脈沖光纖激光加工36MnVS4連桿裂解槽的研究

張 沖,王 冠,楊志剛,劉贊豐

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,廣東 廣州 510006；2.廣東四會實力連桿有限公司,廣東 四會 526200)

1 引 言

連桿裂解加工是一種新型連桿加工技術(shù),其采用裂解形成的三維凹凸斷裂面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加工接合面,保證了接合處的精確配合,具有工序少、成本低、效率高、加工質(zhì)量好、裝配精度高、承載能力強等優(yōu)點,已成為連桿加工的主要方向[1]。連桿裂解加工首先需要在連桿大頭孔內(nèi)側(cè)柱面預(yù)制對稱裂解槽,裂解時利用裂解槽根部位置形成的應(yīng)力集中,使連桿在預(yù)定的位置幾乎不產(chǎn)生塑性變形的情況下快速裂解。因此,裂解槽的預(yù)制是連桿裂解加工的技術(shù)關(guān)鍵[2]。

目前,裂解槽的加工方法主要有機械拉削、線切割和激光切割等。其中機械拉削在刀具磨損后,裂解槽根部的曲率半徑增大,加工深度變淺,導(dǎo)致裂解不穩(wěn)定[3]；線切割加工一般需要重新定位和穿絲,從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。鄧偉輝等[4]發(fā)明了一種應(yīng)力槽雙向同步線切割技術(shù),該技術(shù)解決了線切割加工連桿裂解槽需要穿絲的難題,但線切割加工精度低,生產(chǎn)效率低的缺點依舊存在；激光加工裂解槽具有效率高、精度高、無污染等優(yōu)點,已成為目前最先進(jìn)的工藝。激光加工的槽截面呈“V”型,在相同槽深的情況下與線切割加工的“U”型槽相比裂解槽寬度更窄,曲率半徑更小,更有利于裂解[5-6]。激光加工后槽的底部有凝固區(qū)和相變硬化區(qū),此區(qū)域材料相比基體材料硬度有所增加,且槽底部存在少量微裂紋,對連桿的裂解更有利[7]。

連桿裂解槽屬于窄縫盲槽,裂解加工對裂解槽的加工精度和切口質(zhì)量要求很高。光纖激光器與其他激光器相比光電轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長、聚焦半徑小,且其切割金屬材料有天然的優(yōu)勢,因此能更好地加工出質(zhì)量優(yōu)異的裂解槽,已成為激光加工連桿裂解槽的首選光源[8-9]。為此,本文針對光纖激光器加工連桿裂解槽進(jìn)行了試驗研究,探索不同激光參數(shù)對裂解槽幾何尺寸的影響規(guī)律。

2 實驗條件及方法

預(yù)制裂解槽的目的是形成缺口效應(yīng),提高應(yīng)力集中水平,有效降低裂解載荷,保證連桿在預(yù)定位置快速脆性裂解,保證加工質(zhì)量。根據(jù)連桿裂解加工的要求槽深應(yīng)在0.5～0.6 mm為宜。圖1為裂解槽位置及幾何參數(shù)，裂解槽的槽深h、槽寬w、曲率半徑r和張角a對裂解載荷有直接影響:槽深對裂解力的影響最顯著,隨著槽深的增加,裂解所需的載荷顯著減小；曲率半徑r和張角a對裂解載荷也有較大影響,隨著曲率半徑r和張角a減小,裂解所需的載荷也越??；槽寬對裂解載荷的影響最小,隨著槽寬減小,裂解所需載荷降低不明顯[10]。因此,從斷裂效率和裂解質(zhì)量考慮,要求裂解槽尖銳、深而窄、張角小,以提高應(yīng)力集中系數(shù),有效降低裂解力,避免裂解缺陷的出現(xiàn),保證連桿裂解加工質(zhì)量。

圖1 裂解槽位置及幾何參數(shù)

實驗設(shè)備采用廣東工業(yè)大學(xué)和廣東四會實力連桿有限公司共同研制的脹斷連桿激光切槽裝備,如圖2所示。該裝備采用瑞士ROFIN公司FLBK SC 90/60型號的光纖脈沖激光器,其具體參數(shù)見表1。

圖2 連桿裂解槽激光加工裝備

LaserparametersParameterscaleLaserpeakpower/W200～1590Pulseenergy/mJ01～15000Pulsewidth/μs10～5000Pulsefrequency/Hz03～25000

試樣選取JL4T18連桿,其材料為非調(diào)質(zhì)中碳合金鋼36 MnVS4,其主要成分見表2。連桿毛坯經(jīng)熱鍛成型并利用余熱進(jìn)行空氣控制冷卻,金相組織如圖3所示,主要為均勻珠光體+鐵素體。

表2 材料化學(xué)成分

試驗在室溫下進(jìn)行,采用壓縮空氣作為輔助氣體,激光采用負(fù)離焦且離焦量保持不變,垂直入射到被加工表面進(jìn)行切割。通過試驗可知,當(dāng)峰值功率為800 W、脈沖寬度為30 μm、脈沖頻率為1000 Hz、

切割速度為1.4 m/min時,加工出裂解槽深度為0.5451 mm、寬度為0.1456 mm、張角為10.2°、曲率半徑為0.0174 mm,可滿足加工要求。此時,固定其他三個因素改變其中一個因素,分別研究峰值功率、脈沖寬度、脈沖頻率和切割速度對裂解槽幾何尺寸的影響,進(jìn)而來研究脈沖能量和脈沖重疊度對裂解槽幾何尺寸的影響規(guī)律。每組參數(shù)切割3個試樣,采用LEXT OLS4000激光共聚焦顯微鏡對加工后的裂解槽幾何尺寸進(jìn)行測量并取平均值。

圖3 36 MnVS4金相組織

4 試驗結(jié)果與討論

激光加工裂解槽是通過激光脈沖能量使加工位置的金屬迅速融化或氣化,并利用輔助氣體將融化金屬從連桿上驅(qū)除,激光束的勻速移動使材料表面出現(xiàn)連續(xù)均勻的小盲孔,最后形成連桿裂解槽[11]。

4.1 離焦量的影響

激光焦點與工件表面的位置關(guān)系可用離焦量來表示。離焦量的大小決定了光斑能量密度的大小及能量分布的均勻性,能量密度分布的均勻性直接影響裂解槽的幾何尺寸。如圖4所示,圖中d為光纖直徑;f為焦距;d0為光斑直徑;h為焦深;θ為發(fā)散角;a為焦點位置,當(dāng)焦點a在連桿大頭孔內(nèi)壁表面之上時,稱為正離焦；當(dāng)焦點a在連桿大頭孔內(nèi)壁表面之下時稱為負(fù)離焦[12]。

圖4 焦點位置

處于正離焦位置切割后的裂解槽截面如圖5(a)所示,由于激光光束趨于發(fā)散時才落到大頭孔內(nèi)壁,光斑較大,能量密度小,因此所切割的裂解槽深度淺、曲率半徑大,不能滿足加工要求；處于負(fù)離焦位置切割后的裂解槽截面如圖5(b)所示,由于激光能量最強點落在大頭孔內(nèi)壁表面之下,能量集中,能充分對工件進(jìn)行切割,切割深度大,槽底呈尖角,能夠保證連桿的裂解質(zhì)量。因此,需采用負(fù)離焦進(jìn)行裂解槽加工。

圖5 激光正(負(fù))離焦切割的裂解槽幾何形貌

4.2 峰值功率和脈沖寬度的影響

連桿裂解槽的幾何尺寸直接由瞬間聚焦在材料表面的脈沖能量大小決定：

Q=P×t

(1)

式中,Q為脈沖能量;P為峰值功率;t為脈沖寬度。

由式(1)可知,增大峰值功率或脈沖寬度,都會使每個脈沖能量增加,使切割位置的熱影響區(qū)擴(kuò)大。如圖6所示,在其他因素不變的情況下隨著峰值功率的增加,槽深增加顯著,槽寬略有增加,曲率半徑變化不大,基本在0.02 mm左右,張角變化較大但不超過30°,峰值功率在700～900 W時皆可滿足加工要求。如圖7所示,在其他因素不變的情況下,隨著脈沖寬度的增加,槽深增加顯著,槽寬略有增加,曲率半徑在0.025 mm左右變化,張角在18°以內(nèi)較小范圍變化,脈沖寬度在25～40 μs皆可滿足加工要求。

因此,實際加工時可根據(jù)需要適當(dāng)增加峰值功率或脈沖寬度來提高脈沖能量,以滿足加工要求,提高裂解槽的加工質(zhì)量,但脈沖能量也不宜過大,否則會在裂解槽底部形成較大的熱影響區(qū),精加工后殘余的熱影響區(qū)會影響連桿的性能。同時,熱影響區(qū)材料硬度變大,對后續(xù)的精加工有一定的影響[13]。

圖6 不同峰值功率時裂解槽的幾何尺寸

圖7 不同脈沖寬度時裂解槽的幾何尺寸

4.3 脈沖頻率和切割速度的影響

裂解槽是由許多連續(xù)或疊加的盲孔構(gòu)成的,激光每發(fā)出1個脈沖則進(jìn)行1次打孔,裂解槽的連續(xù)性可由相鄰兩個盲孔的相連程度來描述,即脈沖重疊率[14]:

(2)

式中,d為聚焦半徑；v為切割速度；f為脈沖頻率。

由式(2)可知,在離焦量一定時,減小切割速度或增大脈沖頻率,都可以增加裂解槽的連續(xù)性。如圖8所示,在其他條件一定時,切割速度對裂解槽幾何尺寸的影響不大。由于生產(chǎn)要求,在批量生產(chǎn)時,需要較快的切割速度來保證加工效率。但是,切割速度也不宜過快,過快的切割速度,使金屬不易充分燃燒氣化并驅(qū)除,會導(dǎo)致部分融化金屬凝結(jié)在槽周圍,凝固區(qū)硬度較大,在后續(xù)連桿大頭孔的精加工中會嚴(yán)重磨損刀具[11]。因此,切割速度在1.0～1.4m/min為宜。

圖8 不同切割速度時裂解槽的幾何尺寸

如圖9所示峰值功率為800 W、脈沖寬度為30 um、切割速度為1.4 m/min、脈沖頻率為300Hz時,裂解槽雖然滿足連續(xù)性要求,但是槽深只有0.3348 mm無法滿足加工要求。如圖10所示,當(dāng)脈沖頻率增大到1000 Hz時,裂解槽深度為0.5451 mm才能滿足加工要求。因此,構(gòu)成裂解槽的盲孔需要在多個脈沖的重復(fù)作用下,即脈沖重疊度較大時才能滿足深度要求。

圖9 脈沖頻率為300 Hz時裂解槽的幾何形貌

圖10 脈沖頻率為1000 Hz時裂解槽的幾何形貌

如圖11所示,給出了裂解槽幾何尺寸隨頻率的變化關(guān)系曲線,隨著脈沖頻率的增加裂解槽深度變大,槽寬略有增加,張角和曲率半徑變化不大,脈沖頻率在600～1200 Hz皆可滿足加工要求。因此,實際加工中,速度一定且在脈沖能量較大的情況下,仍不滿足加工要求時,可增加脈沖頻率來增大重疊度,以滿足加工要求。

圖11 不同脈沖頻率時裂解槽的幾何尺寸

5 結(jié) 論

本文通過光纖激光切割36 MnVS4連桿裂解槽試驗,分析激光加工參數(shù)對裂解槽幾何尺寸的影響。峰值功率、脈沖寬度、脈沖頻率和切割速度對槽深和張角的影響較大,對槽寬和曲率半徑影響較小。但槽深為0.5～0.6 mm時,張角在10°～25°較小的范圍內(nèi)變化。在加工時應(yīng)選用負(fù)離焦進(jìn)行切割；在特定的切割速度下,當(dāng)脈沖能量小于36 mJ(900W·40 μs)時,若槽深不足,則首先考慮加大峰值功率來提高脈沖能量,改善加工質(zhì)量；若峰值功率增加到900 W時還不滿足要求,則考慮加大脈沖寬度來提高脈沖能量,改善加工質(zhì)量；若脈沖寬度增加到40 μs,即脈沖能量增加到36 mJ時,裂解槽幾何尺寸還不滿足加工要求,則應(yīng)增加脈沖頻率,即增加光斑重疊度來改善切割質(zhì)量。針對36 MnVS4材料連桿,切割速度取1.4 m/min時,峰值功率選700～900 W、脈沖寬度選25～40 μs、脈沖頻率選600～1200 Hz可滿足加工要求。

[1] KOU Shuqing,WANG Jinwei,JIAN Xiaoxia,et al.YAG laser cutting on sharp fracture splitting notch of connecting rod[J].Optics and Precision Engineering,2010,18(6):1340-1346.(in Chinese)

寇淑清,王金偉,菅曉霞,等.連桿尖銳裂解槽的脈沖YAG激光切割[J].光學(xué) 精密工程,2010,18(6):1341-1346.

[2] ZHENG Qifeng.Research on laser processing fracture splitting groove technology and automation equipment for engine connecting rod[D].Changchun:Jilin University,2011.(in Chinese)

鄭祺峰.發(fā)動機連桿裂解槽激光加工技術(shù)及自動化設(shè)備[D].長春:吉林大學(xué),2011.

[3] YANG Hongyu.Numerical simulation of connecting rod fracture processand analysis on main fracture splitting defects[D].Changchun:Jilin University,2014.(in Chinese)

楊宏宇.連桿斷裂剖分過程數(shù)值模擬及主要裂解缺陷分析[D].長春:吉林大學(xué),2014.

[4] DENG Weihui,ZHANG Yongjun,HUANG Yaxi,et al.Development of cracking notches process for Engine conrod[J].Machine Tool & Hydraulics,2009,37(11):60-61.(in Chinese)

鄧偉輝,張永俊,黃壓西,等.發(fā)動機連桿應(yīng)力槽加工新技術(shù)[J].機床與液壓,2009,37(11):60-61.

[5] ZHAO Yong.Study on parameters of connecting rod fracture splitting based on fracture after small scale yielding and its application[D].Changchun:Jilin University,2011.(in Chinese)

趙勇.基于小范圍屈服斷裂的連桿脹斷參數(shù)研究與應(yīng)用[D].長春:吉林大學(xué),2011.

[6] YANG Qingtian.Multi-scale simulation study on propagation of connecting rod crack by wire cut electrical discharge machining [D].Guangzhou:Guangdong University of Technology,2016.(in Chinese)

楊青天.電火花線切割連桿裂紋擴(kuò)展的多尺度仿真研究[D].廣州: 廣東工業(yè)大學(xué),2016.

[7] WANG Jinwei. Numerical simulation and experimental study on pulsed laser processing fracture splitting notch of con-rod /crankcase bearing block[D].Changchun:Jilin University,2011.(in Chinese)

王金偉.連桿/箱體主軸承座裂解槽脈沖激光加工數(shù)值模擬及試驗研究[D].長春:吉林大學(xué),2011.

[8] Yuvraj K Madhukar,Suvradip Mullick,Ashish K Nath.An investigation on co-axial water-jet assisted fiber laser cutting of metal sheets[J].Optics and Lasers in Engineering,2016:77.

[9] HU Kai.Study of 1550 nm and 2 um fiber lasers based on nonlinear effects [D].Hangzhou:Zhejiang University,2015.(in Chinese)

胡凱.基于非線性效應(yīng)的1550 nm及2 μm光纖激光器研究[D].杭州：浙江大學(xué),2015.

[10] ZHANG Zhiqiang.Numerical simulation and experimental study on effect factors of engine connecting rod fracture splitting[D].Changchun:Jilin University,2007.(in Chinese)

張志強.發(fā)動機連桿裂解加工影響因素數(shù)值分析及試驗研[D].長春：吉林大學(xué),2007.

[11] ZHENG Qifeng,YANG Zhenhua,DENG Chunping,et al.Manufacture of connecting-rod initial splitting notch by Nd∶YAG solid laser[J].Optics and Precision Engineering,2010,18(1):142-147.(in Chinese)

鄭祺峰,楊慎華,鄧春萍,等.應(yīng)用Nd_YAG激光加工連桿初始裂解槽[J].光學(xué) 精密工程,2010,18(1):142-147.

[12] GUO Qiang,JIA Zhixin,GAO Jianqiang,et al.Technological study on laser cutting of polycrystallinediamond compact[J].Laser & Infrared,2017,47(6):686-692.(in Chinese)

郭強,賈志新,高堅強,等.聚晶金剛石復(fù)合片激光切割工藝研究[J].激光與紅外,2017,47(6):686-692.

[13] ZHENG Liming.Research on key technologies and equipment development of engine connecting rod fracture splitting[D].Changchun:Jilin University,2012.(in Chinese)

鄭黎明.發(fā)動機連桿裂解加工關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備開發(fā)[D].長春:吉林大學(xué),2012.

[14] LI Yue.Laser mark technology for Ge Wafer[J].Laser & Infrared,2015,45(12):1424-1426.(in Chinese)

李悅.Ge晶片激光標(biāo)識碼的制作技術(shù)[J].激光與紅外,2015,45(12):1424-1426.