強(qiáng)度較低、硬度偏高的材料。在加工過(guò)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(yīng)力槽底部的圓角半徑 R相應(yīng)地增大,從而降低了應(yīng)力集中系數(shù),增大了后續(xù)裂解工序的裂解力,嚴(yán)重時(shí)易造成單邊斷裂、掉渣,甚至無(wú)法裂解。故在生產(chǎn)中需根據(jù)拉刀的磨損情況及時(shí)換刀,或采用專用修刀儀對(duì)拉刀進(jìn)行修整,進(jìn)而增大了刀具的后期維護(hù)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(jìn)行應(yīng)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(dòng)時(shí),分別切割出所需的裂解應(yīng)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(dāng)于用多刃刀具代替了單刃拉刀,降低了每一個(gè)刀刃的切削負(fù)荷,從而延長(zhǎng)了工具的壽命。但仍屬于接觸式加工,其損耗問(wèn)題依然嚴(yán)重,更重要的是切刀部分結(jié)構(gòu)龐大,無(wú)法加工小直徑的連桿。

2.2 激光切割加工法

自20世紀(jì)90年代年以來(lái),德國(guó)Mauser、Alfing公司、美國(guó)通用等公司研究開發(fā)了先進(jìn)的激光加工裂解應(yīng)力槽設(shè)備。德國(guó)Mauser公司的專利提出了一種激光加工裂解應(yīng)力槽的方法(圖5a)[7]:采用一個(gè)激光器,通過(guò)分配裝置將一束激光束分配到兩個(gè)聚光器上;兩個(gè)聚光器頭平行布置或交叉90°布置,通過(guò)聚光器的上下運(yùn)動(dòng)對(duì)連桿大頭孔進(jìn)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(jìn)行裂解應(yīng)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(yīng)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(gè)槽深的恒定加工,會(huì)增加連桿漲斷時(shí)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(yīng)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(duì)傾斜成一定角度并相對(duì)軸線對(duì)稱的反射鏡將匯聚射出的激光束分成兩束,分別通過(guò)射出孔基本垂直地施加在連桿大頭孔內(nèi)圓柱面上,通過(guò)聚光器沿軸線移動(dòng)同時(shí)在連桿內(nèi)圓柱面上加工出兩個(gè)裂解應(yīng)力槽。在槽附近上方設(shè)有兩個(gè)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(yīng)力槽深度D設(shè)定在0.2～0.7 mm,槽寬 W設(shè)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(guó)內(nèi),吉林大學(xué)也開發(fā)研制了激光切割應(yīng)力槽的設(shè)備,其中的關(guān)鍵部件——大功率YAG固體激光發(fā)生裝置需從國(guó)外進(jìn)口。如圖7所示[8],該激光切割設(shè)備采用單個(gè)激光頭設(shè)計(jì)思想,通過(guò)液壓油缸推動(dòng)激光頭左右擺動(dòng),分別加工出裂解應(yīng)力槽。

圖7 激光切槽簡(jiǎn)圖

激光切槽時(shí),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(yīng)力槽具有切縫窄、裂解槽均勻、加工速度快、無(wú)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(diǎn),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(yīng)力槽[4]。但由于激光采用的強(qiáng)度等級(jí)為4級(jí),是不可見光,易灼傷皮膚和眼睛,在調(diào)整激光裝置時(shí)應(yīng)注意安全,必須佩帶防護(hù)眼鏡、穿白色工作服,以減少漫反射的影響[12];激光對(duì)焦煩瑣、費(fèi)時(shí)[13];激光加工過(guò)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(diǎn),造成后續(xù)精鏜加工時(shí)鏜刀崩刃;當(dāng)激光對(duì)焦不精確,使裂解應(yīng)力槽深度變淺,漲斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生漲斷缺陷[14];最重要的是激光裂解應(yīng)力槽加工設(shè)備價(jià)格昂貴,維護(hù)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(jī)床每切割一個(gè)工件均需重新定位和上絲、拆絲,勞動(dòng)強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率極低。因此,國(guó)內(nèi)外未見有關(guān)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(diǎn)可知,該加工工藝非常適合于切割窄縫類導(dǎo)電材料,切割過(guò)程中電極絲與工件間無(wú)明顯的接觸力,完全靠放電通道中的高溫來(lái)蝕除加工。一般汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)切割時(shí),隨著加工進(jìn)行,電極絲受損變細(xì),切割的應(yīng)力槽寬度越來(lái)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(shí)現(xiàn)多個(gè)零件同步切割而電極絲上的電流無(wú)疊加的效果[15～16]。

圖9 雙回路脈沖電源應(yīng)用示意圖

專利技術(shù)《線切割雙回路脈沖電源》中,通過(guò)設(shè)置各回路的回路接入點(diǎn)來(lái)提高切割能量而實(shí)現(xiàn)電極絲上的電流無(wú)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(guò)對(duì)現(xiàn)有線切割機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的拓?fù)渥儞Q,可實(shí)現(xiàn)裂解連桿應(yīng)力槽加工。

2.4 其他切割方法

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

3 連桿裂解應(yīng)力槽切割技術(shù)中存在的問(wèn)題

目前,國(guó)內(nèi)外普遍采用激光切割法進(jìn)行裂解槽的切割,因此,激光切割技術(shù)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(jī)上進(jìn)行漲斷,各種方法均存在3個(gè)主要問(wèn)題:兩側(cè)槽深不一致、對(duì)稱性差和大頭孔變形失圓。從生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看,產(chǎn)生上述問(wèn)題時(shí)往往伴隨著單邊斷裂或未斷裂現(xiàn)象,有時(shí)致使大頭孔嚴(yán)重變形失圓。主要原因是切槽設(shè)備大小頭孔定位不精確。因此,合理設(shè)計(jì)切槽設(shè)備的定位機(jī)構(gòu)是保證切割質(zhì)量的關(guān)鍵。

除此之外,機(jī)械拉削中應(yīng)及時(shí)換刀或利用專用修刀儀進(jìn)行刀刃修整;激光切割中定期檢測(cè)激光頭焦距偏差并修整。而對(duì)于電火花線切割來(lái)說(shuō),由于電極絲是往復(fù)運(yùn)動(dòng)的,其鉬絲的損耗實(shí)際上更有利于應(yīng)力集中,故而減少漲斷時(shí)所需的裂解力。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)研究,影響線切割的因素以?shī)A具的對(duì)中性和電極絲的振動(dòng)最為顯著,此外工藝參數(shù)的選擇也非常關(guān)鍵。

無(wú)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(shí)卻截然不同有些斷裂時(shí)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(jì)算值低。因?yàn)榧す馇懈詈碗娀鸹ň€切割都屬于高溫蝕除,加工時(shí)裂解槽根部金屬急劇加熱,并快速冷卻,會(huì)產(chǎn)生淬火效果,導(dǎo)致槽根部材料的屈服強(qiáng)度提高,產(chǎn)生微裂紋,提高了根部的應(yīng)力集中系數(shù),從而實(shí)現(xiàn)了脆性斷裂。切槽后通過(guò)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(jì)算值低。

圖11 切槽后表面微裂紋

在機(jī)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(shè)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(guò)工藝參數(shù)的優(yōu)選有意識(shí)地控制微裂紋的產(chǎn)生,是今后一個(gè)重要研究課題,目前廣東工業(yè)大學(xué)已在這方面進(jìn)行了許多有益的探索。

4 結(jié)束語(yǔ)

裂解應(yīng)力槽切割技術(shù)作為連桿裂解工藝的核心技術(shù)之一,直接影響到連桿的裂解質(zhì)量和后續(xù)裂解設(shè)備裂解力的大小?，F(xiàn)有的加工方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。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(duì)于中小企業(yè)來(lái)說(shuō),機(jī)械拉削法更易被接受。而線切割加工已顯示了極高的性價(jià)比,未來(lái)有望成為加工裂解連桿應(yīng)力槽的主導(dǎo)工藝。

[1]谷諍巍,姚衛(wèi)國(guó).發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解工藝與裝備[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2006(11):103-105.

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

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

[4]楊慎華,張志強(qiáng),寇淑清.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解加工關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2006,27(5):80-84.

[5]鄭祺峰,楊慎華,寇淑清.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解加工初始裂解槽預(yù)制技術(shù)及應(yīng)用[J].汽車技術(shù),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(guó),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(yù)制裂解槽激光加工方法及其設(shè)備:中國(guó),200410010722.1[P].2005-01-05.

[9]李小軍,計(jì)維斌.發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的新發(fā)展[C]//中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第四屆青年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)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(guó),200410087081.X[P].2005-04-27.

[11]谷諍巍.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解加工工藝[J].新技術(shù)新工藝,2003(7):14-15.

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

[13]張志強(qiáng),楊慎華,寇淑清.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解材料[J].新技術(shù)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(shí)踐》編委會(huì).電火花加工[M].北京:北京出版社,1985.

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

[17]王樹鈞.線切割雙回路脈沖電源:中國(guó),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.