46MnVS5 連桿脈沖激光切割裂解槽實驗研究＊

張傳友 王冠 劉贊豐 張雅文

（①廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)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）

汽車發(fā)動機(jī)連桿未來在原材料上主要從以下3個方面體現(xiàn)：降低成本、提升強(qiáng)度和減輕質(zhì)量[1]。連桿裂解加工技術(shù)采用整體式加工代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分體式加工方法，消除了對連桿與蓋的結(jié)合面進(jìn)行切割磨削，降低了螺栓孔的加工精度要求，進(jìn)而降低連桿的制造難度，大幅度減少了機(jī)械加工工序，顯著提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，增加了產(chǎn)品的競爭力，已成為連桿加工的發(fā)展方向[2]。作為裂解工藝的重要工序，高質(zhì)量、高精度的預(yù)制裂解槽是保證連桿后續(xù)斷裂剖分順利進(jìn)行的必要前提，其目的是創(chuàng)造缺口效應(yīng)，缺口根部在啟裂方向上的應(yīng)力狀態(tài)為拉應(yīng)力，在后續(xù)的斷裂劈裂過程中有利于裂紋的啟裂和快速擴(kuò)展[3]；從而提高應(yīng)力集中系數(shù)，降低裂解力，使斷裂發(fā)生在預(yù)定位置，提高斷裂效率與質(zhì)量[4]。

激光加工裂解槽是目前應(yīng)用最廣泛的加工工藝，其優(yōu)點是加工速度快，定位精度高，尺寸參數(shù)準(zhǔn)確，裂解槽根部存在淬火效應(yīng)，進(jìn)一步提高了應(yīng)力集中系數(shù)，降低了裂解載荷，減小了大頭孔的變形，保證了脆性斷裂[5]。在實際生產(chǎn)中，一般采用脈沖光纖激光器切割裂解槽，與其他類型激光器相比，脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活方便、散熱性能好、輸出功率高、波長范圍寬、具有光束質(zhì)量好、穩(wěn)定性高、對環(huán)境影響小和使用壽命長等優(yōu)點，是一種新型的高質(zhì)量激光光源[6]。用于精密切槽有著獨特的優(yōu)越性，因此成為預(yù)制裂解槽的主要手段[7]。本文主要對脈沖激光切割46MnVS5 連桿裂解槽進(jìn)行試驗，研究了不同激光加工參數(shù)對裂解槽幾何尺寸的影響規(guī)律。

1 實驗方案

1.1 實驗材料

本實驗采用領(lǐng)克汽車GEP3 連桿，材料為中碳非調(diào)質(zhì)鋼46MnVS5，化學(xué)成分如表1 所示。46MnVS5是一種中碳V 系微合金非調(diào)質(zhì)鋼，也是一種析出強(qiáng)化鋼，基體組織為珠光體和鐵素體，如圖1 所示。46MnVS5 是在36MnVS4 的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種用于脹斷連桿的中碳非調(diào)質(zhì)鋼，其屈服比、疲勞強(qiáng)度和加工性能均優(yōu)于36MnVS4 鋼。此外，46MnVS5 具有應(yīng)力集中程度高、塑性變形小和脹斷所需裂解力小等特點，較36MnVS4 具有更廣闊的應(yīng)用前景。

表1 46MnVS5 主要化學(xué)組成 (%)

圖1 46 MnVS5 試樣及金相組織

1.2 實驗設(shè)備

與連續(xù)激光器相比，脈沖激光器更為復(fù)雜。如圖2 所示，脈沖激光器的輸出功率是周期性的，其中P0為脈沖峰值功率，T為脈沖周期（通常也用脈沖頻率f表示），τ為脈沖脈寬。脈沖激光器的平均輸出功率與其輸入?yún)?shù)的關(guān)系[8]如式（1）所示。

圖2 脈沖功率波形圖

試驗設(shè)備采用產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合研發(fā)的LFS150-G 型脹斷連桿激光切槽裝備，如圖3 所示，設(shè)備的主要參數(shù)如表2 所示。

圖3 脹斷連桿激光切槽二代設(shè)備實物圖

表2 激光設(shè)備參數(shù)

1.3 實驗步驟

激光切割裂解槽試驗的主要步驟有：加工樣品、取樣、磨制、拋光和測量。由于生產(chǎn)中光斑的調(diào)整比較復(fù)雜，在實際激光切割中，離焦量和光斑半徑一般保持不變，激光入射角為0°垂直加工，取離焦量為負(fù)離焦，激光光斑半徑r0為0.04 mm；激光切割是在室溫下進(jìn)行的，所以采用壓縮空氣作為輔助氣體去除熔融金屬及金屬蒸汽[9]。

根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗和加工技術(shù)要求，當(dāng)脈沖功率為800 W、脈沖頻率為1 000 Hz、脈沖寬度為90 μs、切割速度為1.0 m/min 時，加工的裂解槽深度為571.6 μm，寬度為178.4 μm，張角為17.9°，切槽后的試樣及脹斷形貌如圖4 所示，滿足裂解槽加工要求。因此，采用單因素實驗，固定其他3 個因素，改變其中1 個因素，分別研究脈沖功率P、脈沖頻率f、脈沖寬度W和加工速度V對連桿裂解槽幾何尺寸的影響規(guī)律。

圖4 切割后的連桿及其脹斷形貌

由于實驗中分組較多，每組參數(shù)選取6 個不同數(shù)值，因此需要對加工的24 組不同裂解槽進(jìn)行分析，并依次測量各裂解槽的槽深和槽寬。為了節(jié)省材料，降低試驗成本，合理使用已有脹斷缺陷的廢棄連桿，并從中切取適當(dāng)大小相同15 mm×10 mm×5 mm 的試樣進(jìn)行實驗；然后利用線切割技術(shù)在連桿上切割出與試樣尺寸一致的缺口，如圖5 所示，調(diào)整不同的加工參數(shù)來切割試樣。切槽后將樣品制成金像試樣，再用砂紙進(jìn)行磨制，然后再對其表面進(jìn)行拋光，每次拋光后用酒精清洗，再吹干[10]。最后在顯微鏡下，依次測量并記錄每個裂解槽槽深和槽寬，如圖6 所示。

圖5 實驗樣品及連桿夾具

圖6 OLS4100 共聚焦顯微鏡裂及裂解槽微觀幾何形貌

2 實驗結(jié)果及分析

切槽質(zhì)量評價主要包括切割位置、尺寸精度﹑切槽的一致性與對稱性等。為了獲得高質(zhì)量和裂解槽快速脹斷的效果，對激光加工呈“V”型的裂解槽，要求其槽深大、槽寬小和裂解槽的底部張角和曲率半徑小，如圖7 所示?！癡”型槽不僅使裂解更容易，而且可以更好地控制方向，斷裂面內(nèi)側(cè)角也不易被損壞，有利于提高連桿脹斷的應(yīng)力集中作用，降低初始裂解應(yīng)力，提高裂解質(zhì)量[11]。

圖7 裂解槽位置及幾何參數(shù)

曲率半徑主要用來描述曲線在某一點的彎曲變化程度，在“V”型槽中，曲率半徑的值很小，對槽的影響也很小。由于裂解槽曲率半徑很小，則可根據(jù)公式（2）計算得到張角[12]。

2.1 脈沖功率的影響

激光功率是激光加工中的一個重要影響參數(shù)，它直接決定了對材料的能量輸入量[13]。根據(jù)上文，采用單因素實驗，將脈沖頻率、脈沖寬度和切割速度分別固定為1 000 Hz、90 μs 和1.0 m/min，脈沖功率P在300～1 200 W 選取，進(jìn)行切槽實驗，并測量裂解槽尺寸。如圖8 所示，繪制不同功率對裂解槽幾何尺寸的影響圖，并分析其影響規(guī)律。

觀察圖8 中的實驗數(shù)據(jù)線可知槽深隨著脈沖功率的增加一直加大，兩者幾乎呈線性關(guān)系。功率從300 W 增加到1 200 W 時，槽深從241 μm 增加到783 μm，增加顯著。而槽寬的變化曲線比較平直，僅從125 μm 增加到208 μm。由于槽深h的增速相較于槽寬w快得多，由張角a=2arctan(w/2h) 可知，張角a隨脈沖功率的增大而快速減小，特別是當(dāng)功率在300～600 W 的范圍內(nèi)，張角從29°減小到19°，功率從600 W 增加到1 200 W 時，張角變化較小，從19°減小到15°。綜上所述，隨著脈沖功率的增加，槽深增加明顯，槽寬增加幅度很小，張角變化也很明顯。因此，脈沖功率主要影響裂解槽深度和張角的變化，在條件允許的情況下，選用較高功率進(jìn)行切槽，槽深大而張角小，槽型尖銳，利于后續(xù)脹斷。

圖8 脈沖功率對裂解槽尺寸的影響

2.2 脈沖頻率的影響

脈沖頻率即激光每秒產(chǎn)生的脈沖數(shù)目，也叫脈沖重復(fù)頻率，也就是2 個相鄰脈沖之間時間間隔的倒數(shù)[14]，單位為赫茲。在其他因素不變的情況下，對脈沖頻率進(jìn)行裂解槽加工的單因素試驗研究。將脈沖功率、脈沖寬度和切割速度分別固定為800 W、90 μs 和1.0 m/min，脈沖頻率f選取在300～1 500 Hz進(jìn)行切槽實驗，并測量裂解槽尺寸。如圖9 所示，繪制不同頻率對裂解槽幾何尺寸的影響圖，并分析其影響規(guī)律。

圖9 脈沖頻率對裂解槽尺寸的影響

由圖9 可知，在激光器參數(shù)設(shè)定范圍內(nèi)，隨著脈沖頻率的提高，裂解槽的深度和寬度都有增大的趨勢，但變化都不明顯。頻率從300 Hz 增加到1 500 Hz 時，槽深從420 μm 增加到558 μm，槽寬從138 μm 增加到180 μm，槽寬的增加量較小，最大值與最小值之間僅相差42 μm。由于槽深和槽寬的增幅都較小，因此張角的波動范圍也較小，總體在17°～19°變化。由此可見，脈沖頻率對連桿裂解槽尺寸影響變化較小。在實際生產(chǎn)時，當(dāng)裂解槽槽深太小或連續(xù)性較差時，則可通過增加脈沖頻率，使裂解槽的連續(xù)性或深度增加，以改善其加工質(zhì)量。

2.3 脈沖寬度的影響

脈沖寬度表征了激光脈沖能量輸出的持續(xù)時間，也是激光加工的重要參數(shù)[15]。將脈沖功率、脈沖頻率和切割速度分別固定為800 W，1 000 Hz 和1.0 m/min，脈沖寬度W選取在50～150 μs 進(jìn)行切槽實驗，并測量裂解槽尺寸。如圖10 所示，繪制不同頻率對裂解槽幾何尺寸的影響圖，并分析其影響規(guī)律。

圖10 脈沖寬度對裂解槽尺寸的影響

在脈沖能量固定的前提下，增加脈沖時間會使每個激光脈沖作用于金屬表面的時間增多，材料吸收熱量增多，從而切割位置的熱影響區(qū)擴(kuò)大，槽深和槽寬隨之增加[16]。由圖10 可知，當(dāng)脈沖寬度從50 μs 增加到150 μs 過程中，槽深從370 μm 增加到537 μm，槽寬從143 μm 增加到181 μm，槽深比槽寬增加的較明顯。當(dāng)脈沖寬度由50 μs 增加到90 μs時，槽深的增速較槽寬大，所以張角的降速較大；當(dāng)脈沖寬度增加到110 μs 時，張角有小幅度的上升，但總體變化范圍在18 °～21 °。因此，脈沖寬度對裂解槽尺寸有影響，但不及脈沖功率影響大。實際應(yīng)用中，可根據(jù)需要適當(dāng)改變脈沖時間，以滿足加工要求，提高裂解槽的加工質(zhì)量。

2.4 切割速度的影響

激光切槽速度的選擇不僅關(guān)系到裂解槽加工質(zhì)量能否達(dá)標(biāo)，而且直接決定了加工效率的高低。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[17]、生產(chǎn)經(jīng)驗及加工工藝要求得知，光纖激光器的切槽速度范圍為0.2～1.6 m/min。將脈沖功率、脈沖頻率和脈沖寬度分別固定為800 W、1 000 Hz和90 μs，切割速度V選取范圍為0.3～1.5 m/min。進(jìn)行切槽實驗，并測量裂解槽尺寸。如圖11 所示，繪制不同切速對裂解槽幾何尺寸的影響圖，并分析其影響規(guī)律。

由圖11 可知，隨著切槽速度的提高，裂解槽的深度和寬度都有減小的趨勢，張角有增大的趨勢；其中，槽深和張角的變化較為明顯。當(dāng)切割速度從0.3 m/min 增加到1.5 m/min 的過程中，槽深由708 μm降低到459 μm，槽寬由196 μm 減小到150 μm。當(dāng)切割速度由0.8 m/min 增加到1.2 m/min 的過程中，槽深和槽寬的變化均較平穩(wěn)，在此范圍內(nèi)，張角的波動也相應(yīng)較小，但總體在15°～19°變化。因此，切割速度主要影響裂解槽深度和寬度的變化。此外，切割速度對連桿生產(chǎn)效率也起著重要作用。適當(dāng)增大激光切割速度可以提高切割效率，然而，切槽速度過快，會使脈沖之間的距離增大，不利于連桿裂解；切槽速度過慢，降低了激光切割效率，不利于批量生產(chǎn)。因此，選擇合適的切槽速度對連桿裂解槽的加工質(zhì)量具有重要的作用。

圖11 脈沖寬度對裂解槽尺寸的影響

3 結(jié)語

本文采用型號為LFS150-G 的脹斷連桿激光切槽裝備，針對24 組不同的激光及切割參數(shù)對46MnVS5連桿裂解槽進(jìn)行單因素切槽實驗。依次通過激光共聚焦顯微鏡觀測每組裂解槽深度和寬度，并通過公式計算其張角，研究這些因素對裂解槽幾何參數(shù)的影響規(guī)律。對于激光器參數(shù)，隨著脈沖功率、脈沖頻率和脈沖寬度的增大，裂解槽深度和寬度都有所增加；其中脈沖功率對張角的影響較大，脈沖頻率和脈沖寬度對張角的變化不明顯。對于設(shè)備控制參數(shù)，隨著切槽速度的增加，裂解槽深度和寬度均減小，張角在一定尺寸范圍內(nèi)變化。對于46MnVS5 連桿，脈沖功率取600～1 000 W、脈沖頻率取800～1 200 Hz、脈沖寬度取70～110 μs、切割速度取0.8～1.2 m/min 時，加工出來的槽深在450～700 μm、槽寬在150～200 μm、張角在15°～20°變化，可滿足加工要求。在實際生產(chǎn)中，工藝參數(shù)需要根據(jù)連桿的具體尺寸及相應(yīng)的加工要求，并結(jié)合各參數(shù)對裂解槽幾何尺寸的影響進(jìn)行優(yōu)化選擇，以獲得最佳的加工質(zhì)量與生產(chǎn)效率。